«Автоматизированная дамба» на базе конструктора LEGO MINDSTORMS EV3. Инновационность

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

«Автоматизированная дамба» на базе конструктора LEGO MINDSTORMS EV3. Инновационность

Попова А.С. 1Георгиев А.О. 1Седых П.А. 1Ярметов З.А. 1
1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития
Лушникова В.А. 1
1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Вода - это источник жизни, но она также может быть разрушительной силой. Наводнения, вызванные ливневыми дождями, таянием снегов или неконтролируемым сбросом воды из водохранилищ, являются одной из наиболее распространенных и разрушительных природных катастроф.

Наводнения приводят к значительным материальным ущербам, гибели людей и животных, нарушению работы инфраструктуры и экономической деятельности.

Проблема: Несмотря на развитие систем предупреждения о наводнениях, многие регионы мира продолжают страдать от этой стихии. Традиционные дамбы, построенные человеком, часто не могут полностью предотвратить наводнения или не в состоянии эффективно регулировать уровень воды в реках.

Решение: В этом контексте актуальным становится развитие автоматизированных систем управления водой, которые могут быстро и эффективно реагировать на изменение уровня воды в реках и предотвращать наводнения.

Автоматизация дамб предлагает ряд преимуществ:

Быстрое реагирование: Автоматизированные системы могут быстро реагировать на изменение уровня воды и контролировать отток воды из реки, что позволяет предотвратить наводнения или свести к минимуму их последствия.

Повышение безопасности: Автоматические системы управления дамбы могут снизить риск ошибок человеческого фактора и повысить безопасность работников дамбы.

Эффективное управление: Автоматизированные системы позволяют управлять уровнем воды с повышенной точностью и эффективностью, что позволяет более эффективно использовать водные ресурсы.

Проект “Автоматизированная дамба” является отличной возможностью изучить принципы гидротехники, автоматизации и программирования и создать рабочую модель автоматизированной дамбы с помощью конструкторского набора LEGO MINDSTORMS EV3.

Этот проект позволит учащимся развить навыки конструирования, программирования и решения проблем, а также углубить понимание значения автоматизации в гидротехнике и ее роли в предотвращении наводнений.

Цель проекта: Сконструировать и запрограммировать модель дамбы с помощью конструкторского набора LEGO MINDSTORMS EV3, которая будет автоматически регулировать уровень воды в реке.

Задачиисследования:

  1. Определить значение дамб;

  2. Изучить типы дамб и их функции;

  3. Выявить основные принципы управления водой;

  4. Создатьпроект«Автоматизированная дамба» на базе конструктора LEGO MINDSTORMS EV3;

  5. Составить описание проекта;

  6. Выявить инновационность проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты.Приконструированиидвижимыхчастейпроектанампомогликнигииметодические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].

 

Глава 1 Общие сведения

    1. Определение и значение дамб

Дамба - это гидротехническое сооружение, которое возводится для регулирования уровня воды в реках, озерах или водохранилищах. Это искусственная преграда, построенная из различных материалов (земля, бетон, камень), которая перекрывает русло водоема и создает водохранилище или изменяет русло реки (Рисунок 1.1.1).

Функции дамб:

  • Регулирование уровня воды: Дамбы используются для контроля уровня воды в реках, предотвращения наводнений и обеспечения постоянного доступа к питьевой воде и для орошения.

  • Накопление воды: Дамбы создают водохранилища, где накапливается вода для различных целей, таких как орошение, питьевое водоснабжение, гидроэнергетика, рекреация и другие.

  • Защита от наводнений: Дамбы служит защитой от наводнений, препятствуя переливанию воды из реки и спасая населенные пункты и инфраструктуру от разрушения.

  • Гидроэнергетика: Многие дамбы оборудованы гидроэлектростанциями, которые используют энергию воды для выработки электроэнергии.

  • Судоходство: Некоторые дамбы имеют шлюзы, которые позволяют судам перемещаться через водохранилище или реку.

Значение дамб:

Дамбы играют ключевую роль в управлении водными ресурсами и обеспечении жизнедеятельности человека. Они предотвращают наводнения, обеспечивают доступ к питьевой воде, вырабатывают электроэнергию и способствуют развитию сельского хозяйства и туризма.

Однако, строительство дамб также может иметь отрицательные последствия:

  • Изменение экосистемы: Дамбы могут изменять экосистему реки, нарушая миграцию рыб, уменьшая биоразнообразие и влияя на качество воды.

  • Социальные конфликты: Строительство дамб может привести к перемещению населения, конфликтам с местными жителями и нарушению традиционного образа жизни.

В целом, дамбы являются важными гидротехническими сооружениями, которые играют ключевую роль в управлении водными ресурсами и обеспечении жизнедеятельности человека. Однако, при их строительстве необходимо учитывать экологические и социальные последствия и стремиться к устойчивому развитию.

1.2 Типы дамб и их функции

Дамбы бывают разных типов, каждый из которых предназначен для выполнения определенных функций. Основные типы дамб классифицируются по материалу, конструкции и назначению.

1. По материалу:

  • Земляные дамбы: Самый распространенный тип, построенный из грунта и уплотненного материала. Отличаются простотой конструкции и относительно низкой стоимостью (Рисунок 1.2.1).

  • Бетонные дамбы: Построены из бетона, обеспечивают высокую прочность, стойкость к водной эрозии и большую долговечность.

  • Каменные дамбы: Построены из камней, используются в местностях с обилием каменных материалов.

  • Комбинированные дамбы: Сочетают в себе несколько материалов, например, бетон и землю, что позволяет оптимизировать стоимость и свойства дамбы.

2. По конструкции:

  • Гравитационные дамбы: Отличаются массивностью и тяжестью, их устойчивость обеспечивается силой собственного веса.

  • Арчевые дамбы: Имеют изогнутую форму и передают нагрузки на боковые склоны каньона. Отличаются более компактной конструкцией по сравнению с гравитационными дамбами.

  • Контрфорсные дамбы: Используют систему контрфорсов (подпорных стен) для передачи нагрузки на фундамент. Идеально подходят для местности с неустойчивыми грунтами.

  • Дамбы с переливами: Имеют специально спроектированные переливы для сброса избыточной воды при высоком уровне воды в водохранилище.

3. По назначению:

  • Оросительные дамбы: Создают водохранилища для орошения полей и сельскохозяйственных участков.

  • Гидроэнергетические дамбы: Оборудованы гидроэлектростанциями для выработки электроэнергии.

  • Противопаводковые дамбы: Защищают населенные пункты и инфраструктуру от наводнений.

  • Судоходные дамбы: Имеют шлюзы для пропуска судов через водохранилище или реку.

  • Рекреационные дамбы: Создают водохранилища для отдыха и туризма.

Важно отметить, что каждый тип дамбы имеет свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного типа зависит от конкретных условий строительства и задач, которые нужно решить.

1.3 Основные принципы управления водой

Управление водными ресурсами - это комплексная задача, которая включает в себя множество аспектов, от сбора и хранения воды до ее распределения и использования (Рисунок 1.3.1). Основные принципы управления водой направлены на обеспечение устойчивого использования этого ценного ресурса, удовлетворяя потребности населения и защищая окружающую среду.

1. Сбор и Хранение Воды:

Сбор воды: Дождевая вода, речная вода, грунтовые воды и другие источники воды собираются с помощью систем канализации, водосборных бассейнов и других сооружений.

Хранение воды: Вода хранится в водохранилищах, озерах, резервуарах и других сооружениях для обеспечения постоянного доступа к ней в течение года.

2. Распределение и Использование Воды:

Распределение воды: Вода распределяется по разным областям с помощью систем канализации, водопроводов и других сооружений.

Использование воды: Вода используется для питьевого водоснабжения, орошения, промышленности, энергетики, рекреации и других целей.

3. Защита водных ресурсов:

Защита от загрязнения: Необходимо предотвращать загрязнение водных ресурсов отходами промышленности, сельского хозяйства и других источников.

Сохранение биоразнообразия: Важно защищать водные экосистемы и сохранять биоразнообразие водных организмов.

Рациональное использование: Необходимо уменьшать потери воды при ее транспортировке и использовании и стремиться к ее рациональному использованию.

4. Управление рисками:

Предотвращение наводнений: Дамбы, водохранилища и другие гидротехнические сооружения помогают предотвратить наводнения и уменьшить их последствия.

Засухоустойчивость: Управление водными ресурсами помогает смягчать последствия засухи и обеспечивать доступ к воде в сухие периоды.

5. Взаимодействие и участие:

Взаимодействие между разными отраслями: Управление водными ресурсами требует взаимодействия между разными отраслями, такими как сельское хозяйство, промышленность, энергетика и охрана окружающей среды.

Участие общественности: Важным фактором успешного управления водными ресурсами является участие общественности в принятии решений и контроле за использованием воды.

Управление водными ресурсами - это сложная задача, которая требует комплексного подхода, учета экологических, социальных и экономических факторов. Цель управления водой - обеспечить устойчивое использование этого ценного ресурса для будущих поколений.

Глава 2 Практическая часть

2.1 Описание проекта

Наш проект “Автоматизированная Дамба” (Рисунок 2.1.1). решает следующие задачи:

  • Регулирование уровня воды (Рисунок 2.1.3): Дамба автоматически отслеживает уровень воды в реке с помощью датчиков и управляет открытием и закрытием шлюзов для поддержания оптимального уровня воды.

  • Предотвращение наводнений (Рисунок 2.1.2): Система управления дамбы быстро реагирует на повышение уровня воды в реке, открывая шлюзы и сбрасывая избыточную воду, что предотвращает наводнения.

  • Эффективное использование водных ресурсов: Автоматизированная система позволяет более эффективно использовать водные ресурсы, сохраняя воду в водохранилище и предотвращая ее потери из-за перелива.

  • Повышение безопасности: Система управления дамбы снижает риск ошибок человеческого фактора, повышая безопасность работников дамбы и населения в близлежащих районах.

  • Демонстрация принципов гидротехники: Проект позволяет углубить понимание принципов гидротехники и управления водой, показывая как работают дамбы и как их можно автоматизировать.

  • Развитие навыков STEM: Проект развивает у учащихся навыки конструирования, программирования, критического мышления и решения проблем, погружая их в мир инженерных решений.

Проект “Автоматизированная Дамба” демонстрирует практическое применение LEGO MINDSTORMS EV3 для решения реальных инженерных задач и показывает, как технологии могут способствовать устойчивому управлению водными ресурсами.

2.2 Инновационность проекта

Проект “Автоматизированная Дамба EV3” отличается инновационностью по следующим причинам:

1. Комбинация образовательных и практических аспектов:

  • Проект не только обучает основам гидротехники и автоматизации, но и позволяет создать рабочую модель автоматизированной дамбы, что делает обучение более интерактивным и запоминающимся.

2. Доступность и простота использования:

  • LEGO MINDSTORMS EV3 - доступный и простой в использовании конструктор, что делает проект доступным для широкой аудитории, включая школьников и студентов.

3. Использование современных технологий:

  • Проект использует современные технологии, такие как датчики и моторы LEGO MINDSTORMS EV3, что делает его более актуальным и информативным.

4. Создание функционального прототипа:

  • Проект не ограничивается только теоретическими знаниями, а позволяет создать функциональный прототип автоматизированной дамбы, что позволяет увидеть практическую применимость теоретических знаний.

5. Стимулирование интереса к STEM:

  • Проект может стимулировать интерес к STEM-дисциплинам, особенно среди молодых людей, показывая им, как технологии могут быть использованы для решения реальных проблем.

6. Упрощение сложных процессов:

  • Проект упрощает сложные процессы, связанные с управлением водой, делая их более понятными и доступными для изучения.

7. Потенциал для дальнейшего развития:

  • Проект имеет большой потенциал для дальнейшего развития и может быть расширен с использованием новых датчиков, моторов и программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3.

В целом, проект “Автоматизированная Дамба EV3” является инновационным и актуальным проектом, который сочетает в себе образовательные и практические аспекты и позволяет углубить понимание важных проблем, связанных с управлением водными ресурсами (Рисунок 2.2.1)..

Заключение

Проект “Автоматизированная Дамба” представил увлекательный и познавательный путь в мир инженерных решений и гидротехники. С помощью LEGO MINDSTORMS EV3 мы создали рабочую модель автоматизированной дамбы, которая демонстрирует важность технологий в управлении водными ресурсами.

В процессе проекта мы изучили основные принципы гидротехники, научились конструировать и программировать систему управления водой, использовали датчики и моторы LEGO MINDSTORMS EV3 для реализации инженерных решений.

Результаты проекта:

  • Мы создали рабочую модель автоматизированной дамбы, которая может регулировать уровень воды в реке.

  • Мы освоили основы программирования LEGO MINDSTORMS EV3 и научились управлять моторами и датчиками.

  • Мы глубоко поняли важность автоматизации в гидротехнике и ее роль в предотвращении наводнений.

В целом, проект “Автоматизированная Дамба” представил собой увлекательное и полезное упражнение в области STEM образования. Он помог нам развить навыки конструирования, программирования и решения проблем, а также глубоко понять принципы гидротехники и важность автоматизации в управлении водными ресурсами.

Этот проект может послужить отличной основой для дальнейших исследований и разработок в области гидротехники и инженерных решений, используя LEGO MINDSTORMS EV3 как инструмент для создания рабочих моделей и исследования сложных систем.

Список используемой литературы

  1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуальногоразвития«МистерБрейн»,-Режимдоступа-https://vk.com/mrbrain_tmn;

  2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкцииоживают/С.М.Богданова,Е.Е.Попова//«Новыеинформационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»:материалыVIIМеждународнойнаучно-техническойконф.2017С.160-163.Режимдоступа-https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

  3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука,2013. 319с;

Интернетисточники

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Дамба

  2. https://tass.ru/info/7030608

  3. https://azbukametalla.ru/entsiklopediya/d/damby.html

  4. https://www.syl.ru/article/532318/2023-chto-takoe-damba-opredelenie-termina-klassifikatsiya-i-osnovnyie-funktsii

  5. https://portnews.ru/comments/1901/

Приложение

Рисунок1.1.1 Дамба Рисунок 1.2.1 Типы земляных плотин

Рисунок1.3.1 Фазы водного режима Рисунок 2.1.1 Эскиз модели «Дамба»

Рисунок2.1.2 Модель «Дамба» Рисунок 2.1.3 Модель «Уровень воды»

Рисунок2.2.1 Командное фото с проектом

Просмотров работы: 54