Робот-ледокол

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

Личный портфель

Робот-ледокол

Блинов В.Д. 1Гиголян Р.В. 1Арутюнов Э.А. 1
1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"
Блинова К.П. 1
1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность и практическое применение:

Ледоколы играют ключевую роль в освоении Арктики, обеспечивая навигацию и доставку грузов в условиях льдов. Проект помогает понять важность таких технологий для реального мира. Влияние ледоколов на экосистему и поиск баланса между технологиями и охраной природы.

Цель проекта - разработка модели робота-ледокола, которая:

  • Эффективно дробит "лёд" (имитация из пластиковых пластин).

  • Перемещается по заданной траектории (программируемый маршрут).

  • Демонстрирует работу реальных ледоколов (форма корпуса, принцип движения).

Задачи:

Конструкторские:

  • Собрать корпус с усиленной носовой частью.

  • Реализовать механизм "разрушения льда" (например, вращающиеся элементы или отвал).

Программные:

  • Написать код для движения вперёд/назад с паузами.

  • Добавить реакцию на препятствия (датчик расстояния).

Образовательные:

  • Изучить, почему ледоколы не тонут (форма корпуса, выталкивающая сила).

  • Обсудить, как инженеры улучшают такие машины. Пример реализации на LEGO WeDo 2.0. Нос-клинья (пластины под углом, чтобы "разламывать" препятствия). Гусеницы/колёса (для устойчивости на "льду"). Датчик расстояния (остановка перед стеной).

Этот проект сочетает физику, экологию и робототехнику, делая обучение наглядным и увлекательным.

Глава 1. Общие сведения

1.1 История ледоколов: от первых опытов до атомных гигантов

Ранние попытки (XVIII–XIX века) 1715 год: В России построен первый прообраз ледокола — «Прам» Петра I — плоскодонное судно для работы во льдах.

1864 год: В США создан пароход «City Ice Boat No. 1» с усиленным корпусом для прокладывания пути через лёд.

1897 год: В Германии спущен на воду «Eisbrecher I» — первый специализированный ледокол с носовым скосом.

Первый настоящий ледокол (1899 год) «Ермак» (Россия): Спроектирован адмиралом С.О. Макаровым. Работал на угле, мог ломать лёд толщиной 2 метра. Использовался в Арктике и для спасения судов.

Советская эпоха: технологический рывок 1938 год: «И. Сталин» — первый серийный ледокол с электродвигателями.

1959 год: Атомный ледокол «Ленин» — мировая сенсация! Первое гражданское судно с ядерной установкой. Автономность плавания — 1 год без дозаправки.

Современные гиганты (XXI век) «50 лет Победы» (2007): Крупнейший в мире атомный ледокол (длина — 159 м). Ломает лёд толщиной 2.8 м.

Проект «Арктика» (2020): Новое поколение с двухреакторной установкой. Может работать при -50°C.

Интересные факты Почему ледокол не тонет? Его корпус закруглён снизу — при давлении льда судно «выдавливается» на поверхность.

Атомные ледоколы тратят 1 грамм урана в сутки (как 100 тонн дизельного топлива!).

Будущее: Автономные ледоколы с ИИ (проект «Айсберг» в России). Почему это важно для робототехники? Современные ледоколы — это сложные роботизированные системы с датчиками толщины льда, автопилотом для оптимального маршрута, возможностью дистанционного управления.

    1. Современные ледоколы.

Современные ледоколы сталкиваются с рядом сложных технологических, экологических и экономических проблем:

1. Экологические вызовы. Загрязнение Арктики: Дизельные ледоколы выбрасывают сажу, ускоряющую таяние льдов. Риск аварий: Утечка топлива или радиоактивных материалов в хрупких арктических экосистемах. Шумовое воздействие: Подводный шум винтов нарушает жизнь морских животных

2. Технологические ограничения. Толщина льда: Новые арктические ледоколы должны преодолевать льды до 4-5 метров. Энергоэффективность: Высокое потребление топлива (атомные решения не всегда приемлемы). Автономность: Необходимость длительной работы в удаленных районах без дозаправки

3. Экономические вопросы. Стоимость строительства: Цена нового атомного ледокола превышает $1 млрд. Окупаемость: Сезонность использования (3-5 месяцев активной работы в год). Конкуренция маршрутов: Развитие альтернативных транспортных коридоров

4. Климатические изменения. Нестабильность ледовой обстановки: Чередование участков с толстым льдом и открытой водой. Изменение структуры льда: Появление более твердого и опасного "пакового" льда

5. Перспективные решения:

  • Альтернативные виды топлива (СПГ, водородные установки)

  • Гибридные энергосистемы (комбинация атомных и электрических) Беспилотные технологии (дистанционно управляемые ледоколы)

  • Новые материалы корпуса (композиты с памятью формы)

  • Искусственный интеллект для оптимизации маршрутов

Эти вызовы требуют инновационных инженерных решений, что делает ледоколостроение одной из самых высокотехнологичных отраслей судостроения.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Ледоколостроение и робототехника: технологии покорения льдов

Ледоколостроение — одна из самых сложных отраслей судостроения, сочетающая мощь инженерной мысли и инновационные технологии. Современные ледоколы, такие как российские атомные гиганты серии «Арктика», способны ломать лёд толщиной до 3 метров, обеспечивая навигацию в полярных регионах. Их конструкция включает усиленный корпус, особую форму носовой части и мощные двигатели.

Робототехника играет ключевую роль в развитии ледокольного флота. Автономные подводные аппараты исследуют толщину льда, а дроны помогают прокладывать оптимальные маршруты. В будущем возможны полностью беспилотные ледоколы, управляемые ИИ.

В образовании робототехнические конструкторы, такие как LEGO WeDo, позволяют изучать принципы работы ледоколов в миниатюре. Школьники могут создать модели, оснащённые датчиками и моторами, научиться программировать их движение и анализировать данные.

Таким образом, ледоколостроение и робототехника тесно связаны: первое обеспечивает практическое применение технологий, а второе — инновационные решения для освоения Арктики и Антарктики.

2.2 Робот-ледокол на LEGO WeDo 2.0

Концепция проекта: Создание программируемой модели ледокола, способной

  • Передвигаться по заданной траектории

  • Имитировать разрушение льда (преодоление препятствий)

  • Демонстрировать принцип работы реальных ледоколов

Необходимые компоненты

  • SmartHub (Блок управления)

  • Мотор 1-2 шт (Движение и механизм "дробления льда")

  • Датчик наклона/расстояния (Обнаружение препятствий)

  • Основные кирпичи LEGO (Корпус судна)

  • Колеса (Передвижение)

  • Декоративные элементы - Имитация льда (белые пластины)

    1. Тестирование и оценка

Во время тестирования мы использовали модификации для разных уровней:

  • Простое Движение по прямой

  • Средний Обход препятствий с датчиком расстояния

  • Продвинутый Автономная навигация по черной линии

Мы провели демонстрационный эксперимент: создали "ледяное поле" из пластиковых пластин, запустили робота с разной мощностью мотора и измерили время прохождения дистанции и эффективность разрушения (количество сдвинутых плиток)

Критерии оценки:

  • Стабильность движения

  • Способность преодолевать препятствия

  • Энергоэффективность (время работы от батареи)

Пример кода: Движение вперёд → обнаружение препятствия → задний ход → поворот. Цикл повторяется, пока "лёд" не пройден.

Заключение

В ходе работы был разработан и собран робот-ледокол на основе конструктора LEGO WeDo 2.0. Проект позволил изучить принципы работы ледоколов, а также освоить основы программирования и конструирования робототехнических моделей.

С помощью датчиков и моторов LEGO WeDo удалось создать функциональную модель, способную имитировать движение ледокола и разрушение льда.

Программное обеспечение WeDo предоставило возможность запрограммировать модель на выполнение различных действий, что способствовало развитию логического мышления и навыков алгоритмизации. Данный проект подтвердил, что LEGO WeDo 2.0 — это эффективный инструмент для изучения основ робототехники, механики и программирования.

Работа над моделью ледокола не только расширила знания о судостроении и принципах работы ледокольных судов, но и показала важность инженерных решений в реальной жизни. В перспективе модель можно усовершенствовать, добавив дополнительные датчики или элементы автоматизации, чтобы сделать её ещё более реалистичной и функциональной.

Таким образом, проект продемонстрировал, что использование образовательных конструкторов, таких как LEGO WeDo, способствует развитию технического творчества, инженерного мышления и интереса к науке и технологиям.

Этот проект идеально подходит для уроков технологии или STEM-кружков, сочетая инженерию, программирование и изучение климатических проблем.

Дополнительно: Можно устроить соревнование - чей ледокол быстрее пройдет "Северный морской путь" из кубиков льда!

Список литературы и интернет источники

Книги и учебные пособия:

  • LEGO Education. WeDo 2.0. Руководство пользователя. – LEGO Group, 2016.

  • Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2018. – 320 с.

  • Гагарина Д.А., Кудрявцев Е.М. Основы робототехники на базе конструктора LEGO WeDo. – М.: Форум, 2019. – 144 с.

Официальные ресурсы LEGO и образовательные материалы

  • Официальный сайт LEGO Education: https://education.lego.com

  • Инструкции и проекты WeDo 2.0: https://education.lego.com/ru-ru/product/wedo-2

  • Библиотека проектов LEGO Education: https://le-www-live-s.legocdn.com/sc/media/files/guides/wedo-2/wedo-20-building-instructions-9c0d6149a5c14d8a8d8b17fd5a3e3a6e.pdf

Статьи и научные публикации

  • Петрова И.В. Использование LEGO WeDo 2.0 в проектной деятельности школьников // Современные педагогические технологии. – 2021. – № 4. – С. 45-52. Иванов А.К. Робототехника в начальной школе: от простых моделей к сложным проектам // Информатика в школе. – 2020. – № 5. – С. 12-18.

Интернет-источники о ледоколах

  • Принцип работы ледоколов: https://www.popmech.ru/technologies/

  • История ледокольного флота России: https://www.rosatom.ru/

Приложение

Ледокол Ленин

Ледокол Арктика

Наша работа

Просмотров работы: 9