VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Пневматический робот-поисковик электромагнитной «мины»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Токарев  П.Д. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя школа №12»

Коренкова  А.А. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя школа №12»

Работа в формате PDF

880.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение: цель, задачи, описание методов исследования

Исследование данной работы лежит в области физики и информатики и посвящено созданию роботизированного пневматического механизма (на основе конструктора LEGO) и изучению эффективности его работы на примере обнаружения электромагнитной «мины».

Актуальность работы

Весь двадцатый век звучали и продолжают звучать взрывы. Взрывы боевых операций и террористических актов, взрывы, которые потрясают весь мир и отзываются болью в конкретной семье.
Проблема разминирования стала чрезвычайно актуальной еще и потому, что земли, напичканные смертельной опасностью во время событий в Чечне, Дагестане и Средней Азии, не могут быть вовлечены в хозяйственный оборот. К тому же множество мин и боеприпасов поджидают свои жертвы еще со времен Великой Отечественной войны. На сегодняшний день на территории только девяти субъектов Российской Федерации требуется разминировать более 5400 квадратных километров земель. Чтобы решить данную проблему российские физики работают над созданием роботизированного комплекса для обнаружения мин, обладающего уникальной эффективностью [1]. В настоящее время в отечественных разработках наибольшее применение нашли следующие методы: электромагнитный, ядерно-физический, тепло локационный и механический [2].

Гипотеза проектирования и исследования: использование роботизированного пневматического механизма облегчит работу человека и создаст условия для гуманитарного разминирования.

Объектом исследования является модель роботизированного пневматического механизма и электромагнитная катушка.

Цель работы: создать робота – поисковика (на основе конструктора LEGO) и изучить эффективность его работы на примере обнаружения электромагнитной «мины».

Пояснение к работе: электромагнитная «мина» будет считаться обнаруженной (для примера взяты три катушки, скрытые от наблюдателя бумажными экранами, одна из катушек подключена к источнику напряжения), когда загорится сигнальная лампа в захвате пневматического манипулятора (Фото 1).

Фото 1

Задачи:

Разработать и сконструировать робота-поисковика электромагнитной «мины» с использованием конструктора Lego Mindstorms 2.0.

Разработать алгоритм действий робота с использованием среды программирования NXT-G.

Исследовать различные причины, влияющие на эффективность обнаружения электромагнитной «мины».

Методы исследования: изучение специальной литературы, поиск информации в интернете, моделирование, эксперимент, анализ и обобщение полученной информации.

Практическая значимость: применение робота-поисковика электромагнитной «мины» позволяет значительно снизить участие человека в тяжелой и опасной работе.

Основная часть. Теоретическая база проектирования и исследования

1. Описание возможности конструкторов. Набор деталей LEGO «Пневматика» из серии «Машины и механизмы» LEGO^® Education позволяют соединить теорию из учебников с фактами и примерами из реальной жизни. В набор входят насос, трубки, пневматические цилиндры, воздушные клапаны, манометр. Недостатки этого механического конструктора: статичность. Адаптивный робот LEGO Mindstorms легко видоизменяем, и настраивается для выполнения других задач, не только тех, которые планировали решать производители конструкторов. Поэтому было решено объединить возможности двух конструкторов для создания управляемой подвижной модели.

2. Описание работы электромагнитной катушки (катушки Тесла). Как работает катушка Тесла? Электроны ориентируются по вектору скорости, они ускоренно движутся от одного конца катушки к другому, происходит обеднение зарядов пространства с одного конца катушки и, как следствие, повышение концентрации электронов на другом конце катушки. Индуктивность катушки зависит от того, насколько сфокусирована магнитная энергия, ускоряющая свободные электроны пространства. На концах катушки, питаемой переменным током, формируется волна давления, называемая электромагнитной волной.

Рис.1. Катушка индуктивности. Рис.2. Передача энергии на лампу.

Никола Тесла создал свою, особенную катушку с бифилярными обмотками, которая не обедняет и не обогащает пространство электронами (при малых размерах катушки вторичная (повышающая) обмотка трансформатора размещена внутри первичной обмотки). Снаружи катушки поля разного направления, а внутри катушки нет напряженности противоположного знака. Это и есть реализация трансформатора Тесла, в котором выходное напряжение превышает расчетное на 60-70%.

Рис.3. Легендарная катушка Тесла.

Два смежных слоя витков - это две последовательно включенные катушки, намотка которых встречная (окрашены в разные цвета). В таком случае каждая из катушек действует на очень тонкий слой пространства (по диаметру провода). Но это действие встречное, то есть, электроны не «вылетают» из внутри катушечного пространства. А ведь это означает колоссальное приращение индуктивности.[3]

Исследовательская часть

Опыт № 1

«Исследование зависимости магнитной индукции от расстояния до электромагнитной «мины»

Ход работы

На листе бумаги сделать разметку через 1 см.

Подключить «мину» (катушку) к источнику напряжения 9 В.

Разместить «мину» (катушку) на размеченном поле, меняя расстояние.

Измерить магнитную индукцию и проанализировать полученные данные.

Фото 2. Исследование зависимости магнитной индукции от расстояния до электромагнитной «мины»

Таблица 1.

Диаграмма 1.

Вывод: проведя измерения величины магнитной индукции, выяснили, что эта величина уменьшается с увеличением расстояния до источника электромагнитного поля («мины»).

Опыт № 2

«Исследование зависимости магнитной индукции от напряжения на электромагнитной «мине»

Ход работы

Подключить «мину» (катушку) к источнику напряжения 9 В.

Измерить магнитную индукцию, помещая «мину» (катушку) на размеченном поле, меняя расстояние.

Подключить «мину» (катушку) к источнику напряжения 12В и повторить измерения.

Проанализировать полученные данные.

Фото 3. Источник напряжения 9В Фото 4. Источник напряжения 12В

Таблица 2.

Диаграмма 2.

Вывод: проведя измерения величины магнитной индукции, выяснили, что эта величина изменяется в зависимости от напряжения на катушке: с увеличением напряжения величина магнитной индукции увеличивается.

Опыт № 3

«Исследование зависимости магнитной индукции от материала контейнера для электромагнитной «мины»

Ход работы

Подключить «мину» (катушку) к источнику напряжения 9 В.

Измерить магнитную индукцию, помещая между «миной» (катушкой) и датчиком магнитной индукции преграду из разных материалов: дерево, алюминий, железо.

Проанализировать полученные данные.

Фото 5. Исследование зависимости магнитной индукции от материала контейнера для электромагнитной «мины»

Таблица 3.

Диаграмма 3.

Вывод: помещая преграду между «миной» (катушкой) и датчиком магнитной индукции из разных материалов, выяснили, что укрывающей средой может быть дерево, а легче всего обнаружить электромагнитную «мину» в алюминиевой оболочке.

Заключение

Результатом данной работы было создание роботизированного поисковика электромагнитной «мины» и исследование условий для ее обнаружения.

В результате работы было выяснено, что:

- при обнаружении «мины» главная проблема состоит в распознавании полезного сигнала (от «мины») на фоне многочисленных помех от неоднородностей окружающей среды и различных включений;

- в идеале желательно обнаруживать отдельную «мину» на безопасном удалении от «сапера»; 

- демаскирующие признаки «мины» имеют место практически всегда (одним из них является наличие локально расположенной массы металла);

- укрывающей средой для «мины» может быть дерево.

Фото 6. Пневматический роботизированный поисковик электромагнитной «мины»

Практическая значимость проведенного исследования состоит в том, что материал можно использовать на уроках физики, факультативных занятиях, внеклассных мероприятиях. Работа внесла понимание в процесс поиска мин, что важно для людей, как осуществляющих их поиск, так и для тех, кто проживает на территории, содержащих эти мины.

Интернет-ресурсы

https://www.nkj.ru/archive/articles/4338/ (Наука и жизнь, Мины живут дольше людей)

http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=619&lvl=02.01.02.

http://realphis.narod.ru/tesla.html