VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Конструирование модели лодки
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проекта
Чтобы решить инженерную задачу по созданию какого-либо устройства, инженеры стремятся сделать модель устройства и посмотреть, как модель будет вести себя в реальных условиях. В теоретических расчетах устройства, можно, не учесть всех факторов, влияющих на его работу или допустить ошибки. Сразу по чертежам выполнять создание устройства нецелесообразно, так как допущенные ошибки приведут к созданию неработающего устройства. Кроме того, будут потрачены деньги, и средства впустую. Поэтому перед созданием устройства принято создавать его модель. Созданная модель покажет недочеты проекта и поможет их исправить, потому что и для модели, и для самого устройства действуют в реальности одни и те же законы физики.
Постановка цели и задач
Цель работы: Разработка 3D-модели лодки для перемещения по воде груза ( пяти гаек М-5) на расстояние 1 м.
Задачи, которые стояли перед нами были следующие:
Поиск физического обоснования работы модели лодки для перемещения груза;
Разработка конструкции модели на чертежах ;
Создание компьютерных прототипов модели;
Печатание 3D-модели на 3D-принтере и демонстрация её действия.
Проблема заключалась в следующем: Создать 3D-модель лодки, которая может переместить груз - пять гаек М-5 на расстоянии 1 м. При этом лодка должна двигаться без источников электрической энергии. Возможно использование скрепок, трубочки для коктейля, воздушного шарика, канцелярских резинок и детали, напечатанные на 3D-принтере.
Объект проекта: Моделирование устройства при решении инженерной задачи. Предметы проекта: 3D-моделирование лодки Продукт проекта: 3D-модель лодки для перемещения груза.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Модель с лыжами
М ы сразу же решили, что в качестве двигателя мы будем использовать наполненный воздухом шар! Так как шар с воздухом – это маленький реактивный двигатель! Воздух вырывается из шарика назад, а сам шар движется вперед по закону сохранения импульса. Первоначальный импульс системы воздух-шар был равен нулю. Проекция импульса воздуха отрицательна, так как воздух движется против оси Х, а проекция импульса шара положительна, чтобы в сумме был ноль. Значит, шар будет двигаться вперед.
Но куда положить гайки? С шарика они соскользнут! И первая идея – закрепить шар на двух лыжах! (Рис.1) Тогда гайки можно разложить по лыжам: на одной - две, на второй – три!
(Рис.1.)
Но три гайки тяжелее, чем две и одна из лыж будет погружена сильнее в воду, конструкция будет наклонена, и гайки могут соскользнуть в воду! Решение возникшей проблемы возникло быстро. Надо использовать в качестве конструкции не лыжи, а небольшую лодочку.
Модель- лодка
Если использовать лодку, то шар может располагаться над ней. Тогда один из концов трубочки для коктейля можно протолкнуть через отверстие в дне лодки, а другой конец закрепить с помощью канцелярской резинки с шариком. Воздух будет выходить через трубочку в одну сторону, а лодка начнет двигаться в другую. Гайки расположим на палубе лодки. (Рис.2)
(Рис.2.)
Но в такой конструкции сразу, возникла проблема герметизации лодки. В отверстие, в которое вставлена трубочка для коктейля, может поступать вода, так как трубочка неплотно прилегает к краям отверстия. Лодка заполнится водой и может потонуть. Вызывало сомнение и правильность вертикального расположения воздушного шарика. Поэтому мы решили поставить эксперимент по заплыву конструкции. В качестве лодки мы использовали детскую игрушку. Отверстие в игрушке мы делать не стали, а трубочку для коктейля закрепили на дне лодки с помощью скотча. (Рис.3) При таком креплении сопла двигателя сам шарик стал располагаться впереди лодки. Не смотря на это, конструкция успешно двигалась! (Приложение 1)
(Рис.3.)
В этот счастливый момент пришла в голову замечательная идея. Сделать точное отверстие в лодке, разработав его на 3D модели в электронном виде, а потом напечатать модель на принтере сразу с отверстием. Для того, чтобы лодка не откланялась от прямолинейного движения, мы решили добавить киль. Перед созданием электронной модели мы сделали эскиз (Приложение 2) и чертежи (Приложение 3), по которым создавалась модель лодки. В программе «Блендер» мы сделали 3D-модели прототипа. (Приложение 4) В приложении 4 показаны этапы построения модели лодки в электронном виде. Осталось понять, будет ли плавать наша лодка с грузом? Для решения этого вопроса мы сделали расчеты. По условию плавания тел, тело плавает тогда, когда сила Архимеда уравновешивается суммой сил тяжести лодки и веса груза.
где xV- объем погруженной в воду части лодки, а V- объем всей лодки. Выразим из уравнения х - величину, показывающую, какая часть лодки погружена в воду.
Из формулы видно, что плотность лодки должна быть меньше плотности воды. А так как принтер может печатать с различной плотностью, то при печатании необходимо выбирать наименьшую плотность и сделать полость внутри лодки, чтобы масса лодки была меньше, притом же объёме. Это даст эффект меньшей плотности. В результате печатания модели на 3-D принтере у нас получилась следующая конструкция (Рис.4), которая получает импульс для движения вперед, так как импульс воздуха, вырывающегося из шарика, направлен назад. (Приложение5)
(Рис.4)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы
В результате работы над проектом наша команда (Приложение 6) пришла к следующим выводам:
Для создания моделей необходимы знания физики, математики и навыки работы с простейшими измерительными приборами.
Необходимо знать основы черчения для создания чертежей конструкции.
Необходимо иметь навыки работы с компьютером и знать программу для моделирования, например «Блендер».
Иметь настойчивость, не отступать в достижении поставленной цели.
Результаты
В результате проделанной работы получены следующие результаты:
Сделаны чертежи в бумажном виде.
Разработаны скриншоты этапов построения модели сами 3D-модели.
Напечатана модель на 3D-принтере для выполнения конкурсного задания;
Опробована модель в работе и продемонстрирована одноклассникам.
ЛИТЕРАТУРА
Касьянов В.А. Физика 10 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2018 год.
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений, Москва, «Просвещение», 2011 год
Программа Blender с нуля или как за неделю научиться моделировать под 3D печать. http://3dtoday.ru/blogs/saamec/the-program-blender-from-scratch-or-as-a-week-to-learn-how-to-model-un/
Уроки Blender 3D для начинающих.https://4creates.com/training/104-uroki-blender-3d-rus.html
«3D Blender» Уроки. http://www.3d-blender.ru/search/label/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%B8
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Проверка модели
Приложение 2
Эскиз модели лодки
Приложение 3
Чертеж лодки
Приложение 4
Скриншоты этапов построения модели лодки
Приложение 5
Фотографии 3-D модели лодки
Приложение 6
Фото команды, работающей над созданием модели лодки