VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Решение инженерной задачи путем 3-D моделирования
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проекта
Актуальность нашего проекта обосновывается следующим. В этом учебном году в рамках «Школы «Росатома» проводился конкурс инженерного творчества «По следам Жюля Верна» для детей городов присутствия Государственной корпорации «Росатом». Наш город входит в число этих городов. От нашей школы были представлены для участия в конкурсе две команды. Перед нами поставили инженерную задачу, которую мы должны решить для победы в этом конкурсе. Нам очень хотелось стать победителями. Кроме того, всегда перед созданием какого-либо устройства, инженеры стремятся сделать его модель и посмотреть, как модель будет вести себя в реальных условиях. При расчете устройства, можно, не учесть всех факторов, влияющих на его работу. 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 устройства для перемещения груза - пяти гаек М-5 с одного острова на другой, находящегося на расстоянии 1 м друг от друга.
Задачи, которые стояли перед нами были следующие:
Поиск физического обоснования принципа работы модели для перемещения груза;
Разработка конструкции модели на чертежах ;
Сборка прототипа модели, апробация в действии, и её конструктивная доработка;
Создание компьютерных прототипов модели;
Печатание 3D-модели на 3D-принтере и демонстрация её действия на конкурсе.
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 энергии. Возможно использование скрепок, трубочки для коктейля, воздушного шарика, канцелярских резинок и детали, напечатанные на 3D-принтере.
Объект проекта: Процесс моделирования устройства при решении инженерной задачи.
Предметы проекта: 3D-моделирование лодки
Продукт проекта: 3D-модель лодки для перемещения груза.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Модель, движущаяся по закону сохранения импульса
Так как по условию поставленной перед нами задачи между островами находится вода, то мы решили моделировать кораблик. Перед нами возник вопрос: «Как же можно заставить двигаться модель кораблика? Внимательно проанализировав состав набора мелких предметов, которые можно использовать, мы сразу вспомнили закон сохранения импульса. В замкнутой системе векторная сумма импульсов тел до взаимодействия равна векторной сумме импульсов тел после взаимодействия.
Так как шарик и воздух в нём в начале запуска будут находиться в покое, то после запуска, воздух, вырываясь, будет передавать импульс оболочке шарика, и та начнет двигаться в противоположном направлении. Мы решили попробовать заставить двигаться полиэтиленовый пакет с гайками, прицепленный скрепками к трубочке для коктейля. Трубочка должна быть вставлена в шарик и закреплена с помощью канцелярской резинки. Вся эта конструкция должна двигаться по поверхности воды. Но так как гайки были самым тяжелым элементом конструкции, то они тянули трубочку вниз, и изменяли направление движения конструкции. (Рис.1)
Рис.1.
Тогда мы решили задать направление движения шарика с помощью шпагата, перекинутого с одного острова на другой. Но как это сделать? К тому же необходима деталь, напечатанная на 3D принтере. Мы решили, что это будет желоб, по которому будет скатываться пуля. (Рис.2)
(Рис.2)
Рассчитать скорость пули, к которой прикреплен канат можно, используя закон сохранения энергии. Если не учитывать работу против силы трения, то потенциальная энергия пули переходит в её кинетическую энергию.
Отсюда скорость пули находится по формуле: Дальность полета пули должна быть равна 1 м. Определяется дальность полета формулой:
, следовательно
А так как ,что задано условиями конкурса, так как высота деталей не должна быть больше 30см, то . Решая это квадратное уравнение, получаем отрицательный дискриминант. Это говорит о том, что при заданных параметрах установки перелет пули с острова на остров невозможен.
Модель, использующая для движения потенциальную энергию канцелярской резинки
Отказавшись от первоначальной идеи, мы решили использовать потенциальную энергию не силы тяжести, а силы упругости канцелярской резинки. Для этого её необходимо закрутить вокруг колеса. Если отпустить резинку, то она, раскручиваясь, будет вращать и лопасти водяного колеса, что заставит конструкцию двигаться. Но форма конструкции должна быть обтекаемой, для того, чтобы сила сопротивления движению была мала, и энергии деформированной пружины хватило кораблику для преодоления расстояния 1м между островами. Таким образом, мы пришли к выводу о необходимости обтекаемой формы - формы лодки. Не обнаружив в нашей второй идее явных дефектов конструкции, мы решили вырезать модель из пенопласта и попробовать её запустить в воде. Водяное колесо мы решили сделать с четырьмя лопастями. Такое легче сконструировать из параллелограммов. (Рис.3)
(Рис.3.)
Модель лодки мы запускали дома в ванне с водой. Конструкция с легкостью преодолела длину ванны. (Рис.4)
(Рис.4.)
Но возник вопрос, а не утонет ли лодка, напечатанная на 3D принтере. Пластик принтера имеет большую плотность, чем пенопласт. В интернете мы нашли плотность пластика 3D-принтера. Она равна 1,05 г/см3.
А плотность воды 1 г\см3. Плотность пластика больше, значит, лодка наша может утонуть, потому что, её ещё надо нагрузить гайками. Мы решили проверить предположение расчетами. На лодку действует вверх выталкивающая сила, а вниз сила тяжести лодки и вес гаек. Массу гаек мы измерили на весах. (Приложение 1) Масса одной гайки 4 г. Пяти гаек – 20г. По условию плавания тел имеем, что сила Архимеда равна сумме веса гаек и силы тяжести лодки.
Выразим из уравнения высоту погруженной части лодки
Из уравнения видно, что при любой высоте борта лодки, глубина погружения её будет больше высоты борта, значит, лодка из пластика будет тонуть. Чтобы этого не происходило, мы решили вырезать выемку в лодке. В этом случае средняя плотность лодки будет меньше, чем воды, так как часть лодки будет заполнена воздухом. В результате лодка не должна тонуть.
Взяв за основу работы вторую идею, мы приступили к её осуществлению. Сначала мы сделали чертежи лодки, отражающие конструктивное решение её создания. (Приложение 2). Детали модели мы создавали в программе «Компас». Как происходила работа, показано на скриншотах этапов создаваемой модели лодки. (Приложение 3). (Рис. 5)
Рис.5.
В ходе создания модели лодки мы решили увеличить число лопастей колеса, которое приводится во вращение раскручивающейся канцелярской резинкой. В результате печатания модели на 3-D принтере у нас получилась следующая конструкция, которая движется за счет энергии деформированный резины. (Рис.6)
(Рис.6)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы
В результате работы над проектом мы пришли к следующим выводам:
Не зря существует пословица: «Ум – хорошо, а два – лучше!». Работать в команде лучше! В ходе обсуждений рождается верное решение проблемы.
Необходимо во время работы правильно выстраивать общение с членами команды. В нашей команде во время работы над моделью была деловая доброжелательная обстановка.
Для участия в инженерном конкурсе необходимо иметь базовое знание физики и иметь навыки работы с простейшими измерительными приборами.
Необходимо знать основы черчения для создания чертежей конструкции.
Необходимо иметь навыки работы с компьютером и знать программы «Компас» и «Блендер»
Результаты
Мы удачно выступили на конкурсе. Наша модель проплыла с острова на остров расстояние в 1м и перевезла гайки, которые мы закрепили проволокой. Наша команда «Новаторы» заняла первое место в городе Димитровграде.
Продуктом нашего проекта является созданная модель лодки. (Рис.7.)
(Рис.7.)
ЛИТЕРАТУРА
Быстрое создание деталей в программе 3-D https://www.youtube.com/watch?v=alCF23F3Kps
Как научиться чертить в Компасе https://www.kakprosto.ru/kak-95638-kak-nauchitsya-chertit-v-kompase
Справочник проектировщика. Самоучитель Компас http://seniga.ru/uchmat/55-kompas.html
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.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Измерение массы гаек на весах
Приложение 2
Эскиз лодки
Приложение 3
Чертеж корпуса лодки
Приложение 4
Чертеж колеса лодки
Приложение 5
Скриншоты этапов построения модели лодки
Приложение 6
Фото команды «Новаторы» работающей над созданием модели лодки