"Путешествие капельки воды от истока к океану" - демонстрация проекта на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Руснак А.С. 1Ермошкин И.В. 1Тарамова А.Х. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Вода – это не просто основной источник жизни на Земле, это и есть сама жизнь. [5] Эта универсальная жидкость является обязательной составляющей всех существ на планете, включая самого человека. Общеизвестным фактом является то, что вода может существовать в трех агрегатных состояниях: жидком (дождь, роса, водопроводная вода), твердом (лед) и газообразном (так называемый водяной пар). Естественно, самым распространенным состоянием является текучее, жидкое. Именно в таком состоянии вода покрывает 70% поверхности Земли. Вода непрерывно течет, меняется как по составу, так и по свойствам, но всегда возвращается к своему истоку, и вновь её путь начинается сначала.

Цели проектной работы:

- Сформировать понятие о круговороте воды в природе, о бесконечном течении воды (перетекание из одного водоема в другое, возвращение к истокам);

- Продемонстрировать процесс течения воды от истока к океану с помощью конструктора Lego.

- Привить основы экологических знаний, интерес к окружающему миру.

Задачи проектной работы:

1. Изучить теорию о круговороте воды в природе.

2. Изучить информацию об истоках, родниках, о движении воды в реках по направлении к озерам и морям, об особенностях состава воды и её течениях в морях и далее в океанах.

3. Сконструировать механизм из конструктора Лего для наглядной демонстрации движения капельки воды в природе от истока к океану.

4. Объединить теоретическую и практическую часть для итоговой презентации.

Гипотеза: Если с помощью конструктора Лего можно показать передачу движения от одного механизма к другому, то с его помощью можно также продемонстрировать путешествие капельки воды от истока к океану.

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: Инфоурок (www.infourok.ru), Википедия (https://ru.wikipedia.org). При конструировании робота нам помогли книги о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1, 2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по соревновательной робототехнике [3, 4].

Глава 1. Вода-главный источник жизни на Земле

Вода – это не просто обычная жидкость. Это одно из главных богатств на Земле. [6] Она входит в состав любого живого организма, который постоянно расходует воду и нуждается в её пополнении. Вода не просто переходит из одного природного компонента в другой. Как и кровь, она переносит с собой огромное количество химических веществ, транспортируя их из почвы в растения, с суши в озера и океаны, из атмосферы на землю. Все растения могут потреблять питательные вещества, содержащие в почве, только с водой, где они находятся в растворенном состоянии. Если бы не приток воды из почвы в растения, все травы, даже растущие на самых богатых почвах, погибли бы от голода. Воду пьют поля и леса. Без неё не могут жить ни звери, ни птицы, ни люди. Вода используется везде: в сельском хозяйстве, в промышленности, в быту. Земля давно бы превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Вода наиболее ценный для человека продукт, наш организм на 60-70% состоит из воды. Сколько воды на Земле? Много или мало? Землю иногда называют «Голубой планетой». Оказывается, вода покрывает 70% поверхности Земли. Ученые подсчитали, что 97% всех запасов воды на планете Земля приходится на соленые воды морей и океанов. И только 3% водных запасов – пресная вода. А это очень мало.

А что если бы не было воды? Об этом даже подумать страшно. Не было бы дождя, снега, высохли бы реки, моря, озёра, сгорели бы травы и деревья. Значит, не было бы рыб, птиц, животных и человека. Не было бы жизни на Земле.

1.1 Где вода рождается?.

Большая часть воды находится не в открытых водоемах, а в земной коре. Недра Земли подобно губке пропитаны водой. Откуда же берется подземная вода? Она образуется за счет атмосферных осадков – дождя или снега, и также из-за конденсации водяного пара и паров, поднимающихся из глубоких слоев Земли.

Подземные воды есть везде: в горах и на равнинах; в пустынях и на болотах; и даже под озёрами и морями. Запасы этой воды огромны - целый скрытый от глаз людей океан. Обычно подземные воды залегает слоями на разной глубине, отчего подразделяются на несколько видов: грунтовые; межпластовые; артезианские; минеральные

Первый слой называют грунтовыми водами. Прежде всего они служат источником питания рек, озер, болот. Выходы подземных вод на поверхность земли образуют источники, родники или ключи (Приложение, рисунок 1). Ниже грунтовых вод располагаются межпластовые воды, которые часто залегают на большой глубине от десятков до сотен метров. Это своеобразные сосуды, окруженные твердой породой, в которых вода находится под высоким давлением. Они часто используются людьми для колодцев.

Большинство рек начинается родниками, источниками, т. е. выходами подземной воды. Грунтовые и глубинные воды накапливаются десятилетиями и даже веками, поэтому неразумный расход может привести к их истощению.

1.2 Река - движение воды вперед

Река – это большой природный поток воды, который постоянно течет по разработанному им углублению – руслу (Приложение, рисунок 2). Реки бывают двух видов: естественные и искусственные. Искусственные - это те, русла которых были вырыты, и вода в них подводится для благоустройства города или для земледелия. Естественные реки - это те великие воды, которые образованы тающим снегом, или же родниками, происходящими с гор или с поверхности земли.

Питание реки может быть дождевое или ледниковое или подземное. Ледниковое питание происходит, когда ледники, которые находятся высоко в горах, постепенно тают и сползают вниз, наполняя реки водой. Подземное питание происходит, когда родники, бьющие из под земли дают начало маленьким ручейкам, а те сливаются в одно целое и образуют реку.

Реки бывают самые разные: тихие и спокойные, быстрые и шумные. Все зависит от того, где протекает река. Если река протекает в горах, где большой перепад высот, то она будет бурной. Если речка течет по равнине, где местность более-менее ровная, то и течение будет медленным, спокойным. Можно сказать, реки бывают: горные и равнинные, большие и маленькие, мелкие и полноводные, бывают также пересыхающие и подземные реки. Одни реки впадают в море, другие – в озеро, некоторые реки впадают в другие реки, и в таком случае они называются притоками. Место, где река впадает в море, называется устьем.

Интересные факты о реках:

- Самая большая река в мире – Амазонка в Южной Америке. Ее длина около 7 тыс. км.

- Самые большие реки в России – Лена, Обь, Енисей, Волга – длиной от 3,5 до 4,5 тыс.км.

1.3Озера и моря. Первая пристань воды – путешественницы

Озеро - это замкнутый водоем, который образовался на поверхности суши в природном углублении. [8] От реки оно отличается тем, что вода в нем не течет, как поток в русле.

По происхождению озера делятся на два основных типа: природные и искусственные. Искусственные озера создаются людьми. Обычно это водохранилища, сооруженные в долинах рек. Природные озера, в свою очередь, имеют разное происхождение: тектонические (образуются в результате разломов в земной коре), ледниковые (сформировались на территориях, подвергшихся материковому оледенению), вулканические (появились в кратерах потухших вулканов), озера - старицы (возникают в поймах рек, когда те меняют свое направление).

Самое глубокое озеро нашей планеты – Байкал (Приложение, рисунок 3). Его глубина составляет 1620м. Озеро Байкал содержит 1/10 запасов пресной воды Земли, которые составляют всего 10% общего планетарного запаса воды.

Сколько морей на Земле? Точного ответа вам никто не скажет. Некоторые ученые считают, что на нашей планете более 90 морей. Море – это большое пространство, которое наполнено соленой водой и ограничено с одной или нескольких сторон сушей, а также отделено от океана подводным рельефом или островами (Приложение, рисунок 4). Существует несколько классификаций, объединяющих моря по определенным признакам:

1. По океанам (список морей по океанам)

• Моря Тихого океана

• Моря Атлантического океана

• Моря Индийского океана

• Моря Северного Ледовитого океана

• Моря Южного океана

2. По степени обособленности

• Внутренние – не имеют выхода к океану, либо соединены с ними через проливы.

• Окраинные – располагаются около берега часть океана, имеют свободный выход к нему. Друг от друга отделяются островами или подводными возвышенностями.

• Межостровные – море является частью океана и оно ограничено островами.

• Межконтинентальные – моря, лежащие на стыке континентов

3. По солености вод: слабосоленые и сильносоленые

Как же отличить моря от озера? Море от озера отличается:

1) Размером. Море всегда больше.

2) Степенью солености вод. В море вода всегда с примесью соли, в то время, как в озерах может быть пресная, солоноватая и соленая.

3) Географическим положением. Озера всегда располагаются внутри континентов и со всех сторон окружены сушей. Моря же чаще всего имеют связь с океаном.

1.4Океан: финал большого путешествия воды

Наша Земля из космоса кажется голубой планетой. Это потому, что большую часть поверхности земного шара занимает Мировой Океан. Он един, хотя и сильно разделен. [9]

В настоящее время принято выделять пять океанов:

• Тихий океан — крупнейший и древнейший на нашей планете. Он занимает 1/3 часть Земли и составляет почти половину Мирового океана. Свое название "Тихий" океан получил, когда известный мореплаватель Ф. Магеллан смог очень спокойно пересечь этот океан. Тихий океан — самый богатый по количеству видов животных и растений. Здесь добывается почти половина улова рыбы во всем мире. Через этот океан проложены важнейшие морские пути, связывающие сразу 4 материка.

• Атлантический океан (Приложение, рисунок 5). Подобно огромному проливу, он соединяет два полюса нашей планеты. По центру океана проходит Срединно-Атлантический хребет, славящийся неустойчивостью земной коры. Отдельные вершины этого хребта поднимаются над водой и образуют острова, крупнейшим из которых является Исландия. Северный тропический пояс Атлантики славится своими ураганами. Здесь встречаются два крупнейших течения — теплый Гольфстрим и холодное Лабрадорское. Северные широты Атлантики – самый живописный район с огромными айсбергами и мощными ледяными языками, выступающими из вод. Этот район океана опасен для судоходства.

• Индийский океан— район древнейших цивилизаций. Мореплавание здесь стало развиваться гораздо раньше, чем в других океанах. Средняя глубина океана – 3700 метров. Воды Индийского океана более соленые, чем в других, так как в него впадает гораздо меньше рек. Зато, благодаря этому, они славятся удивительной прозрачностью и насыщенным лазурным и синим цветом.

• Северный Ледовитый океан расположен в Арктике и занимает обширные пространства вокруг северного полюса. Максимальная глубина — 5527м. Центральная часть дна — это сплошное пересечение горных хребтов, между которыми расположена огромная котловина. Северный Ледовитый занимает второе место после такого гиганта, как Тихий океан. Самая характерная часть этого океана — наличие льдов. Северный Ледовитый океан остается на сегодняшний день самым малоизученным, так как исследованиям мешает то, что большая часть океана скрыта под ледяным покровом.

• Южный океан. Воды, омывающие Антарктиду, сочетают в себе признаки, позволяющие выделить их в отдельный океан. Но до сих пор ведутся споры, что считать границами. Если с юга границы обозначены материком, то северные границы чаще всего проводят по 40-50º южной широты. В таких пределах площадь океана — 86 млн. кв. км. Рельеф дна изрезан подводными каньонами, хребтами и котловинами. Фауна Южного океана богата, здесь самое большое количество животных и растений-эндемиков.

Главное отличие моря от океана — в размерах. Океаны значительно больше, а моря зачастую являются лишь частью океанов. Моря также отличаются от океана, к бассейну которого они принадлежат, уникальным гидрологическим режимом (температурой воды, соленостью, прозрачностью, отличительным составов флоры и фауны).

1.5Испарение капельки. Возвращение к истокам

Под действием солнечного тепла воды с поверхности океана испаряется и поступает в атмосферу (Приложение, рисунок 6). В атмосфере водяной пар охлаждается и превращается в капельки воды (конденсируется). [5] Капельки воды и кристаллики льда образует облака. Если из облаков сразу выпадает дождь, то в океан сразу возвращается некоторая часть воды. Благодаря ветрам облака оказываются над сушей, и из них выпадают осадки в виде дождя или снега. Попав на почву в виде дождя или снега, вода уходит в подземные воды, в моря, океаны, реки, озера, и другие водоемы, и все начинается снова и снова: с поверхности океана вода вновь испаряется ,и круг океан-атмосфера-суша-океан замыкается.

Начальное звено Мирового круговорота воды - океан. Поскольку с его поверхности испаряется вода, а растворенные в ней вещества остаются, в атмосферу из соленого океана поступает пресная вода.

Глава 2. Проект «Путешествие капельки воды от истока к океану»

2.1 Задачи проекта.

Изучая информацию о водоемах нашей планеты, мы заметили, что вода всегда в движении, она непрерывно течет, меняется как по составу, так и по свойствам, но всегда возвращается к своему истоку, и вновь её путь начинается сначала, и решили продемонстрировать такое движение с помощью конструктора Lego. Любимый конструктор – это не просто строительные яркие кирпичики, в наших наборах есть механизмы: шестерни, оси, кулачки, гусеницы, которые смогут осуществить нашу идею.

Перед началом конструирования, мы определили следующие задачи:

Выделить основные этапы пути для капельки воды:

1) горная возвышенность с истоком;

2) река;

3) море;

4) океан и испарение капельки в океане от лучика солнца.

Расположить все этапы пути близко друг к другу, использовать простые и сложные механизмы, моторы и датчики, чтобы капелька воды из конструктора Лего самостоятельно, без помощи рук, смогла переместиться от истока к океану и взлететь в воздух (испариться);

Учитывать силу тяжести при направлении капельки по своему пути и каждый этап устанавливать немного ниже предыдущего: самый высокий этап – горная возвышенность, самый низкий этап – океан;

Размер нашего демонстрационного проекта ограничить размерами квадратной Лего пластины (длина стороны = 25,5 см). Это необходимо с целью экономии деталей и удобства транспортировки;

Использовать только конструктор Lego;

Оформить проект соответственно реальному цвету каждого этапа: гора – серая с зелеными растениями, река с желтыми берегами, море синее, океан сине-голубой, солнце и лучик – желтые.

Максимально скрыть, замаскировать все составные части робота: моторы и датчики;

Составить программу в среде LegoMindstormsEV3, таким образом, чтобы капелька проделала один путь от истока к океану и испарилась.

2.2 Эскиз проекта. Обозначение основных этапов путешествия капельки воды: исток, река, море, океан.

Ограничение проекта размерами пластины нам дало возможность сконструировать модель с помощью меньшего количества кубиков Лего, однако расположить все этапы так близко оказалось достаточно сложно. Мы разработали эскиз, на котором примерно поделили пластину на 4 части (Приложение, рисунок 7):

- верхний левый угол для горной возвышенности;

- верхний правый угол для реки;

- нижний правый угол для моря;

- нижний правый угол для океана;

Между океаном и горой мы запланировали установить дополнительную конструкцию для установки солнца, механизм освобождения лучика встроить в гору.

2.3 Главные механизмы и составные части проекта на базе конструктора LegoMindstormsEV3.

В нашем проекте мы использовали два больших мотора, один средний мотор и ультразвуковой датчик.

Главные механизмы и составные части этапов проекта:

Этап 1: Горная возвышенность. Исток

Исток – это постоянно пульсирующий небольшой фонтан воды, из которого капельки выбрасываются вверх и продолжают свой путь по природному руслу под силой земного притяжения. Для отображения движения капельки в истоке мы выбрали кулачковый механизм потому, что вращающийся кулачек приводит в движение толкатель именно в направлении вверх-вниз. Движение кулачкового механизма активирует первый большой мотор. Таким образом, толкатель выталкивает капельку с вершины горы и она под силой тяжести падает вниз. Падение капельки мы направили в реку по пологому склону, который ограничили с краю дополнительными деталями, чтобы капельки не вылетали. Механизмы этапа 1 представлены на рисунке 8 Приложения.

Этап 2: Река

Направленное движение реки мы повторили с помощью гусеничного механизма. Это движение запускается от большого мотора. Для облегчения работы большого мотора (увеличения тяги) и уменьшения скорости течения реки мы установили понижающую зубчатую передачу с передаточным отношением 1/5. [2] Механизмы этапа 2 представлены на рисунке 9 Приложения.

Этап 3: Море

Море – это первая пристань воды, но это не означает, что ее движение останавливается. В этом водоеме есть течения. Они могут менять направления, интенсивность, но они всегда направляют воды к океану.

Морское течение мы повторили с помощью длинной зубчатой передачи, состоящей из 7 больших шестерней. Запуск этой передачи осуществляется от того же второго большого мотора, что и запуск гусеничного механизма. Передача движения от второго большого мотора к морскому течению мы осуществили с помощью коронной шестерни под углом в 90°. Механизмы этапа 3 представлены на рисунке 10 Приложения.

Этап 4: Океан и испарение капельки в океане от лучика солнца

Океан – это конечна точка путешествия капельки воды. С поверхности океана капелька должна испариться – это значит взлететь в воздух, преодолев земное притяжение. Для этого мы сконструировали катапульту – рычаг, на одной стороне которого мы сделали чашу, в которую из моря скатывается капелька воды, на другую сторону рычага падает тяжелый лучик солнца. По правилу рычага 1 рода [1], при таком ударе чаша устремляется вверх и направляет в воздух капельку воды.

Испарение капельки с поверхности океана должно произойти только после прохождения всего пути: исток, река, море, океан. Для обнаружения капельки в океане мы установили ультразвуковой датчик. При отсутствии капельки датчик показывает значения от 3,9 до 4,1 см. При наличии капельки его значения меняются в пределах 2 см.

До момента падения, лучик солнца удерживается на лебедке с помощью храпового механизма [7]: рычаг + червячная передача. Этот механизм мы аккуратно установили внутри горы и замаскировали зелеными деталями. Червячная передача приводится в движение с помощью среднего мотора. Механизмы этапа 4 представлены на рисунке 11 Приложения.

2.4 Реализация задач проекта с помощью программы LegoMindstormsEV3.

Для запуска нашего проекта мы создали программу в средеLegoMindstormsEV3. Наша программа состоит из трех подпрограмм: для каждого мотора своя подпрограмма (Приложение, рисунок 12). Все подпрограммы запускаются одновременно. [3]

Первая подпрограмма запускает первый большой мотор (порт А), который активирует кулачковый механизм, являющийся истоком в горной возвышенности. Исток в природе всегда пульсирует и его интенсивность зависит от объема и скорости подземных вод: если погода дождливая, то подземные воды быстрее обновляются и их поток сильнее, значит, исток пульсирует более активно, если погода засушливая и нет дождей, то подземные воды слабые и исток как будто замирает. Мы запрограммировали такую пульсацию истока в первой подпрограмме: задается сначала постепенное увеличение мощности от 0 до 100 (шаг 10), затем такое же постепенное уменьшение мощности от 100 до 0 (шаг 10) с помощью двух последовательных циклов: цикл №1 и цикл №2 соответственно. Повторы любого цикла имеют свой порядковый номер, начиная с нуля: 0, 1, 2, 3, 4 и т. д. [4] Поэтому, чтобы прописать в программе пошаговое увеличение или уменьшение мощности на 10, мы использовали нумерацию повторов цикла в следующих формулах:

в цикле №1: мощность мотора = a×b,

где а – это порядковый номер повтора цикла №1, b – множитель, равный 10 (шаг увеличения мощности);

в цикле №2: мощность мотора = a-(b×c),

где а=100 (максимальная мощность мотора), b – это порядковый номер повтора цикла №2, с – множитель, равный 10 (шаг уменьшения мощности).

Расчеты мощности по формулам для цикла №1 и цикла №2 представлены в таблице №1.

Таблица 1 Расчет мощности мотора по формулам для циклов №1 и №2

Движение реки и морское течение запускает второй большой мотор (порт B) с помощью второй подпрограммы. Скорость движения реки и морского течения в природе также не постоянна, она меняется в зависимости от объема воды, поступающей в водоем, ветра, времени года и др. Поэтому мощность второго мотора сначала увеличивается, затем уменьшается, а также резко меняет направление на 1 секунду.

Третья подпрограмма запускает лучик через несколько секунд после сигнала от ультразвукового датчика: средний мотор поворачивается на 450°, червячная передача поднимает вверх рычаг храпового механизма и лучик падает. После чего звучат аплодисменты, первые две подпрограммы прерываются, большие моторы останавливаются.

2.5 Демонстрация проекта «Путешествие капельки воды от истока к океану».

Готовый проект и этапы его сборки представлены на рисунке 13 Приложения. Краткая презентация проекта: капелька воды рождается в истоке высоко в горах, скатывается вниз по склону горы и попадает в реку. Течение реки несет капельку в море, где по вращающимся шестеренкам она достигает океана. Через несколько секунд капелька воды испаряется с поверхности океана (поднимается в воздух). Общее время демонстрации проекта: от 40 сек до 2 минут, это зависит от того, как быстро капелька достигнет океана и сработает датчик расстояния.

Заключение

В процессе выполнения нашей работы мы изучили информацию о различных природных водоемах: исток, река, озеро, море, океан. Узнали, что вода может иметь различный состав в процессе движения по планете Земля, но испаряется только чистая пресная вода, которая питает грунтовые воды и проникает в истоки. Движение воды бесконечно: каждая капелька может пройти полный круг от рождения в истоках до попадания в океан и испарения, а может добраться только до реки и испариться и вновь начать свой путь. И вместе с тем все капельки воды объединяются в один большой мировой океан. В этом и заключается круговорот воды в природе.

В нашем проекте движение капельки воды начинается с высоких гор, где первый толчок капельке дает кулачковый механизм, под силой тяжести капелька скатывается в реку, где гусеничный механизм её доставляет в море. Морское течение мы смоделировали с помощью длинной зубчатой передачи: капелька передвигается по вращающимся шестерням прямо к океану. После попадания капельки в океан, она в скором времени «испаряется» - взлетает вверх при резком ударе тяжелого лучика солнца о рычаг-катапульту, расположенный в океане. До удара, лучик удерживается на тросе лебедки с помощью храповика, состоящего из рычага и червячной передачи. Храповик проворачивается от среднего мотора.

Таким образом, гипотеза доказана: с помощью механических передач Lego можно продемонстрировать движение капельки воды из конструктора Lego от истока к океану.

С помощью нашего проекта мы наглядно демонстрируем круговорот воды в природе и её бесконечное движения по различным водоемам нашей планеты. Наш проект можно показывать как на занятиях «Основы робототехники» при изучении сложных механических передач, так и на занятиях «окружающий мир» при изучении тем, связанных с круговоротом и движением воды в природе.

Список используемой литературы:

Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Вязов С.М., Калягина О.Ю., Слезин К.А. Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV3: учебно-практическое пособие. – Москва: Издательство «Перо», 2014. – 132 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Пропорциональное управление роботом Lego Mindstorms EV3/Л.Ю.Овсяницкая, Д.Н.Овсяницкий, А.Д.Овсяницкий. – Москва: Издательство «Перо», 2015.-188 с.

Интернет источники:

http://fb.ru/article/196805/voda---istochnik-jizni-na-zemle;

https://infourok.ru/issledovatelskaya-rabota-voda-istochnik-zhizni-na-zemle-2798700.html;

https://ru.wikipedia.org

https://studfiles.net/preview/843841/

http://uravnedutys.ru/svoystva-vod-tikhogo-okeana/

Приложение