VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Живые Lego-динозавры
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Динозавры – страшные (ужасные) ящеры которые заселяли нашу планету когда-то очень давно, в мезозойскую эру, 100-150 миллионов лет назад, когда климат был жаркий и влажный.
Актуальность работы
Динозавры вымерли задолго до появления человека, никто из людей их не видел. Люди знают, как они выглядели и что ели по найденным останкам их костей, зубов, отпечатках лап. Получается, человек может только воображать динозавров, но не видеть. Динозавры нас привлекают именно своими огромными размерами и таинственностью! Для лучшего представления эпохи динозавров снято много фильмов, написаны книги, даже продается огромное количество игрушек. Это все создано человеком, чтобы каждый смог представить древних животных на нашей планете. Важно знать историю нашей планеты. Мы решили тоже помочь представить динозавров живыми.
Цели проектной работы:
Создать свои модели динозавров и оживить их с помощью сложных механических передач, моторов и программ Lego;
Продемонстрировать движение Lego-динозавров.
Задачи проектной работы:
Узнать больше информации о динозаврах из энциклопедий и художественных книг и интернет-источников;
Выделить 3 самых интересных динозавра и подробно изучить особенности их движения, питания, взаимодействия с другими динозаврами;
Создать модели Lego-динозавров, соблюдая пропорции в размерах и используя сложные механизмы и моторы для осуществления движения.
Провести демонстрацию проекта «Живые Lego-динозавры».
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: dynozavri.ru, vse-lekcii.ru, www.dinozavro.ru, worldofnature.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [3], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [4, 5], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [6]
Глава 1. Виды динозавров и особенности их жизни
Впервые термин «динозавр» (в переводе с греческого языка - «ужасный ящер») появился на свет в 1842 году благодаря английскому биологу Ричарду Оуэну. До этого момента найденные кости динозавров приписывали костям драконов, а также разным существующим и несуществующим историческим событиям. На данный момент все известные виды динозавров делятся на два отряда - ящеротазовые и птицетазовые (Приложение, Рисунок 1.1). [5]
Динозавры считаются первыми позвоночными животными, расселившимися по всей территории планеты, в то время как их предки – земноводные были вынуждены обитать лишь около водоемов, к коим были привязаны по причине специфики размножения. [6] Находки первых представителей динозавров датированы 225 млн. л до н. э. За историю своего существования, длившегося на протяжении 160 млн. лет, этот надотряд чрезвычайно размножился, дав огромное количество разновидностей. Учеными предполагается, что количество родов динозавров на момент пика их процветания могло достичь 3400, хотя пока, по состоянию на 2006 год, уверенно были описаны лишь 500 из них. Каждый род имел неопределенное количество видов. На 2008 год было описано 1047 разновидностей этих древних позвоночных. А на данный момент, в результате новых археологических открытий, это количество увеличивается.
Самые популярные виды динозавров:
Хищные динозавры
Известно, что большинство найденных динозавров являлись хищниками. Первым же хищником, населявшим нашу планету 230 млн. лет назад, считается Eodromaeus. Однако самым известным из хищников того времени бесспорно является тираннозавр, который имеет не менее распростаненное прозвище «ТИРЕКС».
Травоядные динозавры
Как правило, травоядные динозавры были мирными и первыми редко нападали. Но травоядный не значит беззащитный, у большинства из них была отличная «костяная» защита, которая покрывала самые уязвимые или все части их тела. Этим «бронижелетом» их арсенал не ограничился, у многих были невероятно большие и опасные рога, буловидные хвосты, да и просто внушающие размеры, при которых обыкновенные конечности становились смертоносным оружием.
Летающие динозавры
В наше время врядли можно увидеть летящего ящера, разве что его кто-то подкинет в воздух, но во времена динозавров даже они умели летать. Они выглядели не так, как нынешние особи, хотя и имели большинство их признаков. Также в те времена уже появились птицеподобные животные, которые имели настоящие крылья с перьями, правда, в дополнение к своему клюву они имели острые зубы, которых сегодня не встретишь ни у одной птицы планеты Земля.
Глава 2. Тираннозавр Рекс - самый страшный среди хищников
Тираннозавр и еще несколько других видов завров (гиганотозавр, спинозавр, торвозавр и кархародонтозавр) считаются самыми большими наземными хищниками. Не смотря на то, что тираннозавр и уступал им немного в размерах, это не мешало ему быть лучшим из охотников. [5]
Обоняние у него было развито лучше, чем у большинства других динозавров, а зрение было настолько острым, что даже ястреб не смог бы с ним сравниться. Плюс ко всему оно было бинокулярным, он мог смотреть в разные стороны, а картинка воссоединялась в одно целое, что позволяло с достаточной точностью определить расстояние до жертвы, чем не обладал больший по размерам гиганотозавр.
Тираннозавр, пожалуй, самый известный из всех плотоядных хищников мелового периода. Он являлся одним из самых крупных наземных хищников, главным оружием считалась его пасть с мощной челюстью и прочными зубами (Приложение, Рисунок 2.1). [7]
Представьте себе свирепого ящера ростом шесть метров, с огромной зубастой пастью, причём каждый зуб - длиной 15 сантиметров. Не удивительно, что этого исполина, самого опасного из наземных хищников, называют царём динозавров. В 1902 году, когда впервые были найдены останки тираннозавра Рекса, он оказался самым крупным хищником, какой когда-либо обитал на суше (сейчас это опровергнуто, так как самым крупным наземным хищником является спинозавр). Его назвали тираннозавр Рекс.
Существовало несколько мнений о том, как и чем питался этот огромный ящер, только падалью или всё-таки нападал на других динозавров и рептилий. Большинство ученых сошлись на том, что он вёл охоту на более мелких представителей животного мира, хотя и не брезговал поживиться падалью. Решилось это лишь после того, как на скелетах других динозавров обнаружили следы от укусов тираннозавра. Они были настолько кровожадны, что не стеснялись нападать на себе подобных. Позже было выявлено, что тираннозаврам нередко приходилось сражаться за территорию с другими крупными плотоядными. Также о его хищности свидетельствуют глазные впадины.
Короткие задние конечности тираннозавра Рекса служили ненадёжной опорой массивному телу. При передвижении тираннозавр Рекс должен был держать свой жёсткий хвост параллельно земле, чтобы сохранять равновесие; его голова была поднята вверх. Поэтому учёные предположили, что этот хищник передвигался медленно и неуклюже, но при необходимости, при беге развивал скорость до 30 километров в час. Во время охоты он, скорее всего, прятался и ждал, когда добыча подойдёт поближе, а затем нападал из засады. Своими передними лапами тираннозавр Рекс мог поднять 200 килограмм. Тираннозавр Рекс был настолько высок, что мог бы заглянуть в окно третьего этажа современного панельного дома; длина его тела от кончика носа до кончика хвоста равнялась длине нескольких легковых автомашин, вместе взятых.
Глава 3. Аргентинозавр – самый тяжелый из представителей травоядных
Аргентинозавр - динозавр, по истине колоссальных размеров. Он считается самым тяжелым из исследованных динозавров и самым мощным сухопутным существом в истории планеты. [8] Латинское название Argentinosaurus происходит от древнегреческого слова "ящер" и страны Аргентины. Очевидно, что аргентиноящер получил его по месту своего обнаружения. Он считается одним из самых крупных доисторических рептилий. [9]
Время и место существования
Существовали аргентинозавры около 97 – 94 миллиона лет назад. Были распространены на территории современной Аргентины. Они появились в конце Юрского периода и прожили 80 млн. лет – до конца мелового. [10]
Длина тела аргентинозавра достигала 30 метров (Приложение, Рисунок 3.1, Рисунок 3.2). Высота же до 13 метров. Весил он до 72,936 тонны. На текущий момент занимает третье место по длине среди всех динозавров. Также является одним из самых тяжёлых ужасных ящеров. Динозавр был просто безумно огромным. Правда, из-за этого он был не очень подвижным, зато всего один удар хвостом по противнику и он будет сломан пополам, причем в прямом смысле этого слова.
Передвижение
Передвигался аргентинозавр на четырёх мощных конечностях, причём передние ноги практически не уступали задним в длине. Учитывая размеры динозавра, средняя скорость передвижения была невысокой. Однако черепашьим шагом аргентинозавр не обладал: колоссальная мускулатура позволяла сохранять относительную мобильность. Ведь многочисленным стадам необходимо было постоянно перемещаться от оскудевших пастбищ к девственным.
Ученые рассчитали, что динозавр массой в 80-90 тонн мог "разогнаться" до 8 километров в час, что почти в два раза больше, чем скорость прогулочного шага для человека. Это означает, что крупнейшие динозавры Южной Америки могли легко преодолевать сотни километров во время сезонных миграций. [11]
Строение тела.
Небольшая голова располагалась на конце длинной шеи. К сожалению, шея и череп аргентинозавра пока не были обнаружены, поэтому в реконструкциях используются формы близких родов. Туловище аргентинозавра было массивным и огруглым. Вся эта конструкция поддерживалась титаническим позвоночником. Предположительно, хвост был достаточно выражен, чтобы представлять смертельную угрозу для хищников. Всё тело аргентинозавров было покрыто толстой кожей, которая была серьёзным препятствием даже для хищных динозавров больших размеров.
Питание и образ жизни
Этот динозавр питался растительностью. Многочисленные стада аргентинозавров шли по богатейшим равнинам доисторической Патагонии. В процессе они объедали листву с встречающихся деревьев, при этом не брезгуя и молодыми ветвями. Хвоя и шишки тоже могли уходить в бездонные пропасти их пищевода. Гребнеподобные ряды зубов аргентинозавра позволяли размельчать растения до приемлемого уровня, а внутри пищеварительной системы в дело могли вступать желудочные камни – гастролиты.
А были ли у таких гигантов враги?
Без сомнения, они могли подвергаться нападениям крупных тероподов, могли охотиться группы острозубых мапузавров. На маленьких особей из укрытий могли набрасываться округлоголовые скорпиовенаторы. Однако, даже группе впечатляющих гиганотозавров было весьма проблематично справиться со взрослым аргентинозавром. Ударом хвоста или ноги зауроподы могли легко травмировать любого безрассудного охотника. Или просто подмять под себя. Поэтому последние по возможности старались атаковать совсем юных, старых или больных аргентинозавров.
Глава 4. Птерода́ктиль- летающий хищник
Птерода́ктили (лат. Pterodactylus, от греч. πτεροδάκτυλος, pterodaktulos — крылатый палец) — род птерозавров, ископаемые остатки которых были обнаружены преимущественно в Зольнхофенских известняках Германии (Приложение, Рисунок 4.1, Рисунок 4.2, Рисунок 4.3), которые датируются концом юрского периода (ранний титон), 152,1—145 млн лет назад, хотя более фрагментарные ископаемые остатки были найдены в других странах Европы и в Африке. [12]
Птеродактили были плотоядными птерозаврами и охотились преимущественно на рыбу и мелких животных. Как и у всех птерозавров, у птеродактилей были крылья, образованные кожно-мышечной мембраной, которая простиралась от удлинённого четвёртого пальца крыла к задним конечностям. Изнутри мембрана поддерживалась коллагеновыми волокнами, а снаружи — кератиновыми гребнями.
Pterodactylus antiquus — первый вид птерозавров, который получил название и был идентифицирован как летающая рептилия.
Птеродактиль известен по более чем 30 ископаемым образцам и, хотя большинство из них являются подростковыми особями, многие сохранили полные скелеты. Pterodactylus antiquus был небольшим птерозавром, размах крыльев взрослой особи оценивается в 1 м (единственный взрослый экземпляр представлен с отделённым черепом). Предполагается, что размеры прочих видов были меньше. Возможно, некоторые из них представляют собой неполовозрелых особей птеродактиля, а также других птерозавров, живших в то же время, таких, как ктенохазма, германодактиль, Aerodactylus, Aurorazhdarcho и Gnathosaurus.
Черепа взрослых птеродактилей были длинными и тонкими и несли около 90 узких конических зубов. Зубы были длинными на кончиках обеих челюстей и становились тем меньше, чем глубже в пасти находились. Это отличало птеродактилей от родственных видов, чьи зубы отсутствовали на кончике верхней челюсти и были одинаковыми по размеру. Зубы птеродактиля также тянулись в глубь пасти гораздо дальше, чем у близкородственных видов, поскольку некоторые зубы присутствуют даже в передней части предглазнично-носового окна, крупнейшего отверстия в черепе. В отличие от родственных видов, череп и челюсти птеродактиля были прямыми, а не загнутыми вверх.
Глава 5. Создание трех динозавров из конструктора Lego
В первый день подготовки проекта нам предстояло выбрать днозавра, которго ходим построить из Lego и оживить его механизмы с помощью программы. Мы с интересом полистали яркие книги про динозавров (Приложение, Рисунок 5.1) и выбрали самого страшного хищника Тираннозавра Рекс, самого большого травоядного Аргентинозавра и обычного летающего динозавра Птеродактиля.
Lego-Птерода́ктиль
Летающего хищника решил построить Юра. Ему захотелось воссоздать форму летающей ящерицы и движение крыльев. Главные особенности в строении модели динозавра должны быть: длинная узкая и прямая голова, небольшой размер хищника в целом, размах крыльев около 1 м. Этот размер мы потом соотнесем с размером других наших динозавров.
Для движения крыльев Юра использовал несколько сложных механических передач (Приложение, Рисунок 5.1.1):
понижающая зубчатая передача состоит из малой ведущей и средней ведомой шестерней, позволяет мотору более точно передавать движение на ось первого крыла;
осевая передача: средняя ведомая шестерня одета на одну ось с большим ведущим шкивом;
перекрёстная ременная передача связывает оси двух крыльев и от первой оси передает движение на вторую ось, так крылья двигаются вместе.
После создания конструкции птеродактиля в целом (Приложение, Рисунок 5.1.2), Юра запустил модель. В процессе запуска он столкнулся с трудностями: если мощность мотора и время вращения мотора для подъема и опускания крыльев ставить одинаковыми, то после нескольких взмахов крылья начинают ударяться о стол и постепенно конструкция модели ломается. Мы вместе разобрались, почему такое происходит. Для опускания крыльев вниз требуется меньше времени или меньшую мощность, т.к. движение сонаправлено с силой тяжести – движение вниз. Методом подбора значений для мощности мотора и времени вращения Юра провел много запусков модели и пришёл к итоговой первой программе для летающей ящерицы (Приложение, Рисунок 5.1.3). После 10 взмахов крыльев нашей модели, программа обеспечивает их правильную работу. Это хороший результат.
Lego-Аргентинозавр
Над второй моделью - огромного Аргентинозавра - работал Андрей. За основу большого динозавра мы взяли прочный крупный конструктор –LegoDuplo (Приложение, Рисунок 5.2.1). Из него мы построили туловище и ноги. Затем определили для своей модели подвижные части:
Длинная шея с небольшой головой будут опускаться, чтобы динозавру попить воды, и подниматься вверх, чтобы поесть листвы с деревьев.
Главные сложные механизмы – понижающие зубчатые передачи с обеих сторон шеи (Приложение, Рисунок 5.2.2).
Длинный хвост для защиты
Большой и тяжелый хвост будет работать от мотора через понижающую зубчатую передачу под углом в 90° (Приложение, Рисунок 5.2.3) и двигаться в горизонтальной плоскости направо и налево.
Аккумулятор, провода и моторы Андрей поместили внутрь туловища динозавра. Запрограммировал Аргентинозавра в приложении на планшете с поддержкой LegoWeDo2.0. В программе есть блоки для поворота хвоста, движения головы вверх/вниз и рычания (Приложение, Рисунок 5.2.4). Андрей также установили датчик расстояния, который активирует программу в момент, когда к Аргентинозавру кто-нибудь подходит.
Lego-ТиРекс
Тираннозавр Рекс – самый грозный хищник. Однако учёные предположили, что он передвигался медленно и неуклюже, т.к. нужно все время держать равновесие.
ТиРекса решил построить из Lego и оживить Ярослав. Для уверенного передвижения на двух опорах мы использовали следующие сложные механизмы:
Система рычагов
Каждая нога – это система из 5 рычагов. Ярослав потратил огромное количество времени на конструкцию каждой ноги, чтобы добиться равновесия во время движения модели (Приложение, Рисунок 5.3.1).
Червячная передача
Именно её мотор вращает первой – это сердце механизма. Червячная передача является прочной и очень сильной, однако, очень медленной (Приложение, Рисунок 5.3.2).
Как только наш Рекс начал двигаться, Ярослав установил спину на модель, маленькие передние лапы на шарнирах и сконструировал голову динозавра с огромными клыками и установил её на модель (Приложение, Рисунок 5.3.3).
Самое сложное в модели Рекса – это конструкция ног и возможность поймать равновесие при движении. Как мы и предполагали, при первом включении мотора, наш Lego-Рекс потерял равновесие и упал. Ярослав придумал увеличить ширину каждой ступни и поставил по 1 кубику на каждую сторону лапы. Это изменение конструкции лап помогло выровнять Рекса при движении. Рекс медленно и уверенно зашагал вперед.
Ярослав также установили датчик расстояния, который включает мотор Аргентинозавра, когда к нему кто-нибудь подходит.
Демонстрация проекта «Живые Lego-динозавры»
Для демонстрации нашего проекта мы создали из LegoDuplo зеленую растительность, расставили наших динозавров (Приложение, Рисунок 5.4.1): Тираннозавр Рекс – слева (Приложение, Рисунок 5.4.2), Аргентинозавр – справа (Приложение, Рисунок 5.4.3), Птеродактиль – по центру на ветке дерева (Приложение, Рисунок 5.4.4).
Каждая особь активировалась после внешнего раздражителя – мелких динозавров, то есть роботы начинали двигаться после приближения какого-нибудь ящера, выполняли запланированное число повторов и вновь замирали.
Программа для Рекса и Птеродактиля мы разместили на одном компьютере и для правильной работы проиндексировали каждый мотор (Приложение, Рисунок 5.4.5). Программа для Аргентинозавра запускалась на планшете и обмен информацие с роботом осуществлялось по беспроводной связи блютуз.
В нашем проекте мы соотнесли размеры каждого динозавров и сконструировали три модели динозавров в правильных пропорциях по отношению друг к другу (Приложение, Рисунок 5.4.1).
Заключение
В процессе нашей работы мы узнали о видах динозавров и о самых ярких представителях хищников, травоядных и летающих динозавров.
Мы выбрали для себя наиболее интересных особей: Тираннозавр Рекс, Аргентинозавр и Птеродактиль. Узнали об особенностях движения этих древних животных и создали Lego-модели со сложными механическими передачами, моторами и датчиками, чтобы повторить некоторые движения этих интересных животных. Мы постарались сохранить соотнесение пропорций между моделями: самый большой Аргентинозавр, затем по размеру Рекс и самый маленький, но с большим размахом крыльев, Птеродактиль. Для демонстрации нашего проекта мы сконструировали зеленый фон и установили на каждого динозавра датчик расстояния. Как только к динозавру подбегал маленький динозавр, наша модель становилась живой и двигалась: Lego-Рекс шел вперед 10 секунд, Lego-Птеродактиль делал 5 взмахов крыльями, Lego-Аргентинозавр яростно двигал своим большим хвостом. защищаясь от опасности. Наблюдать за Lego-динозаврами очень интересно!
Наша работа может быть использована на уроках робототехники и внеклассных мероприятиях.
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
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.;
Интернет источники:
https://dynozavri.ru/xishnie/tirannozavr/
http://vse-lekcii.ru/lekcii-po-istorii/istoriya-dinozavrov/klassiphikaciya-dinozavrov
https://prehistoriccreaturescom.fandom.com/ru/wiki/Тираннозавр_Рекс
https://www.dinozavro.ru/melovoy/argentinazavr.php
http://dinosaurs.afly.ru/sauropoda/180-argentinosaurus
http://worldofnature.ru/vymershie?view=page&id=924&back=letter
https://ria.ru/20131030/973758918.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Птеродактили
Приложение
-
Рисунок 1.1Классификация динозавров
Рисунок 2.1 Тираннозавр Рекс и его характеристики
Рисунок 3.1 Реконструкция аргентинозавра с вертикально поднятой шеей
Рисунок 3.2 Показательное сравнение с тираннозавром, слоном и конечно же, человеком
Рисунок 4.1 Типовой образец P. antiquus, Баварская государственная коллекция палеонтологии и геологии
Рисунок 4.2 Размер подростковой особи голотипа (синий) и взрослого образца (зелёный) в позициях стойки и полёта, в сравнении с человеком
Рисунок 4.3 Птеродактиль в представлении художника
Рисунок 5.1 Знакомство с миром динозавров по книгам
Рисунок 5.1.1 Сложные механические передачи в конструкции Птеродактиля.
Рисунок 5.1.2 Итоговая конструкция Птеродактиля
Рисунок 5.1.3 Испытание программы, создание правильной программы.
Рисунок 5.2.1 Создание крупного туловища и ног Аргентинозавра
Рисунок 5.2.2 Сложные механизмы шеи Аргентинозавра
Рисунок 5.2.3 Сложный механизм хвоста Аргентинозавра
Рисунок 5.2.4 Программа для запуска Lego-Аргентнозавра в ПО WeDo2.0
Рисунок 5.3.1 Создание сложной конструкции ног Lego-ТиРекса
Рисунок 5.3.2 Установка червячной передачи в в «сердце» Lego-ТиРекса
Рисунок 5.3.3 Завершенная конструкция Lego-ТиРекса
Рисунок 5.4.1 Расстановка динозавров на фоне зеленой растительности
Рисунок 5.4.2 Lego-Рекс размещен слева на фоне зеленой растительности
Рисунок 5.4.3 Lego-Аргентинозавр размещен справа на фоне зеленой растительности
Рисунок 5.4.4 Lego-Птеродактиль размещен по центру на ветке
Рисунок 5.4.5 Программа-для запуска Lego-Птеродактиля и Lego-Рекса с одного компьютера