Создание самодвижущихся игрушек

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Создание самодвижущихся игрушек

Матюшева А.В. 1Шаймухаметова А.А. 1
1МБОУ«Сарсинская СОШ им.А.М.Карпова»
Бехтерева Л.Л. 1
1МБОУ«Сарсинская СОШ им.А.М.Карпова»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Игрушка — это первое, что берет в руки маленький человек, стремясь познать окружающий его мир. Наверное, каждый хоть раз задумывался, как работает та или иная игрушка. Многие от любопытства даже разбирали их, чтобы узнать, что находится внутри. А некоторые, узнав об их устройстве, делают свои игрушки, еще более интересные и привлекательные. Сделать это под силу только серьезному человеку, для которого игрушка — уже не игрушка, а объект исследований. На сайте ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ мы обнаружили информацию об изобретениях, относящихся к устройству игрушек, в частности к движущимся фигуркам (куклам). (Приложение 1)

Мы решили сделать несколько самодвижущихся игрушек, опираясь на знания законов физики. Ведь любое перемещение можно объяснить с помощью физики.

Цель нашей работы: изготовление самодвижущихся игрушек, перемещающихся по наклонной плоскости.

Задачи:

изучить поведение тел на наклонной плоскости;

изучить закон сохранения и превращения энергии;

изучить условия устойчивости тел;

изготовить самодвижущиеся модели;

объяснить принцип действия моделей на основе законов физики.

Тело на наклонной плоскости

Силы, действующие на тело на наклонной плоскости

Н а тело на наклонной плоскости действуют сила тяжести, сила реакции опоры  и сила трения.

Сила тяжести направлена по вертикали вниз и стремится сдвинуть тело к основанию плоскости. Сила трения направлена вдоль наклонной плоскости вверх, она препятствует соскальзыванию тела. Сила реакции опоры  направлена перпендикулярно наклонной плоскости вверх.

Если поместить на наклонную плоскость брусок, то он может остаться в покое, может равномерно скользить, а может двигаться с возрастающей скоростью. А еще может произойти его опрокидывание. Поведение бруска зависит от действующих на него сил и от расположения его центра масс.

Е сли поместить на наклонную плоскость цилиндр, то тут возможно только одно – он покатится вниз с увеличивающейся скоростью.

А если к бруску или цилиндру добавить элементы, на которые они будут опираться, то можно наблюдать очень интересные способы передвижения – перешагивание.

Преобразования механической энергии

При перемещении по наклонной плоскости сила тяжести и сила трения совершают работу, а совершение работы происходит за счет изменения энергии. При движении вниз работа совершается за счет уменьшения потенциальной энергии тела. Часть этой энергии превращается в кинетическую энергию движения тела, а часть расходуется на преодоление силы трения, преобразуется во внутреннюю.

У словия устойчивости тел

Тело, имеющее площадь опоры, не будет опрокидываться до тех пор, пока линия действия силы т яжести будет проходить через площадь опоры.На наклонной плоскости это утверждение так же справедливо. В случае (а), показанном на рисунке, брусок находится в устойчивом положении, а в случае (б) – опрокидывается.

Самодвижущиеся шагающие и грушки

«Идет бычок, качается, вздыхает на ходу:

— Ох, доска кончается — сейчас я упаду!»

Всем знакомы с детства эти стихи, написанные А. Барто в 1936 году. Оказывается в стихах коротко и очень точно обрисована самодвижущаяся игрушка, выполненная в виде стилизованной фигурки, способная равномерно покачиваясь, спускаться по наклонной поверхности. Игрушка движется за счет перепада высот под действием силы тяжести. Для запуска игрушки достаточно ее слегка качнуть. А дальше она шагает вниз уже самостоятельно. Потенциальная энергия, присущая ей в начале движения, постепенно превращается в кинетическую и в тепловую (внутреннюю) за счет трения.

А еще известна игрушка – воробышек, который прыгая, спускается по наклонной плоскости.

Воробышка можно склеить из бумаги способом папье-маше. Нужно изготовить две симметричные детали, такие чтобы после их соединения внутри образовалась полость. В эту полость нужно поместить механизм, который будет приводить птичку в движение. Этот механизм состоит из двух полых призм со стальными шариками внутри. Призмы смещены относительно друг друга на 45°. От легкого прикосновения шарики приходят в движение и перекатываются из угла в угол, тем самым как бы подталкивая игрушку. Идея «прыгающего» воробышка принадлежит советскому изобретателю А.П.Даниленко.

Изготовление игрушек и исследование способности их спуска по наклонной плоскости

У нас появилось желание изготовить несколько несложных самодвижущихся игрушек. Для этого мы выбрали недорогие доступные материалы, с которыми легко и безопасно работать. Это картон для детского труда, цветная бумага, бумага для офисной техники, гофрированный картон от упаковочной коробки. Из этих материалов легко вырезать детали с помощью ножниц и канцелярского ножа. В изготовленных деталях можно сделать отверстия нужного диаметра для осей с помощью гвоздя или самореза. Для скрепления деталей мы использовали клей и двусторонний скотч. А ещё нам понадобились шарики от старых подшипников, капсула от игрушки «киндер-сюрприз», деревянные зубочистки, цилиндрические стержни – ручки от использованных кисточек для рисования.

Для изготовления наклонной плоскости мы воспользовались оборудованием, имеющимся в школьном кабинете физики. Установили на штативе деревянную доску от трибометра. Высоту этой наклонной плоскости удобно менять, перемещая муфту по стойке штатива. Помещая на доску листы бумаги или картона, или лист картона с закрепленным на нем куском ткани мы получили возможность провести исследования поведения моделей на разных поверхностях. Для исследований мы использовали наклонную плоскость длиной 30 сантиметров с поверхностями из дерева, бумаги, картона и ткани.

Модель «Лошадка»

Материалы: картон для детского труда, бумага для офисной техники.

Изготовили четыре модели: две из бумаги и две из картона. По две модели разных размеров из каждого материала: большие, из прямоугольников 3 см х 15 см, и маленькие - 1,5 см х 9 см. Расчертили прямоугольники по схеме, показанной на рисунке. Красная линия - линия разреза; синяя линия – линия сгиба. Выполнили разрезы и сгибания, получились «Лошадки».

И сследовали способность спуска этих «Лошадок» с наклонной плоскости разной высоты и с разным покрытием. Помещали модели на наклонную плоскость и наблюдали за их поведением. При высоте наклонной плоскости менее 9 см на всех покрытиях ни одна модель не начала движение. Первой начала «шагать» большая бумажная «Лошадка» по дереву и по бумаге с высоты 9 см. Все модели успешно спустились по дереву с высоты 14 и 15 см и по бумаге с высоты 15 см. При увеличении высоты плоскости до 16 см мы обнаружили, что большая бумажная «Лошадка» начала скользить, а не «шагать». По поверхности из ткани ни одна «Лошадка» не спустилась, на высоте 18 см происходило опрокидывание модели. В таблице (Приложение 2) мы привели результаты исследования поведения моделей «Лошадка» на наклонной плоскости.

Модель «Флексман» (Танцующий человечек)

М атериал: бумага для офисной техники. Для изготовления Флексмана использовали бумажный квадрат. Согнули квадрат по синим линиям, указанным на рисунке 1. Соединив точки 1 и 2, получили треугольник (рисунок 2). Выполнили сгибание по рисунку 3, получили модель, изображённую на рисунке 4. Перевернули модель и повторили действия по рисунку 3. Затем выполнили сгибание по рисунку 5, совмещая точки 3 – 4 и 5 - 6. Флексман готов!

М ы изготовили Флексманов разных размеров из квадратов со сторонами 20, 15 и 10 сантиметров.

Провели исследование возможности спуска «человечков» по наклонной плоскости с разной высоты и с р азным покрытием. При высоте наклонной плоскости менее 9 см на всех покрытиях ни одна модель не начала движение.

П ервым начал «шагать» большой бумажный «Флексман» по дереву с высоты 10,5 см. С высоты 11,5 и 12,5 см большая бумажная модель стала двигаться еще и по бумаге, модели средних и маленьких размеров начали двигаться по дереву, а маленький «Флексман» стал двигаться еще и по картону. С высоты 13,5 см большая и маленькая модель стали двигаться по дереву, бумаге, картону. При увеличении высоты плоскости до 14,5 см мы обнаружили, что все три модели начали скользить.

Все модели успешно спустились по дереву с высоты 12,5 см, 13,5 см, 14,5 см и по бумаге с высоты 14,5 см. По поверхности ткани спустилась только большая модель с высоты 14,5 см.

В таблице (Приложение 3) мы привели результаты исследования поведения моделей «Флексман» на наклонной плоскости.

Модель «Лиса»

Материал: гофрированный картон толщиной 0,5 см, деревянный цилиндрический стержень длиной 7 см и диаметром 0,3 см, клей.

Для изготовления модели сделали из бумаги выкройку в виде полукруга диаметром 14,5 см. По этой выкройке из картона канцелярским ножом вырезали четыре одинаковых заготовки и склеили их между собой, получилось «туловище». Выкройку для «ног» мы сделали из того же бумажного полукруга: отмерили по его диаметру от края 6 см, провели к полученной точке перпендикуляр. Получился сектор со сторонами 6 см и 7,2 см и углом между ними 900. По этой выкройке вырезали из картона шесть одинаковых деталей. Склеили между собой по три детали, получили «ноги» будущей модели.

Д ля того, чтобы отметить положение оси, соединяющей «туловище» и «ноги» необходимо определить положение центра тяжести «туловища». Для этого мы сделали в точках А, В и С отверстия, на которые подвешивали заготовку на ось - гвоздь, укрепленный в лапке штатива, - вокруг которой заготовка может свободно поворачиваться. С помощью отвеса провели на «туловище» сначала одну, а потом другую линии и нашла точку их пересечения К - центр тяжести модели. Ось вращения у «Лисы» не должна совпадать с ее центром тяжести. Мы отступили от точки К на 2 см влево и на 1,5 см вверх, отметили точку М, в которой сделали отверстие для оси. Чтобы сделать отверстия на «ногах» для их соединения с «туловищем» мы построили на детали биссектрису угла и отметили на ней точку на расстоянии 1 см от вершины. В этой точке сделали отверстие. Собрали модель и исследовали способность ее движения по наклонной плоскости разной высоты и с разным покрытием. Начали испытания на наклонной плоскости высотой 4,5 см. На данной высоте движение модели не обнаружилось. Постепенно увеличивая высоту, обнаружили, что модель пошла только с высоты 10 см по дереву, бумаге и картону. С высоты 10 см до 15 см характер движения модели менялся. Модель то шагала, то скользила по разным поверхностям, кроме ткани. Результаты наблюдений показаны в таблице (Приложение 4). По дереву с высоты 12 см наша «Лиса» шагала эффектнее, чем на всех остальных поверхностях. (Фрагменты работы над моделью «Лиса» показаны в (Приложение 5)

Модель «Тамблинг» (Гимнаст)

М атериалы: плотный картон, 4 стержня - зубочистки длиной по 6 см, 2 металлических шара диаметром 0,7 см, капсула от игрушки из «киндер-сюрприза».

Для изготовления «Гимнаста» в капсуле от «киндер-сюрприза» сделали два сквозных отверстия (в точках А и В на схеме), расположенных симметрично относительно центра капсулы на р асстоянии 2 см друг от друга так, чтобы размещенные в этих отверстиях стержни – оси были параллельны. Вставили в отверстия стержни. Внутрь корпуса поместили два металлических шарика, которые могут там свободно кататься. «Гимнаст» готов.

Для выполнения им упражнений изготовили пилообразные рельсы из картона. Каждый зубец на рельсах имеет форму прямоугольного треугольника с малым катетом 0,5 см и гипотенузой 2 см. Расстояние между рельсами 3,5 см. Если поместить «Гимнаста» на рельсы и, подтолкнув, заставить сделать кувырок, то он, совершая чередующиеся опрокидывающие движения, будет двигаться вниз. Стержни – оси по очереди будут опираться на зубцы и «Гимнаст» будет переворачиваться вокруг осей поочередно за счет перекатывания шариков внутри капсулы, то есть смещения центра тяжести модели.

Модель «Медведь»

Материалы: картон для детского творчества, бумага для офисной техники, пластилин.

Из тонкого картонного прямоугольника, размеры которого 30 см х 5 см, склеили кольцо. На внутреннюю сторону кольца у места соединения прикрепила кусочек пластилина для утяжеления этой части модели. Получила модель со смещенным центром тяжести. Если поставь кольцо вертикально на наклонную плоскость так, чтобы его утяжеленная часть была около вертикального диаметра со стороны, обращённой к приподнятому краю наклонной плоскости, и отпустить его, то кольцо покатится вверх. Когда утяжеленная часть кольца опустится до наклонной плоскости, кольцо остановится в этом положении. Чтобы получилась игрушка «Медведь» мы на наружную поверхность кольца вблизи утяжеленного участка приклеили легкие бумажные ушки, а на диаметрально противоположную часть – задние лапки. А еще приклеили глаза и маленькие передние лапки.

Подиум для демонстрации моделей

Материалы: фанера, саморезы, 2 шарнира.

Проанализировав информацию в таблицах, мы установили, что для демонстрации всех моделей подходит наклонная плоскость длиной 30 сантиметров и высотой 12 сантиметров. С плоскости таких размеров все модели спускаются без скольжения по одному или нескольким покрытиям. Учитывая это мы, с помощью папы, изготовили из фанеры «подиум» больших размеров, при этом соблюдая пропорции, чтобы не изменить угол наклона плоскости к поверхности демонстрационного стола.

Заключение

Результатом нашей работы является создание коллекции самодвижущихся игрушек. У нас получилась Лошадка, Флексман (танцующий человечек), Лиса, Медведь и «Тамблинг» (гимнаст). Эти игрушки мы сделали из подручных материалов. Немного пофантазировали и придали простым вещам оригинальную форму. (Приложение 6)

Работая над проектом, мы почувствовали себя изобретателями, конструкторами, испытателями. Нам понравилось работать вдвоем. Мы научились распределять работу, оказывать поддержку друг другу. Некоторые элементы исследования в одиночку выполнить было очень сложно.

Работая над созданием игрушек, нам пришлось глубже окунуться в мир законов физики. Мы изучили поведение тел на наклонной плоскости. Оказывается, по наклонной плоскости тело может не только скользить вниз, но и передвигаться шагая, подобно человеку или животным. А тело цилиндрической формы совсем не обязано катиться вниз под уклон, оно может катиться вверх или оставаться в покое. Объяснить такое движение помогает закон сохранения и превращения энергии. Мы еще раз убедились, что любое движение можно объяснить с помощью физических законов. Разбираясь в принципах работы игрушек, можно лучше понять и одну из самых серьезных наук — физику, которая коренным образом изменила быт человека за последние несколько десятков лет. Наша работа объединила развлекательную тему – игрушки, и увлекательную – физика.

Источники информации

Механические игрушки своими руками https://englishpromo.ru/stroitelstvo/mehanicheskie-igrushki-svoimi-rukami-podvizhnye

ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ http://www.freepatent.ru/

Самодвижущиеся шагающие игрушки https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/0a66/0007ab85-554db835/img30.jpg

Тело на наклонной плоскости https://phscs.ru/physics10/inclined-plane

Рисунок https://m.studref.com/htm/img/33/8146/381.png

Приложения

Приложение 1. Примеры авторских свидетельств

Игрушка "Ванька-встанька", содержащая корпус со сферической опорой и вертикальным стержнем

(авт. св. N 645661).

Движущаяся игрушка, состоящая из полого тела и пары ног, закрепленных на стержне с возможностью свободного качения (патент США N 2140275).

Приложение 2. Результаты исследования поведения модели «Лошадка»

№ опыта

Высота наклонной плоскости h, см

Вид поверхности

Маленькая модель из картона

Большая модель из картона

Маленькая модель из бумаги

Большая модель из бумаги

- не движется, + движется

1

4.5

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

2

6

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

3

7.5

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

4

9

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

-

-

5

10

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

+

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

-

6

11

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

+

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

-

7

12

дерево

бумага

картон

ткань

+

-

-

-

+

+

+

-

-

-

-

-

+

+

+

-

8

13

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

-

-

+

+

+

-

+

-

-

-

+

-

+

-

9

14

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

+

+

+

-

+

+

-

-

+

-

-

-

10

15

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

-

-

+

+

+

-

+

+

-

-

+

+

+

-

11

16

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

+

+

+

-

-

+

-

-

-

+

+

-

12

17

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

+

+

+

-

-

+

+

-

-

+

+

-

13

18

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

+

+

+

-

+

+

+

-

+

+

+

-

Приложение 3. Результаты исследования поведения модели «Флексман»

опыта

Высота наклонной плоскости h,см

Вид поверхности

Большая модель

Средняя модель

Маленькая модель

Cкольжение

Большая модель

Средняя модель

Маленькая модель

- не движется, + движется

1

4.5

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

     

2

7

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

     

3

9

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

     

4

10.5

дерево

бумага

картон

ткань

+

-

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

 

+

 

5

11.5

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

-

+

-

+

-

-

-

+

-

-

   

+

6

12.5

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

+

-

+

-

+

-

-

-

+

+

+

+

7

13.5

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

+

+

+

+

-

+

-

-

-

+

+

+

+

+

8

14.5

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

+

+

+

+

-

+

+

+

-

+

+

+

+

+

-

+

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 4. Результаты исследования поведения модели «Лиса»

опыта

Высота наклонной плоскости h,см

Вид поверхности

Шагает

- нет;

+ да.

Скользит

1

4.5

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

 

2

6

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

 

3

7,5

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

 

4

9

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

-

-

 

5

10

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

 

6

11

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

 

7

12

дерево

бумага

картон

ткань

+

+

+

-

 

8

12,5

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

+

-

+

+

9

13

дерево

бумага

картон

ткань

-

+

-

-

+

+

10

13,5

дерево

бумага

картон

ткань

+

-

+
-

+

11

14,5

дерево

бумага

картон

ткань

-

+

+

-

+

12

15

дерево

бумага

картон

ткань

-

-

+

-

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 5. Работа над моделью «Лиса»

Приложение 6. Коллекция игрушек и подиум для их демонстрации

Просмотров работы: 20