IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
К 100-летию создания электрической дрели
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С детства я видел, как мой папа на даче и дома использует дрель. Я также замечал, что дрель используют многие люди, и дрель есть в каждом доме. Также меня папа учил пользоваться дрелью и сказал, что все мужчины должны уметь ей пользоваться. Дрель - самый необходимый инструмент в доме и он необходим во всех отраслях экономики. В этом я вижу актуальность моего исследования. Мне стало интересно, и я решил собрать свои модели дрели из конструктора LEGO.
Цель работы: знакомство с устройством и функциями дрели.
Задачи работы:
Узнать, как, где и кем была изобретена дрель;
Выяснить, как выглядели первые дрели;
Понять, как и для чего применялись дрели;
Создать модель дрели из конструктора LEGO.
Рассказать одноклассникам о правилах пользования дрелью.
Объект исследования: дрель.
Предмет: виды дрелей и их особенности.
Гипотеза: Мы предположили, что дрели, разработанные 100 лет назад, могут быть использованы в настоящее время и продолжают совершенствоваться в современном мире.
Методы исследования:
Изучение видов дрелей посредством изучения изображений, схем, фотографий.
Анализ литературы и информационных источников.
Обобщение полученных данных.
Создание модели дрели с использованием конструктора LEGO.
Практическая значимость: В связи со 100-летием создания электрической дрели, данный проект можно будет использовать на уроках технологии (научить мальчиков правильно пользоваться дрелью) и на уроках физики для изучения разных передач, демонстрации и пояснения принципов работы механизмов, а также на уроках истории, при изучении деятелей, внесших вклад в развитие технологий. Я продемонстрировал ребятам, как выглядит ручная и электрическая дрель, рассказал из каких механизмов и деталей они состоят. Разработал и раздал памятки «Все про дрель и как пользоваться дрелью».
2. Теоретическая часть.
2.1. Что такое дрель?
Проведенный опрос мальчиков (анкета опроса – приложение № 1) в трех классах показал:
- все знают, что дрель – это инструмент, который применяется для сверления дырок, но никто больше о дрели не знает ничего. Никто ей не умеет пользоваться.
Из книг и интернета я узнал определение, что дрель - это ручное механическое, пневматическое или электрическое устройство (инструмент), предназначенное для придачи вращательного движения сверлу или другому режущему инструменту для сверления отверстий в различных материалах при проведении строительных, отделочных, столярных, слесарных и других работ. Применяется также дрель в горнодобывающей промышленности, медицине.
Ручные устройства для сверления отверстий известны человечеству уже давно. Судя по археологическим раскопкам, прототипы ручных дрелей существовали даже в эпоху Неолита (в истории Европы эпоха Неолита начинается примерно с 7-го тыс. до н. э.). Изготавливалось сверло, которое вращалось при помощи обёрнутой вокруг него тетивы от лука, древко которого служило рукоятью. Поступательные движения лука раскручивали сверло, благодаря чему можно было делать отверстия даже в камне, а также – добывать огонь при помощи силы трения.
При раскопках найдена Римская кривошипная ручная дрель из AugustaRaurica, датированная 2-м веком до н.э.
Кривошипная ручная дрель (2 век до н.э.)
Устройства для сверления постоянно совершенствовались, сначала появились буры и коловороты.Прообраз ручной дрели - ручной коловорот.
Ручной коловорот
Сейчас коловороты при строительных и ремонтных работах используются крайне редко. Их место прочно заняли одно- и двухскоростные ручные дрели.
Ручная дрель — механический инструмент, который применяется для придания вращательного движения с повышенным числом оборотов сверлу или другому режущему инструменту при сверлении отверстий в различных материалах.
Односкоростные дрели имеют только повышающую передачу, состоящую из двух конических шестерён. Как правило, выпускаются в малогабаритном исполнении.
Двухскоростные дрели дополнительно имеют пару цилиндрических шестерён, позволяющих выбирать низкую или высокую скорость вращения патрона со сверлом. Большие ручные дрели имеют плечевой упор и рукоятку-держатель, облегчающие сверление.
Двухскоростные ручные дрели являются вариантом более популярным и практичным, потому как позволяют, путём перестановки ручки с одного на другой приводной вал, менять скорость вращения сверла относительно частоты вращения вала ручкой.
В настоящее время среди механических дрелей наибольшей популярностью обладает двухскоростная дрель с двухступенчатым мультипликатором, за счёт которого значительно ускоряется скорость вращения сверла, в виду чего мультипликатор ещё называется ускорителем. Сверло располагается в патроне, способном регулироваться таким образом, чтобы дрель можно было использовать со свёрлами разной толщины, при этом надёжно закрепляя их. Ускоритель связан с ручным приводом, вращая который, мы приводим сверло в движение. Наконец, остов дрели с упором помогает надёжно прижать дрель к материалу, значительно сократив время сверления и упростив его процесс.
Основное достоинство ручной дрели в том, что конструкция её очень проста. Ручная дрель этот инструмент предельно надёжный, легко ремонтируется в случае поломки, и недорого стоит. А в местах, где нет электричества, такая дрель вообще незаменима.
Электродрель - представляет собой инструмент, чаще всего, в форме пистолета, внутри которого расположены тяговый преобразователь, пусковой выключатель, реверс, реостат или тиристорный регулятор мощности, электродвигатель (УКД), а также механизм для сверления с ударом. На валу (шпинделе) дрели расположен патрон, предназначенный для установки различных слесарных и строительных насадок. У мощных дрелей в шпинделе имеется посадка «конус Морзе» для непосредственной фиксации в ней сверла.
Электродрель
Кто изобрёл первую электрическую дрель?
Впервые электрическая дрель упоминается в 1868 году, благодаря механику-дантисту Джорджу Грину, применившему на практике в зубоврачебном кабинете конструкцию из двигателя, гибкого вала и наконечника. По сути это было "бормашина".
Об этой разработке Грина узнал Самуэль Уайт - американский предприниматель. И уже с 1872-го года компания Самуэля Уайта «S. S. WhiteCompany» запустила серийный выпуск таких сверлильных бормашин для стоматологии.
Но сверление было остро востребовано при строительных и ремонтных работах.
В 1889 году, инженер Артур Джеймс Арнот смог совместить в одном устройстве сверло и электрический двигатель.
В 1895 году, братья Карл и Вильгельм из немецкого города Штутгарт запатентовали электрическую дрель, которой можно было работать, держа ее в руках.
В 1895 году Вильгельм Файн наладил серийное производство дрели с электродвигателем для строительных работ. Правда в то время это был двуручный инструмент с довольно крупногабаритной конструкцией.
В 1916 году два приятеля, Дункан Блек и АлонзоДекер (Балтимора, США), основавшие компанию «Black&Decker», вдохновившись дрелью Файна и популярным в то время пистолетом Кольт, решили объединить эти два образа в одной конструкции, и представили первую электрическую дрель с пистолетной рукояткой, выключателем куркового типа, и электромотором.
В 1917 году, Артур Джеймс Арнот, работавший в то время в компании «Black&Decker», получил патент на изобретение выключателя и удобной пистолетной рукоятки для электродрели. 1917 год считается годом изобретения электрической дрели.
Исполнилось 100 лет, как Black&Decker разработала и подала заявку на патент новой портативной дрели с диаметромпатрона 0.5″, с которой мог управляться один человек.
Именно, компания «Black&Decker» считается первым производителем электрической дрели со знакомым нам современным дизайном и максимально адаптированной для удобной работы конструкцией.
Первая электрическая дрель
Дальнейшее развитие инструмента.
Предложенная компанией «Black&Decker» схема электродрели оказалась настолько практична и популярна, что выпускается многими производителями по сей день.
Электродрель «AEG».
Пневматическая дрель – это устройство (инструмент), которое используется для сверления на конвейерных линиях в разных сферах промышленности.Пневматические дрели разделяют по мощности, исполнению, наличию реверса и максимально возможному диаметру сверления. Есть следующие виды пневмодрелей:
- Прямые - выполняются так, что ось двигателя и ось патрона совпадают. В основном, их форма также схожа с пистолетом.
- Торцевые - внешне напоминают отвертку.
- Угловые - ось вращения патрона размещается под углом к корпусу.
Минимальная скорость вращения пневматической дрели равна 250 оборотов в минуту, а наибольшая в турбинных аппаратах доходит до 18000 оборотов в минуту.
Пневматическая дрель «Sigma 6736011»
Современный мир идёт только вперёд. Настала эра новых технологий. Появились робототехника и механизмы. Мне стало интересно, существуют дрели-роботы?
Из интернета я узнал, следующее.
Разработчики из Университета штата Юта (UniversityofUtah) создали автоматизированную машину, которая выполняет трепанацию черепа в 50 раз быстрее, чем человек с помощью стандартных процедур. Использование робота позволяет сократить время операции с двух часов с помощью традиционной медицинской дрели до двух с половиной минут!
Робот-дрель производит быстрые, чистые и безопасные разрезы. За счет этого сокращается время, когда рана остается открытой, а пациент находится под наркозом. В результате снижается вероятность занесения инфекций, снижаются как временные, так и денежные расходы на операцию, уменьшается влияние человеческого фактора на ход процедуры.
В последние десятилетия хирургия все более автоматизируется и роботизируется. Созданы, например, медицинские роботы, способные помочь хирургам поставить шурупы в позвоночник или помочь в проведении операции по замене тазобедренного сустава. Тем не менее, для операций на черепе и мозге роботы до сих пор не применялись.
Как работает роботизированная дрель? Во-первых, с помощью компьютерной томографии собираются данные о костной ткани пациента. Определяется точное местоположение чувствительных структур, таких как нервы и крупные вены. Хирурги используют полученную информацию для того, чтобы запрограммировать режущий путь фрезы. Для программирования используется специальное программное обеспечение, разработанное инженерами из Couldwell'steam. Линии разреза должны обойти стороной ряд важных мест, таких, например, как венозный синус, отводящий кровь от мозга. Хирург может запрограммировать барьеры безопасности вдоль траектории резания в пределах одного-двух миллиметров от этих чувствительных областей.
Хирург наблюдает за процессом и в любой момент может выключить машину. Сверло также снабжено встроенной системой безопасности. Например, если система заметит, что фреза оказалась слишком близко к лицевому нерву, то автоматически отключится.
Сверло было протестировано на пластиковых блоках, а затем на черепах. Чтобы обеспечить наибольшую точность, команда во время тестирования работала с несколькими прототипами одновременно. Сейчас в качестве рабочей версии используется портативный вариант машины, который можно перемещать между операционными.
Сейчас команда работает над созданием коммерческой версии продукта. Он будет создан либо самостоятельно, либо в партнерстве с производителем медицинского оборудования. По оценке Couldwell, сверло появится на рынке в ближайшие 1-2 года. Ожидается, что устройство будет стоить $100.000 или меньше.
По мнению разработчиков из Университета Юты (команду разработчиков возглавляет WilliamT.Couldwell), сверло может также применяться для других хирургических процедур, таких, например, как сложное вскрытие черепа или позвоночника, а также в качестве учебного пособия.
Это не первая роботизированная дрель. Еще пару лет назад американская компания BlueBeltTechnologies выпустила рободрельNavio, предназначенную для снижения врачебных ошибок и стоимость операций.
Современные подходы к черепной хирургии требуют кропотливой, филигранной работы при ручном сверлении и тщательной очистке сложных отверстий в черепе, чтобы получить доступ к мозгу. Исследователи из Университета штата Юта говорят, что они придумали гораздо более эффективный способ для выполнения этой работы.
Технология роботизированного сверления может существенно сократить время работы и уменьшить риск последующей инфекции.
Трепанация черепа является невероятно кропотливой процедурой из-за высокочувствительных структур, размещенных по всей голове человека. Нервы, крупные вены и артерии находятся во всех зонах, где проводится тщательная резьба кости черепа — это приводит к тому, что процесс может занять около двух часов.
На начальном этапе было необходимо учесть несколько конструктивных соображений: в первую очередь, разработать безопасное и надежное устройство, способное обеспечить повторяемость нужных движений и операций. Проектная группа также рассмотрела вопрос о необходимости упрощенной транспортировки сверлильной установки в операционную. Кроме того, была использована рабочая видеосистема для визуализации в формате 3D хирургического пространства.
В чем-то эта система напоминает управляемого компьютером промышленного робота для сверления деталей. Созданная «с нуля» хирургическая система сверления работает со специализированным программным обеспечением и опирается на данные компьютерной томографии для выявления чувствительных структур, которых следует избегать. Хирурги могут наметить через программу безопасный маршрут сверления, а также отметить барьеры безопасности в пределах 1 мм в чувствительной зоне.
Командная последовательность из отдельных шагов сверления позволяет делать отверстия на сложных участках, расположенных вокруг уха. При проведении подобных операций необходимо избегать крупных вен и нервов лица, они требуют большого опыта и мастерства, выполняются тысячи раз в год, поэтому являются наиболее подходящими для автоматизации.
Испытания прошли успешно и продемонстрировали безопасность и скорость сверления, за счет чего время процедуры может сократиться от двух часов до двух с половиной минут. Это будет большим достижением, потому что укороченная операция означает сокращение расходов, уменьшение вероятности заражения, а автоматизированный характер приводит к снижению вероятности человеческой ошибки. Отмечаются также повышенные шансы на хорошее восстановление после операции.
Более того, исследователи утверждают, что сверло может быть использовано в различных хирургических процедурах, например, подготовка костной ткани к имплантации тазобедренного сустава. В настоящее время изучается возможность массового выпуска этой достаточно универсальной хирургической системы сверления.
Дрель нашла применениев космосе. Российскими учеными был создан Робот «Федор» и отправлен на Международную космическую станцию (МКС) в августе 2019года, он поработал с различными инструментами, в том числе с дрелью.
В 2019 году в Воронеже медики спасли пациента у которого открылось сильное желудочно-кишечное кровотечение, в результате чего сильно упало давление. При помощи специальной дрели с одноразовыми иглами фельдшер установил катетер для капельницы через кость, поскольку сделать это через вену не предоставлялось возможным. Такой способ позволяет оперативно ввести лекарства. Данным методом медики пользуются не так часто, однако все же прибегают к его помощи. Так, в 2018 году врачи дважды использовали внутрикостный доступ, а в 2019 году описанная ситуация была второй по счету, когда потребовалась специальная дрель.
Также, робот-дрель будет помогать людям работать наопасных объектах. Основная идея создания робота-дрели состоит в том, что позволит беречь здоровье людей, а также может быть использована для работы с радиоактивными веществами, что очень опасно для здоровья человечества.
Практическая часть
3.1. Модели дрели из конструктора LEGO.
Я собрал модели из конструктора LEGO, которые имитируют работу ручной дрели и дрели, работающей на батареях с помощью программирования.
1. Модель ручной дрели из LegoWedo 2.0
Пошаговая инструкция по сборке:
- из элементов (блоков) LEGO собрал корпус дрели, оставил отверстие для механизмов;
- из нескольких шестеренок LEGO собрал механизм;
- приделал ось.
Модель ручной дрели, изготовленной мною
2.Модель дрели из LegoWedo 2.0, работающей на батареях с помощью программирования.
Пошаговая инструкция по сборке:
- из элементов (блоков) LEGO собрал корпус, ручку дрели и вставил мотор;
- на мотор прикрепил ось;
- закрепил датчик;
Создал программу работы дрели.
Модель механической дрели, изготовленной мною
При работе с ручной дрелью требуются физические усилия и присутствие самого человека.
При работе с дрелью, работающей на батареях с помощью программирования, не требуется контакт человека с самой дрелью. Работа дрели управляется человеком с помощью программы - «дрель работает сама».
4. Заключение
В ходе исследования я уточнил, что такое дрель, познакомился с функцией и строением дрели, выяснил, какие бывают дрели.Поставленные в работе задачи выполнены, цель достигнута. Мне было интересно узнать историю возникновения дрелей.
Выдвинутая мною гипотеза, что дрели, разработанные 100 лет назад, могут быть использованы в настоящее время и продолжают совершенствоваться в современном мире, подтвердилась. Я создал проекты дрелей с использованием конструктора LEGO.
Предложенная мной индивидуальная исследовательская работа будет интересна не только для моих одноклассников, но и для мальчиков других классов, в т.ч. старшеклассников, чтобы научиться пользоваться дрелью, а также может способствовать возникновению у них интереса к созданию роботов-дрелей и выбору будущей профессии.
5. Список литературы
1.Значение слова "Дрель" в Большой Советской Энциклопедии.
2. «Дрель: новые расследования». М.Елисейкин,журнал «ДрельДодыр» № 2,2013.
3.Эскиз истории отечественной нейрохирургии/Е.Н.Кондаков, Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2006.
ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ
1. ru.wikipedia.org
2. https://bloknot-voronezh.ru/news/skoraya-drelyu-spasla-voronezhtsa-s-krovotecheniem-1151125?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fnews
3. https://www.gadgetstyle.com.ua/100-year-anniversary-of-electric-drill-history/
4. https://www.interskol.ru/wiki/Wiki_68.html
5. https://www.gadgetstyle.com.ua/100-year-anniversary-of-electric-drill-history sdsplus.com.ua - sdsplus.com.ua/article_info.php?articles_id=1. — Дрели. Правила техники безопасности.
Приложение № 1
Анкета для исследования:
Знаете ли вы, что такое дрель?
Какие бывают дрели?
Для чего применяются дрели?
Из каких механизмов состоит дрель?
Умеете работать с дрелью?
В опросе приняли участие 40 учащихся 1-3 классов школы № 30
Приложение № 2. Памятка «Все про дрель и как ей пользоваться»
Дрель – это один из самых необходимых помощников в домашнем ремонте. Ничего особо сложного в ее пользовании нет.
Основные составляющие механизма дрели
Электродвигатель;
Редуктор;
Регулятор мощности;
Пусковая кнопка.
Дрель снабжена регулировкой скорости, которая дополнительно меняется надавливанием на пусковую кнопку. В зависимости от того, какой материал планируется сверлить, подбирается соответствующий вид сверла.
Какие бывают сверла
Они подразделяются для работ:
По бетону, камню и кирпичу. Оснащены «победитовой» вставкой, наконечник выполнен в форме «домика». Обозначаются - «НМ СТ».
По металлу и пластмассе. Материал - закаленная сталь, кромки заточены под углом. Обозначаются - «HSS».
По дереву. В сердцевине сверла - шило, кромки заточены параллельно поверхности.
Как работает дрель
При нажатии пусковой кнопки, электромотор запускает вращаться патрон, в котором зафиксировано сверло. Реостат изменяет скорость вращения, получая команду от кнопки пуска. Реверс регулирует смену движения.
Подготовка инструмента перед началом сверления
Включив дрель в сеть, вложить сверло в патрон между кулачками до упора, повернув его против часовой стрелки. Плавно повернуть патрон в другую сторону и плотно затянуть его
Порядок работы с дрелью
Для получения отверстия нужно:
Наметить будущее вхождение сверла. Для отверстия перпендикулярного поверхности нужен угольник.
Установить сверло требуемого диаметра и приложить его к отметке.
Медленно нажав на кнопку пуска, надавить на инструмент.
Вынуть сверло из отверстия, после чего отпустить кнопку.
Для сверления под углом к поверхности, необходимо зафиксировать ее под нужным углом. Для большей точности используйте зажимную стойку. Она закрепит прибор под наклоном.
Особенности работы также накладывает материал поверхности для сверления.
Работа на металлической поверхности и плотной пластмассе:
Подобрать нужный вид сверла.
Давление на дрель незначительно и на низких оборотах.
Работа на бетоне и каменных материалах:
Подобрать необходимый тип сверла.
Выбирать нужно средние обороты, держа прибор под углом 90 градусов.
Давить на дрель нужно несильно.
При сверлении бетона лучше всего применить «ударный» режим дрели и после окончания сверления дождаться охлаждения инструмента. Для плитки и пустотелого кирпича напротив – этот режим не нужен, дабы не допустить раскалыванию материала.
Для уменьшения количества пыли рекомендуется смочить поверхность водой.
Работа на дереве, обычной пластмассе:Подобрать подходящее сверло, пользоваться высокими оборотами для дерева, низкими - для пластмассы.
Типы дрелей различают по направленности работ, которые они позволяют выполнить:
Обычная. Для слесарно-плотницких работ.
Ударная. Для твердых каменных материалов. Мотор такой дрели придает патрону одновременно с вращательными возвратно-поступательные движения.
Перфоратор. Принцип работы схож с работой ударной дрелью, но механизм дробления – другой, а эффективность выше.
Следует заметить, что перфораторы, несмотря на более мощный механизм работы, не лишены недостатков:
Высокая стоимость;
Большая потребляемая мощность;
Сложность работы и механизма;
Большой вес;
Невозможно выполнить точные работы;
Регулярная смазка и очистка инструмента.
Для того, чтобы определить какой тип дрели нужен именно Вам, необходимо понимание какие планируются виды работ.
При применении специальных насадок вместо сверла, электродрель выполнит и иные операции. Основные из них: шлифовка, полировочные и фрезеровочные работы, заточка, вкручивание саморезов, замешивание.
Дрель - источник опасности, вследствие чего необходимо:
Осмотреть прибор на повреждения.
Убедиться, что сверление не повредит проложенные коммуникации.
Не работать во влажных помещениях.
Не допускать попадания воды инструмента.
Сверло плотно зафиксировать в патроне, ключ вынуть, а заготовку хорошо закрепить в тисках.
Избегать чрезмерного давления на корпус инструмента, а также ослабить нажим при извлечении сверла из отверстия.
Использовать очки, перчатки, респиратор.
По окончанию работы или для замены сверла необходимо дождаться полной остановки вращения патрона и отключить инструмент от питания.
Стружку, полученную при сверлении – заметать только щеткой.