IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проект на базе конструктора LegoWeDo 1.0 "Любимые аттракционы круглый год"

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Георгиев А.О. 1Попова А.С. 1Иванов М.А. 1Симон З.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

3.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наш город Тюмень – культурная столица Тюменской области. В нем много музеев, театров, выставок, куда можно пойти для культурного развития. Иногда в выходные дни хочется просто отдохнуть и весело провести время с родителями. Тогда мы идем в городской парк «Пешеходный бульвар», где очень много аттракционов. К сожалению, не все аттракционы работают зимой, а некоторые невозможно открыть летом.

Цель: найти решение проблемы зависимости режима работы аттракционов от времени года, создать и продемонстрировать модель конструкции для круглогодичной работы аттракционов.

Задачи:

- побывать на экскурсиях в новых современных жилых комплексах города Тюмени, посетить аттракционы на Цветном бульваре;

- изучить условия работы двух любимых аттракционов круглый год;

- собрать информацию о способах временной защиты помещений с помощью передвижных укрывающих конструкций;

- создать модель «Любимые аттракционы круглый год» с помощью конструктора LegoWeDo 1.0;

- продемонстрировать модель «Любимые аттракционы круглый год».

В качестве источников мы использовали информационные сайты: www.topkurortov.com, tmn.aif.ru, образовательные порталы: wikipedia.org, weburok.com,more-dokladov.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [4]

Глава 1. Город Тюмень – культурная столица Тюменской области.

Виды отдыха.

Тюмень – столица Тюменской области, которая административно относится к Уральскому федеральному округу, но географически находится на западе Сибири. Тюмень считается первым городом, построенным в Сибири русскими – в 1586 г. В 2019 г. население города составило 788 тысяч человек. [5]

В Тюмени действует несколько вузов: государственный, медицинский, институт культуры, индустриальный, аграрный и др. Теоретическая наука сконцентрирована в двух институтах РАН. Здесь находится множество разных религиозных организаций: Знаменский собор (Приложение, Рисунок 1.1), Троицкий монастырь, соборная мечеть, синагога и другие. Работают разные культурные учреждения: театр «Мимикрия», усадьба Колокольниковых, филармония, ряд церковных построек 18-19 вв. и другое. Тут представлено более 50 библиотек, самой крупной из которых является областная научная библиотека имени Менделеева. Здесь можно найти множество интересных и красивых монументов. Например, памятник Юрию Эрвье, Николаю Кузнецову, Текутьеву и др. К памятникам архитектуры относятся дом Ушакова и Народный дом. Есть и удивительные парки и сады: Цветной бульвар, Александровский сад, Сквер сибирских кошек (Приложение, Рисунок 1.2) и др. В 2013 г. здесь открылся зоопарк.

Поклонники активного образа жизни летом могут покататься на велосипедах и роликах, позаниматься на уличных тренажерах или сыграть в футбол на поле с искусственным газоном. Зимой можно поиграть в хоккей или покататься на коньках или лыжах. Любители уединения могут бродить по лесным тропинкам или отдыхать на смотровых площадках.

В самом сердце Тюмени раскинулся Цветной бульвар (Приложение, Рисунок 1.3). Он объединяет 5 площадей: Влюбленных, Искусств, Фонтанную, Спортивную и Цирковую. Тут стоит спорткомплекс «Центральный», открыта парковая зона с каруселями и иными развлечениями. [6] Оригинальным украшением тюменской достопримечательности является восхитительный фонтан, названный «Времена года». Его составляют каменные, бронзовые и стеклянные элементы. Ночью водные струи под музыкальное сопровождение подсвечиваются огнями разных оттенков. На Цирковой площади Цветного бульвара находится Тюменский цирк (Приложение, Рисунок 1.4). Он занимает огромное современное здание с оригинальной архитектурой. Его стены сделаны из стекла, а сверху находится большой синий купол, украшенный металлическим шаром. В ночное время цирк освещается яркими огнями и выглядит просто сказочно. На Цветном бульваре есть более 40 аттракционов для посетителей самых разных возрастов: детские, семейные и экстремальные. Одним из них является огромное колесо обозрения с теплыми кабинками, поэтому полюбоваться на парк с завораживающей высоты можно даже зимой.

С 2018 года в Тюмени работает всесезонный аквапарк «ЛетоЛето». Это один из крупнейших крытых аквапарков в России (Приложение, Рисунок 1.5).

Глава 2. Экскурсии в ЖК «Преображенский» и ЖК «Ожогино» г. Тюмени

Мы, студенты школы «Мистер Брейн», в начале декабря 2019 года побывали на двух экскурсиях: в новых жилых комплексах «Преображенский» и «Ожогино» города Тюмени.

Подробную экскурсию по жилому комплексу «Преображенский» провел коммерческий директор Андрей Геннадьевич Скосырский (Приложение, Рисунок 2.1), показал нам детские площадки: они новые, яркие, интересные, инновационные. Даже есть тарзанка, но она не работает зимой. Все игровые формы спрятаны под снегом.

Обустройство дворов новыми игровыми формами в ЖК «Ожогино» нам продемонстрировал ведущий специалист отдела продаж Галеев Дмитрий Анатольевич (Приложение, Рисунок 2.2). Большинство игровых форм выполнены из дерева и также были укрыты снегом.

И конечно, ни в одном из дворов новых современных жилых комплексов не было электрических каруселей. Получается, зимой на детских площадках не поиграть, тогда мы решили проверить наш любимый парк аттракционов «Цветной бульвар».

Мы жители современного яркого динамичного города! И круглый год нам хочется посещать любимые аттракционы, но сейчас такой возможности нет, даже в современных жилых комплексах. Это натолкнуло нас на мысль, что можно построить конструкции, которые будут защищать от погодных явлений и поддержать нужную температуру на аттракционах.

Глава 3. Сезонные аттракционы и развлечения
в тюменском парке «Цветной бульвар»

Мы очень любим отдыхать на Цветном бульваре в любое время года. Но зимой очень многие аттракционы закрыты (Приложение, Рисунок 3.1). Как работают наши самые любимые развлечения? Нам нравится кататься на электромашинках на автодроме, а зимой мы одеваем коньки и катаемся на катке. Мы решили узнать подробнее о работе этих двух развлечений на Цветном бульваре в разное время года.

3.1 Каток

Ледовые катки стали для тюменцев одним из самых популярных зимних развлечений. И с каждым годом ледовых площадок становится в городе все больше и больше, а каждая новая пытается «переплюнуть» предыдущие по размерам, сервису, наполненности и известности. [7]

Традиционно на «Лебедином озере» – аттракционе на Цветном бульваре (Приложение, Рисунок 3.1.1), который работает летом, – обустраивается каток. Ежедневно его подметают от снега, проливают водой. Обслуживают каток операторы, которые контролируют посетителей, порядок на катке, что бы можно было насладиться процессом катания под музыку по натуральному покрытию. (Приложение, Рисунок 3.1.2).

Каток — ровная ледяная поверхность для катания на коньках или санках. Катки делятся по типу использования на массовые и спортивные, по типу льда на искусственные и естественные. Спортивные катки, в свою очередь делятся на крытые и открытые. Ледовые катки стали для тюменцев одним из самых популярных зимних развлечений. [8]

Создание катка это не просто заливка большого количества воды на поле. Для создания ледовой арены с качественным покрытием вода должна подаваться в определённом режиме — медленно и аккуратно.

Ледовый каток во дворе, на стадионе, во дворце спорта, на детской или спортивной площадке, у школы или в парке должен представлять собой абсолютно ровную ледяную поверхность из натурального и/или искусственного льда, с ограждением по периметру территории, для катания на коньках или хоккея. Он может использоваться как для массового отдыха всех желающих, так и для проведения спортивных мероприятий, например, по фигурному катанию или конькобежному спорту. Заливка льда начинается с подготовки основания, а именно укатки снега для получения плотной базы толщиной не менее 5 см. По технологии заливки льда температура воздуха должна находиться в диапазоне -4 / -5 °C, иначе замерзание поверхности растянется на целые сутки.

Температурные условия на крытых катках:

температура окружающей среды (воздуха) должна составлять +17 ͒С;

температуру ледяного покрова нужно поддерживать на уровне -4…-2 ͒С.

В Тюмени кроме зимних катков, также есть крытый каток (Приложение, Рисунок 3.1.3)

3.2 Автодром

Автодром (Бамперные машинки, от англ. Bumper car) — аттракцион, на котором посетители могут ездить по специальной площадке на небольших двухместных электрических автомобилях, сталкиваясь с другими автомобилями [9].

Первый аттракцион подобного типа был изобретён в 1919 году Максом и Гарольдом Стоерер (Max & Harold Stoehrer) из города Месуен, штат Массачусетс, США.

Наиболее распространённая конструкция автодрома представляет собой огороженную площадку с металлическим полом. Над площадкой натягивается металлическая сетка. Между металлическим полом и сеткой прикладывается постоянное напряжение.

Машинки — обычно трёхколёсные, электродвигатель располагается в переднем колесе, которое может поворачиваться на угол 360°, что освобождает от необходимости реверса двигателя: автомобильчики оснащаются лишь педалью хода. [10] Электропитание подаётся посредством двух токосъёмников: один расположен под днищем и касается пола, другой устанавливается на длинной штанге и прижимается к потолку.

Прогресс не стоит на месте. Эра электромобилей внесла свои коррективы. Сейчас большая часть открываемых аттракционов этого типа имеет в своем автопарке машинки на подзаряжаемых батареях большой емкости.

Посетителями аттракциона могут быть как дети так и взрослые. Все сидения оборудованы ремнями безопасности. [11]

Для смягчения ударов при столкновении машинок друг с другом и с оградой площадки машинки оснащаются резиновым бампером, опоясывающим корпус. Скорость передвижения бамперной машинки составляет 6—10 км/ч (Приложение, Рисунок 3.2.1).

Автодром выпускается в двух модификациях.

Летний аттракцион, пригодный для использования только в теплое время года. Особенностью первого типа является то, что автодром представляет собой мобильную и простую в монтаже конструкцию. Автодром имеет небольшое помещение для администратора, а сверху поле с машинками защищено тентом от солнца и дождя (Приложение, Рисунок 3.2.2)

Зимний аттракцион, который может работать круглый год, независимо от погодных условий на улице. Зимний автодром оснащается завесами по бокам конструкции. Так аттракцион защищает посетителей от сильного ветра и холода. Аттракцион имеет мощную крышу и основание, его трудно перевозить с одного места на другое, но, тем не менее, возможно (Приложение, Рисунок 3.2.3). [12].

В Тюмени Автодром открытый (Приложение, Рисунок 3.2.4) и суровые погодные условия – мороз, сильный ветер, метель - не позволяют кататься на машинках в удовольствие. Спрос на этот аттракцион зимой значительно падает.

Глава 4. Передвижные укрывающие конструкции для защиты помещений.

Перед тем, как делать проект на базе Lego, мы решили разобраться в том, какие бывают укрывные конструкции, как они передвигаются и из чего состоят.

Механизмы укрывных конструкций разделяются на способы открытия и закрытия [13]:

Раздвижные. Это конструкции, которые сдвигаются в одну или две противоположные стороны (Приложение, Рисунок 3.1);

Передвижные. Это сооружение, которое частями перемещается в одну сторону;

Съемные. В основе открытия лежит способ полного демонтажа кровельной конструкции;

Сдвижные частично. В этой конструкции одна часть стационарная, она намертво зафиксирована к дому, вторая сдвигается (Приложение, Рисунок 3.2).

А также по временному отрезку эксплуатации:

Сезонные модели, которые эксплуатируют в определенное время года. К примеру, крыши над бассейнами или летними террасами;

Временные. Их обычно устанавливают над мобильными постройками;

Капитальные. То есть их монтируют в тех строениях, где крыша эксплуатируется в течение круглого года (Приложение, Рисунок 3.3).

В основном укрывные конструкции делают из:

Поликарбоната. По своим характеристикам схож с закаленным стеклом, имеет тепло- и звукоизоляционные свойства;

Закаленного стекла, триплекса. Прочное, способно выдержать большие нагрузки (Приложение, Рисунок 3.4).

Существует только два способа перемещения укрывных конструкций: ручной и автоматический.

Крыши с автоматическим способом перемещения снабжены электропривода, которые запускаются с помощью дистанционного пульта или кнопки. Такие конструкции снабжены дополнительными датчиками, которые подают команды на закрытие или открытие укрывных конструкций. Это могут быть датчики температуры и датчики осадков.

Преимущества раздвижных укрывных конструкций:

Естественное освещение

Экономия электроэнергии

Возможность проветривания помещений

Материалы укрывных конструкций выдерживают большие нагрузки

Необычный внешний вид

Пропускная способность света

Сегодня раздвижные укрывные конструкции используются в основном в сооружениях спортивного, развлекательного и культурного назначения.

Глава 5. Создание и демонстрация модели «Любимые аттракционы круглый год» на базе конструктора LegoWeDo 1.0

Мы выяснили, что наш любимый аттракцион «Автодром» на Цветном бульваре работает и зимой, и летом, однако зимой приходится очищать его от снега, посетителей очень мало, так как холодно и ветрено. И почти всю зиму 3 машинки из 6 стоят укрытые в ожидании лета. С другой стороны, каток на Цветном бульваре работает только зимой, а летом не работает. В городе только один крытый каток, который работает летом.

Мы решили придумать укрывную конструкцию для поддержания нужной температуры для каждого из этих развлечений. Однако, укрывная конструкция для автодрома нужна только зимой, а для катка только летом! Тогда мы решили придумать передвижную укрывную крышу!

Перед созданием нашей модели, мы познакомились с несколькими интересными механизмами передвижных укрывных конструкций. В основе движения этих конструкций – перемещение укрытия в горизонтальной плоскости. Мы решили использовать другой механизм – систему рычагов.

Мы приступили к созданию нашего проекта «Любимые аттракционы круглый год» на базе конструктора Lego WeDo 1.0. Нас четверо, мы назвали нашу команду ЛегоБум ((Приложение. Рисунок 5.1).

5.1 Размещение аттракциона «Автодром» и катка на пластине Лего.

Мы начали свою модель с конструирования помещений Автодрома и катка: разместили их на небольшом расстоянии друг от друга так, чтобы укрывная конструкция могла точно перемещаться на рычагах с одного помещения на другое. Расстояние между помещениями получилось длиной в 1 рычаг. Автодром расположился слева, каток – справа.

По периметру каждого помещения расставили прозрачные блоки, т.к. помещения должны быть светлые (Приложение. Рисунок 5.1.1). Вход в каждый аттракцион оформили в виде арки. Рядом с входом установили скамейки и высокие фонари. Между аттракционами поставили кассу.

5.2 Создание механизма движения человечков на катке

В нашем проекте человечки Лего должны как будто кататься по льду. Для этого мы установили каждого человечка на большую шестерню. Всего использовали 7 больших шестерней. Все шестерни собрали в длинную зубчатую передачу. Чтобы привести в движение эту зубчатую передачу, установили мотор, на его ось одели коронную шестерню, которая пришла в зацепление с промежуточной средней шестерней, которая привела в движение первую большую шестерню из длинной зубчатой передачи (Приложение, Рисунок 5.2.1).

В результате, при тестовом запуске все человечки кружились на шестеренках, что очень было похоже на фигурное катание.

5.3 Создание механизма движения машинок на автодроме

Движение машинок на автодроме всегда хаотичное и непредсказуемое. Для этого мы установили 4 машинки на рычаги, рычаги прикрепили на большую шестерню на свободные штифты. Получилось, что рычаги будут на этих штифтах двигаться на шарнирах. Большую шестерню мы установили в центре автодрома и привели её в движение с помощью мотора через понижающую зубчатую передачу под углом в 90° (Приложение, Рисунок 5.3.1): мотор вращает ведущую коронную шестерню, она передает движение по очереди промежуточной средней и большой шестерням, последняя вращает ведомую большую шестерню с рычагами и машинками. В нашем проекте 4 машинки, они двигаются на рычагах, которые установлены на ведомой шестерне в длинной зубчатой передаче, работающей от мотора.

В результате, мы увидели хаотическое движение машинок на рычагах в момент включения, выключения мотора и смены направления вращения. Когда мотор работал с постоянной скоростью, машинки вращались вместе с шестерней, не совершая дополнительных колебаний на рычагах.

5.4Установка укрывной конструкции. Башенный кран.

Мы сконструировали крышу размером с одно помещение и установили её на 8 рычагов: по 4 рычага с каждой стороны (Приложение, Рисунок 5.4.1). На этом этапе крыша получилась на шарнирах: при подъеме вверх и смещении в противоположную от начального положения сторону, крыша передвигалась на второе помещение.

Для подъема крыши и перемещения её в сторону было решено установить башенный кран (Приложение, Рисунок 5.4.2). Он будет выполнять 3 действия: подъём, поворот, опускание. Для подъема крыши установили лебедку, которую приводит в движение мотор. Для поворота крана использовали ещё один мотор и червячную передачу, она сильная, прочная и медленная, что является необходимым условием для безопасного перемещения укрывной конструкции. Кран тянет лебедку и поворачивается, тем самым крыша поднимается и передвигается в другое положение. Далее кран отпускает лебедку и крыша опускается.

5.5Создание устройства для демонстрации времени года

Для того, чтобы каток и автодром функционировали круглый год, их надо закрывать в определенные время года: каток – летом, автодром – зимой. Для условного сигнала о смене времени года мы установили поворотную конструкцию «Клумба-Сугроб». Работает конструкция от мотора, механизм поворота понижающая зубчатая передача (Приложение, Рисунок 5.5.1).

На конструкции установили датчик наклона. Именно он подает сигнал нашей модели о смене времени года. Летом устройство поворачивается клумбой вверх, в этот момент датчик наклона приходит в положение носом вверх, зимой устройство демонстрирует сугроб, датчик наклона опускается носом вниз.

5.6Программа и демонстрация проекта.

Мы создали наш проект на базе конструктора Lego WeDo 1.0. Всего в нашем проекте 5 моторов, сигнал о смене времени года подает датчик наклона. Проект запускается от одного компьютера. Программа проекта представлена на Рисунке 5.6.1 Приложения. Передача сигнала от одной программы к другой о включении моторов осуществляется с помощью писем.

Каждый раз, когда происходит смена времени года, срабатывает датчик наклона, в этот момент движение на автодроме и катке останавливается, крыша перемещается на соседнее помещение и работа аттракционов возобновляется.

Мы успешно продемонстрировали наш проект «Любимые аттракционы круглый год» в нашей школе » (Приложение, Рисунок 5.6.2) и на нескольких соревнованиях:

23 января 2020 состоялся Региональный робототехнический фестиваль «Робофест Тюмень-2020» и наша команда победила в номинации «Творческий подход в исследованиях» (Приложение, Рисунок 5.6.3);

13-15 февраля 2020 мы участвовали во Всероссийском чемпионате First Russa Robotics Chempionship в г. Красноярск, победили в номинации «Удивительное движение» (Приложение, Рисунок 5.6.4).

Заключение

Мы очень любим Тюмень! В нашем городе много исторических памятных мест, мест для отдыха всей семьей и развлечений. Он очень быстро растет, появляются новые жилые районы. Мы побывали на экскурсиях в новых жилых комплексах: ЖК «Ожогино» и ЖК «Преображенский». Увидели современные детские и спортивные площадки. Однако, экскурсии проходили зимой, и почти все игровые формы были спрятаны под снегом и нам не удалось поиграть. Нам очень захотелось найти развлечения зимой в нашем городе, и мы отправились на Цветной бульвар в парк аттракционов. Многие аттракционы тоже оказались закрыты. А те, которые были открыты, пустовали. Посетители не спешили развлекаться в мороз при сильном ветре.

Мы узнали, что наш любимый аттракцион «Автодром» на Цветном бульваре работает и зимой, и летом, однако зимой приходится очищать его от снега, посетителей очень мало, так как холодно и ветрено, и почти всю зиму 3 машинки из 6 стоят укрытые в ожидании лета. С другой стороны, каток на Цветном бульваре работает только зимой, а летом не работает. Мы определили проблему: зимой Захар и многие ребята не могут кататься на любимых машинках на автодроме, а летом Андрей со своей семьей и другими жителями нашего города скучают по конькам и катку.

Мы изучили условия работы этих двух развлекательных зон для комфортного отдыха наших горожан. Чтобы каток работал летом, нужно поддерживать температуру воздуха около +17°С, льда -2…-5°C. На автодроме достаточно поддерживать плюсовую температуру зимой (+4/+10°C) и посетителей станет больше.

Чтобы выполнить эти условия мы нашли решение - укрывная конструкция для поддержания нужной температуры. Однако, укрывная конструкция для автодрома нужна только зимой, а для катка только летом! Тогда мы решили придумать передвижную укрывную крышу! Перед созданием нашей модели, мы познакомились с несколькими интересными механизмами передвижных укрывных конструкций.

В нашем проекте мы разместили каток и автодром рядом, сверху придумали передвижную крышу. Эта крыша будет защищать от ветра, снега, изменения температуры по очереди каток и автодром. Механизм нашей крыши – это система нескольких рычагов, скрепленных друг с другом штифтами-шарнирами. Крышу поднимает, перемещает и опускает башенный кран. Работу всех движимых частей нашего проекта осуществляет 5 моторов, сигнал о смене времени года поступает от датчика наклона. Даш проект успешно демонстрирует работу любимых аттракционов круглый год!

Мы жители современного яркого динамичного города! В любое время года нам хочется посещать любимые аттракционы. Наша конструкция поможет защитить от погодных явлений и поддержать нужную температуру зимой для автодрома, летом для катка. Такие конструкции можно использовать для защиты и других аттракционов.

Мы думаем, что наша идея поможет инженерам-конструкторам сделать наш город ещё более динамичным и ярким.

Список используемой литературы:

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 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

Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.;

Интернет источники:

https://more-dokladov.ru/doklad-soobshchenie/raznoe/gorod-tyumen;

https://www.topkurortov.com/dostoprimechatelnosti-tyumeni/;

https://tmn.aif.ru/ny/katki_v_tyumeni_gde_tyumency_mogut_veselo_i_aktivno_otdohnut_zimoy;

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BA

http://ru.wikipedia.org;

https://weburok.com;

https://park-trade.ru/autodrom.php;

https://vipidei.com/uslugi/industriya-razvlechenij/avtodrom/;

https://m-strana.ru/articles/sdvizhnaya-krysha/.

Приложение