Машина Голдберга "Полив рассады"

Машина Голдберга (машина Руба Голдберга, машина Робинсона-Голдберга, Машина Робинсона или заумная машина) — это устройство, которое выполняет очень простое действие чрезвычайно сложным образом — как правило, посредством длинной последовательности взаимодействий по «принципу домино».

Описание[править]

Актуальность[править]

Идея создания машины Голдберга, сложного механизма для осуществления простого действия, появилась ещё в ХХ веке, но такие устройства до сих пор не утратили актуальности из-за интересного процесса создания. Конструирование машины позволяет наглядно продемонстрировать многие законы теоретической механики и классической физики в действии. В данном проекте необходимо умение нестандартно использовать подручные материалы и различные инструменты.

Цель проекта[править]

Создать машину Голдберга, которая будет выполнять определённую последовательность действий, в результате которых будет полита рассада.

Задачи проекта[править]

1. Определить последовательность действий, которые будут выполняться в машине Голдберга.

2. Создать схему машины Голдберга.

3. Произвести необходимые расчеты.

4. Подобрать необходимые для создания проекта материалы, предметы и инструменты.

5. Создать отдельные части машины Голдберга.

6. Произвести пробные запуски и устранить недочеты.

7. Объединить части и произвести итоговое тестирование.

8. Произвести показательный запуск машины Голдберга.

9. Снять результат на видео.

10. Создать вики-страницу проекта.

Автор[править]

Студентка Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого инженерно-строительного института группы 3130801/90011 Марченко Елизавета Сергеевна.

Работа над проектом[править]

схема проекта

Действия, выполняемые машиной Голдберга[править]

1. Цилиндрический объект катится по наклонной поверхности, падает в ёмкость, прикреплённую к первому грузу, связанному со вторым грузом нерастяжимой нитью, перекинутой через неподвижный блок.

2. Первый груз вместе с цилиндрическим объектом перевешивают второй груз, система, состоящая из двух грузов, связанных нерастяжимой нитью, ёмкости и цилиндрического объекта, приходит в движение.

3. Рулетка освобождается от второго груза, приходит в движение и ударяется о стакан, приводя его в движение. Стакан, после удара рулеткой, катится по круговой траектории, поворачивается на 90 градусов.

4. Стакан падает на ткань, с которой соскальзывает мячик. Мячик катится по наклонной плоскости и толкает свечку, стоящую на этой плоскости.

5. Мячик и свечка врезаются в вертикальную плоскость, останавливаются. Свечка пережигает нитку, на которой крепится груз.

6. Груз падает в сосуд с водой, тонет, вода в сосуде переливается через край в горшок с рассадой.

Материалы и предметы для создания проекта[править]

• Цилиндрический объект

• Грузы

• Рулетка

• Нитки

• Банки

• Вода

• Стакан

• Ткань

• Мячик

• Свечка

• Клей

• Доски

• Книги

• Скотч

• Стул

• Шурупы

• Табуретка

• Бумага

Инструменты для создания проекта[править]

• Ножницы

• Нож

• Шуруповёрт

• Шило

• Пила

Этапы создания проекта[править]

Срок	Задача	Воникшие проблемы	Выполненные работы
30.03.20	Придумать основной сюжет для действий машины Голдберга. Определить последовательность действий в машине.	Сложно совместить различные шаги друг с другом, чтобы создать единую машину.	Предварительно определена последовательность действий.
06.04.20	Окончательно определить последовательность действий.	Проблемы с графическим изображением машины Голдберга на плоскости в виде чертежа.	Окончательно определена последовательность действий и нарисована схема установки.
13.04.20	Продумать, из каких материалов будет собран проект, где их можно найти и взять.	Проблем не возникло.	Определены материалы, из которых будет собрана машина
20.04.20	Собрать предметы и инструменты, необходимые для создания машины.	Нехватка некоторых материалов. Сложность их нахождения из-за карантинных мер во время пандемии коронавируса.	Собраны все необходимые предметы и инструменты для машины.
23.04.20	Выполнить расчеты элементов машины.	Проблем не возникло.	Выполнены расчёты элементов машины Голдберга. Решены необходимые задачи.
24.04.20	Создание и тестирование 1 и 2 действия в машине.	Цилиндрический объект не попадает в сосуд, прикреплённый к 1 грузу, когда скатывается по наклонной плоскости.	1 и 2 действия в машине собраны и работают.
26.04.20	Создание и тестирование 3 и 4 действия в машине.	После того, как стакан падает на ткань, мячик не начинает двигаться.	3 и 4 действия в машине собраны и работают.
27.04.20	Создание и тестирование 5 и 6 действия в машине.	Нитка перегорает очень долго.	5 и 6 действия в машине собраны и работают.
28.04.20	Сборка всех действий машины и тестирование её работы.	Не все шаги в машине выполняются.	Все части машины, собранные ранее, были совмещены вместе.
02.05.20	Финальный запуск машины и видеосъёмка.	Лишь после многих попыток запуска машины удалось записать достаточно дублей для монтирования видео.	Записано много дублей для создания видео.
11.05.20	Смонтировать ролик.	Проблем не возникло.	Был смонтирован ролик, в котором показана работа машины Голдберга, разработанной в данном проекте.
18.05.20	Создание вики страницы проекта.	Отсутствие знаний о создании вики-страничек.	Была оформлена большая часть вики-страницы (разделы «Описание» и «Работа по проекту»).
25.05.20	Финальные редактирования вики страницы.	Проблемы с оформлением расчётов.	Результатом является данная страница.

Расчеты элементов проекта[править]

1. Цилиндрический объект катится по наклонной поверхности в течение 0,5с, падает в ёмкость, прикреплённую к первому грузу. Необходимо, чтобы цилиндрический объект упал в центр основания ёмкости. Рассчитаем расстояние d, между точкой, в которой должен находиться центр основания банки, и краем наклонной плоскости, по которой катится цилиндрический объект. Решение доступно по ссылке: здесь

2. Стакан, после удара рулеткой, катится по круговой траектории, поворачивается на 90 градусов за 2,1 секунды. Найти угловую скорость этого стакана. Решение доступно по ссылке: здесь

3. Свечка изначально должна стоять на наклонной плоскости и не катиться по ней. Необходимо рассчитать максимальный угол наклона плоскости, при котором свечка всё ещё будет стоять. Для этого сначала приведём плоскость в горизонтальное положение, прикрепим к свечке динамометр. Потянем динамометр. Как только свечка придёт в движение, зафиксируем значение силы, которое показывает динамометр. Это значение - сила трения свечки о поверхность, Fтр.=0,9 Н. Вес свечки: P=1,3 Н. Следовательно, коэффициент трения равен К=Fтр/P=0,69. Рассчитаем максимальный угол наклона плоскости. Решение доступно по ссылке: здесь

4. Груз подвешивается на нитке, которая перегорает, когда к ней приближается свечка. Чтобы определить максимальный вес груза, который может быть подвешен за эту нитку, проведём эксперимент. Возьмём нитку, закрепим её за один конец и будем вешать грузы различных масс на другой конец. Оказалось, что при массе груза 7350 грамм нитка рвётся, значит, максимальная сила натяжения нити Tmax=7,35кг*g=7,35кг*9,8Н/кг=72,03 Н. Найдём силу натяжения нити, убедимся, что она не порвётся. Решение доступно по ссылке: здесь

5. После того, как нитка перегорает, груз, прикреплённый к концу нитки, падает в кувшин с водой. Груз вытесняет воду, которая переливается в горшок с рассадой. Расстояние от нижней грани груза до водной поверхности равно 21 см. Груз движется только под действием силы тяжести. Необходимо рассчитать, через какое время после того, как нитка порвётся, груз коснется воды. Решение доступно по ссылке: здесь

ВТОРОЙ СЕМЕСТР[править]

1 задача https://drive.google.com/file/d/1i2Qg_oUtOSUKRnmfCO3k9OlcrpRr21I0/view?usp=sharing

2 задача https://drive.google.com/file/d/17gClTBQKEivA691Vwv19GS6Le4nSCGaT/view?usp=sharing

3, 4 и 5 задача https://drive.google.com/file/d/1pemh_RZP0isFWklj9nE-wmeL_gz2zJS4/view?usp=sharing

6 задача https://drive.google.com/file/d/1qhOOGsVEzuBKKBjQ7Qxqe8NILNMI_rSi/view?usp=sharing

Результаты проекта[править]

В результате проекта была достигнута поставленная цель: машина Голдберга работает и поливает рассаду в горшке. В процессе работы были выполнены все необходимые измерения и расчёты, произведены многочисленные пробные запуски. В ходе создания машины были изучены и продемонстрированы многие основные законы теоретической механики. В частности: статика твёрдого тела, кинематика твёрдого тела. Посмотреть видео машины Голдберга можно перейдя по ссылке: https://drive.google.com/file/d/1csQgpAbzyxeR6pMqqIB_g1UmuBAHKhB5/view?usp=sharing