Редактирование: Машина Голдберга: Новый год

'''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==
===Актуальность===
Актуальность данного проекта заключается в том, что при создании машины Голдберга можно найти практическое применение курсу теоретической механики и научиться использовать оборудование для цифрового производства DFKit, а именно ЧПУ лазерный станок, а так же научиться нестандартно использовать подручные материалы.
===Цель проекта===
Создать машину Голдберга, которая посредством выполнения цепочки действий, поздравит всех с Новым годом.
===Задачи проекта===
# Определить последовательность действий, которые будут выполняться машиной Голдберга
# Создать схему машины Голдберга
# Подобрать необходимые для создания проекта материалы, предметы и инструменты из предложенных на конкурсе 
# Произвести необходимые расчеты
# Сделать отдельные части проекта
# Собрать машину Голдберга
# Произвести пробные запуски и устранить недочеты
# Произвести показательный запуск машины Голдберга
# Снять результат на видео
# Создать вики-страницу проекта

===Проектная команда===
'''Группа 3532704/80002'''
* Прокофьев Виктор
* Бутяева Арина
* Старостенко Анастасия
* Дюков Никита
* Борисов Евгений
* Ведмедь Никита
* Скогликов Иван
* Бессонов Никита
* Хаджибеков Юрий
* Хоанг Као Бинь
* Ольга Хвещук

==Работа по проекту==
===Действия, выполняемые машиной Голдберга===
[[File:Sketch of the Goldberg's machine.png|thumb|Схема устройства машины Голдберга, запускающей видео на ноутбуке]]
# Шар предыдущей конкурсной машины толкает заготовленный заранее шар №1, который запускает нашу машину
# Шар №1 катится по горке под действием силы тяжести, попадает в винтовой спуск
# Вылетевший из винтового спуска шар №1 приводит в движение колыбель Ньютона
# Крайний шар колыбели Ньютона толкает домино
# Падающие домино создают цепную реакцию и сбивают домино на ступенях лестницы
# Домино на верхней ступени лестницы падает на плечо рычага
# Противоположное плечо толкает шар №2
# Шар №2 катится по платформе и падает в стакан №1, связанный двумя неподвижными блоками со стаканом №2
# Стакан №2 поднимается и наклоняет небольшую платформу со стоящим на ней шаром №3
# Шар №3 закатывается в трубу, ведущую к следующей машине Голдберга
===Материалы и предметы для создания проекта===
* Мячики
* Трубы
* Изолента
* Шланг от пылесоса
* Домино из фанеры
* Капроновые нитки
* Картон
* Фанера
* Стаканчики
* Деревянные палочки
* Кабель канал 
* Стяжки
* Гвозди
* Саморезы
* Гайки
* Скотч
===Инструменты для создания проекта===
* ЧПУ лазерный станок DFKit
* Электроинструмент
* Ручной инструмент

===Этапы создания проекта===
{| class="wikitable"
|-
|'''Срок'''
|'''Задача'''
|'''Возникающие проблемы'''
|'''Что сделано к сроку'''
|-
| 05.09.19
| Придумать основной сюжет для действий Машины Голдберга. Определить конкретные шаги и  их последовательность в машине.
| Каждый предлагает свои идеи. Возникли разногласия по некоторым пунктам.
| Определен основной сюжет.
|-
| 12.09.19
| Окончательно определить последовательность действий машины Голдберга. Нарисовать схему поочередных шагов.
| Нашли компромисс и разделили область ответственности, что предотвращало возможные будущие конфликты  
| Определена последовательность, сделан набросок действий.
|-
| 19.09.19
| Наметить, из каких материалов будет собран наш проект. Определиться, где их будем брать.
| Материалы было решено искать среди остатков от производства. Взяли все, что было не жалко.
| Все шаги были проанализированы и на основе этого необходимые материалы были найдены.
|-
| 26.09.19
| Найти предметы и инструменты для создания Машины.
| С этим проблем не возникло. В ФабЛабе есть все необходимые инструменты: помимо всевозможных ручных инструментов, ЧПУ лазерный станок DFKit, 3D принтер DFKit и т.д.
| Было найдено все необходимое.
|-
| 03.10.19
| Разбор этапов для расчетов. Распределение обязанностей и сферы влияния между участниками команды.
| Сложности в определении задачи в целом.
| Начали решать проблему с расчетами.
|-
| 10.10.19
| Начало расчетов
| Возникли проблемы с решением задач. 
| Определились до конца с расчетами.
|-
| 17.10.19
| Продолжение расчетов
| Трудности с определением, какие законы необходимо применять при том или ином шаге.
| Выполнили часть расчетов.
|-
| 24.10.19
| Анализ этапов
| Придуманная изначально система с блоками и закрывающимися ножницами, перерезающими нить, оказалась сложна в расчетах и реализации.
| Решили убрать систему с ножницами из проекта.
|-
| 31.10.19
| Закончить с расчетами.
| Сложности в объяснении друг другу смысла своих расчетов. 
| Решили все задачи, выполнили и подвели итоги всех расчетов.
|-
| 7.11.19
| Создать схему.
| Понять, как целесоообразнее будет разделить этапы между участниками команды.
| Распределили этапы между собой. Каждый участник сделал чертеж своего этапа. Объединили все части в единое целое.
|-
| 14.11.19
| Сделать лестницу, домино, желобы, привязать шарики
| Отсутствие навыков работы с инструментами. 
| Разделили работу по группам. Изучили, как работать с лазерным станком и 3D принтером, сделали с их помощью необходимые части проекта. Было сделано всё, что планировалось. 
|-
| 23.11.19
| Собрать всё вместе. Оформить деревянный куб в задуманном стиле, добавить декор. Сделать пробные запуски.
| Достаточно долго и нервно расставлять домино перед каждым запуском. Но на этом этапе проблем с функционированием не возникло.
| Собранная машина Голдберга отработала так, как и задумывалось, с первого же запуска. 
|-
| 24.11.19
| Съемка и монтирование видео. Презентация машины Голдберга и контрольный запуск в цепочке других машин в формате конкурса "Вызов 2035"
| Не смогли удачно состыковаться с машиной, стоявшей до и после нас. Также мяч, вылетавший из машины наших коллег не подходил по размеру для старта нашей конструкции. 
|  Приняли меры и поменяли положение входной и выходной труб. Поставили подпорку для закрепления вылетающего мячика и привели в граничное состояние между покоем и движением наш первый шар. Сняли итоговое видео результата
|-
| 14.12.19
| Создать вики-страницу проекта
| Отсутствие знаний о создании вики-страниц
| Результатом является данная страница
|}

==Расчеты элементов проекта==
*Расчет расстояния и угла, на который необходимо отклонить маятник, чтобы он сбил домино
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible-content"> 
[[File:Угол маятника.png|thumb|250px|Схема для расчета расстояния и угла, на который надо отклонить маятник]]
::<math>Дано:</math>
::<math>r_{1}=0{,}02~м</math>
::<math>l=0{,}07~м</math>

::<math>Найти:~\alpha ,~r</math>

::<math>Решение:</math>
::<math>r_{1}=l\cdot sin\alpha _{1}</math>
::<math>\alpha _{1}=arcsin(r_{1}/l)</math>
::<math>\alpha = 3\alpha _{1} = 3arcsin(r_{1}/l)</math>
::<math>r=l\cdot sin\alpha = l\cdot sin(3arcsin(r_{1}/l)) = 0{,}07\cdot sin(3arcsin(0{,}02/0{,}07))= 0{,}054~м</math>
::<math>\alpha = 3arcsin(0{,}02/0{,}07) = 49{,}8^\circ </math>

::<math>Ответ:</math>
::<math>r=0{,}054~м,~\alpha =49{,}8^\circ </math>

</div>
</div>


*Проверка условия движения рычага №2 в результате падения шарика №1 на рычаг №1
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible-content"> 
[[File:Рычаги.png|thumb|300px|Схема взаимодействия шарика и двуплечих рычагов]]
::<math>Дано:</math>
::<math>m_{шар}=0{,}03~кг</math>
::<math>m_{рыч}=0{,}1~кг</math>
::<math>h=0{,}1~м</math>

::<math>Решение:</math>
::<math>Перед ~соударением ~шарика ~с ~рычагом ~по ~закону ~сохранения ~энергии:</math>
::<math>m_{шар}gh=\frac{m_{шар} \cdot v_{шар}^2}{2}</math>
::<math>v_{шар}=\sqrt {2gh}=1{,}41~м/с </math>
::<math>После ~соударения ~по ~закону ~сохранения ~энергии:</math>
::<math>\frac{m_{шар} \cdot v_{шар}^2}{2}=\frac{m_{рыч} \cdot v_{рыч}^2}{2} + \frac{m_{шар} \cdot v_{шар~после}^2}{2}</math>
::<math>По~закону ~сохранения ~импульса:</math>
::<math>m_{рыч} \cdot v_{шар} = \frac{m_{рыч} \cdot v_{рыч}}{2} + v_{шар~после}\cdot m_{шар}</math>
::<math>v_{рыч} = \frac{2\cdot m_{шар} \cdot v_{шар}}{m_{шар}+m_{рыч}/2} = \frac{2\cdot 0{,}03 \cdot 1{,}41}{0{,}03+0{,}1/2} = 1{,}065~м/с</math>
::<math>По~закону ~сохранения ~импульса:</math>
::<math>m_{шар} \cdot v_{шар} = m_{шар} \cdot v_{шар~после} + \frac{m_{рыч} \cdot v_{рыч}}{2}</math>
::<math>Чтобы ~привести ~в ~движение ~рычаг ~№2, ~необходимо:</math>
::<math>v_{рыч}>\sqrt {gh}=1 ~м/с</math>

::<math>Ответ:</math>
::<math>v_{рыч}=1{,}065~м/с~>\sqrt {gh}=1 ~м/с,~следовательно, ~вторая ~балка ~придёт ~в ~движение.</math>

</div>
</div>


*Расчет импульса, который необходимо придать тележке для начала её движения вниз по склону
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible-content"> 
[[File:Тележка схема.png|thumb|200px|Схема для расчета импульса, необходимого для начала движения тележки]]
::<math>Дано:</math>
::<math>m_{тележка}=0{,}15~кг</math>
::<math>t=1~c</math>
::<math>\alpha=45^\circ</math>
::<math>\mu=0{,}2</math>

::<math>Найти:~p</math>

::<math>Решение:</math>
::<math>p=F_{взаимод}\cdot t</math>
::<math>\vec{F} + \vec{N} + m\vec{g} = 0</math>
::<math>OX:~-F_{тр}+mg\cdot sin\alpha = 0</math>
::<math>OY:~N=mg\cdot cos\alpha</math>
::<math>F_{тр}=\mu \cdot N=\mu \cdot mg\cdot sin\alpha</math>
::<math>F_{тр}=0{,}2\cdot 0{,}15\cdot 10\cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = 0{,}21~H</math>
::<math>p=0{,}21\cdot 1 = 0{,}21~\frac{кг\cdot м}{с}</math>

::<math>Ответ:</math>
::<math>p=0{,}21~\frac{кг\cdot м}{с}</math>

</div>
</div>


*Расчет скорости, с которой должна ехать тележка, чтобы запустить цепную реакцию падающих домино
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible-content"> 
[[File:Тележка и домино.png|thumb|300px|Схема для расчёта скорости, с которой тележка должна сбивать домино]]
::<math>Дано:</math>
::<math>m_{тележка}=0{,}15~кг</math>
::<math>m_{домино}=0{,}02~кг</math>
::<math>t=1~c</math>

::<math>Найти:~v</math>

::<math>Решение:</math>
::<math>p=F_{взаимод}\cdot t</math>
::<math>F_{взаимод}>F_{т.домино}=m_{домино}\cdot g = 0{,}02\cdot 10 = 0{,}2~H</math>
::<math>p_{тележка}=m_{тележка}\cdot v</math>
::<math>v=\frac{p_{тележка}}{m_{тележка}}</math>
::<math>p_{тележка}=p=F_{т.домино}\cdot dt</math>
::<math>v=\frac{F_{т.домино}\cdot dt}{m_{тележка}} = \frac{0{,}2\cdot 1}{0{,}15} = 1{,}33~м/с</math>

::<math>Ответ:</math>
::<math>v=1{,}33~м/с</math>

</div>
</div>


*Расчет массы рычага для нажатия на кнопку компьютерной мыши
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible-content"> 
::<math>Минимальное ~значение ~силы ~для ~нажатия ~кнопки:~F=0{,}68~H</math>
::<math>F=m\cdot a=m\cdot g</math>
::<math>m=\frac{F}{g} = \frac{0{,}68}{10} = 0{,}069~кг</math>

::<math>Ответ:</math>
::<math>m=0{,}069~кг</math>

</div>
</div>

==Результаты по проекту==
Машина Голдберга выполняет необходимую задачу: нажимает на кнопку для запуска видео. В процессе расчетов и пробных запусков пришлось убрать или модифицировать некоторые этапы. Вычисления немного подвели: пришлось исправлять высоту и длину некоторых конструкций. Возможно, если потестировать побольше, выявились бы еще несовершенства.

Видео запуска машины Голдберга.

{{#widget:YouTube|id=QhjAM8IdloU}}

Видео показывает рабочий процесс создания машины Голдберга.

{{#widget:YouTube|id=nUgb1Yq4_qE}}

==Литература и ссылки==
# [https://dzhmao.ru/info/instruktsiya-po-okazaniyu-pervoy-dovrachebnoy-pomoshchi-.php Инструкция по оказанию первой доврачебной помощи]
# [https://ohranatruda.ru/ot_biblio/instructions/166/146184/ Инструкция по охране труда при работе с ручным инструментом]
# [https://ru.wikihow.com/%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D1%82%D1%8C-%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D1%83-%D0%A0%D1%83%D0%B1%D0%B0-%D0%93%D0%BE%D0%BB%D0%B4%D0%B1%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B0-%D1%81%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D0%BC%D1%83 Как создать машину Руба Голдберга самому]
# [http://isopromat.ru/teormeh/kratkaja-teoria Краткая теория по теоретической механике]
# [https://ru.wikipedia.org/wiki/Машина_Голдберга Машина Голдберга]
# [http://dfkit.ru Методическое пособие по использованию 3D принтера DFKit]
# [http://dfkit.ru Методическое пособие по использованию ЧПУ лазерного станка DFKit]
# Примеры различных машин Голдберга:
     [https://www.youtube.com/watch?v=6FzUx2EFk8s 75 Rube Goldberg Ideas & Inventions | DoodleChaos]
     [https://www.youtube.com/watch?v=UFSn8IwgQfw The Dresser - Rube Goldberg Machine for Getting Dressed | Joseph's Machines]
     [https://www.youtube.com/watch?v=Di352crQeMA Marble run | Vivify cg]
     [https://www.youtube.com/watch?v=0tRaSUwh5gM Мастерская Голдберга | СПб и Мск | Лекториум]