Новогодняя машина голдберга

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 на практике применить знания полученные на лекциях по теоретической механики и научиться использовать оборудование для цифрового производства DFKit. В частности и ЧПУ лазерный станок.

Цель проекта

Создать машину Голдберга, которая будет выполнять цепочку взаимодействий, приводящих к сбиванию кеглей в виде ёлок.

Задачи проекта

1. Определить последовательность действий, которые будут выполняться машиной Голдберга
2. Подобрать необходимые материалы, предметы и инструменты для создания проекта
3. Произвести расчеты и вычисления для определения параметров отдельных частей проекта
4. Создать схему машины Голдберга
5. Сделать отдельные части проекта
6. Собрать машину Голдберга
7. Произвести пробные запуски и устранить недочеты
8. Смонтировать видео
9. Произвести показательный запуск машины Голдберга
10. Создать вики-страницу проекта

Проектная команда

Группа 3532704/80001

• Кирюшин Виталий Алексеевич
• Гуськов Кирилл Сергеевич
• Бевз Игорь Викторович
• Худяков Артём Андреевич

Работа по проекту

Действия, выполняемые машиной Голдберга

Схема устройства машины Голдберга, играющей в боулинг

1. Стальной шарик скатывается по наклонной плоскости и ударяется в спиннер
2. Спиннер передаёт импульс домино
3. Домино толкает спиннер №2
4. Спиннер №2 толкает Стеклянный шарик
5. Стеклянный шарик скатывается по ступенькам, падает на наклонную плоскость и сбивает кегли, в виде новогодних ёлок

Материалы и предметы для создания проекта

• Стеклянный шарик
• Стальной шарик
• Фанера
• Доски
• Клей
• Крепежные уголки
• Веревка
• Гвозди
• Саморезы
• Гайки
• Скотч

Инструменты для создания проекта

• ЧПУ лазерный станок DFKit
• Электроинструмент
• Ручной инструмент

Этапы создания проекта

Срок	Задача	Возникающие проблемы	Что сделано к сроку
27.09.18	Определить последовательность действий машины Голдберга	Каждый предлагает свои идеи. Возникли разногласия по некоторым пунктам.	Определена основная последовательность.
04.10.18	Окончательно определить последовательность действий машины Голдберга		Определена последовательность, сделан набросок действий.
11.10.18	Найти материалы для проекта	Материалы было решено искать среди остатков от производства. Взяли всё.	Необходимые материалы были найдены.
18.10.18	Найти предметы и инструменты для проекта	С этим проблем не возникло. В ФабЛабе есть все необходимые инструменты: ЧПУ лазерный станок DFKit, 3D принтер DFKit и т.д.	Было найдено все необходимое.
25.10.18	Разбор этапов для расчетов	Сложности в определении задачи в целом	Начали решать проблему с расчетами.
01.11.18	Начало расчетов	Возникли проблемы с решением задач.	Определились до конца с расчетами. Разделили задания по группам.
08.11.18	Продолжение расчетов	Трудности с определением, какие законы необходимо применять	Выполнили часть расчетов.
15.11.18	Анализ этапов	Пружинящая поверхность оказалась сложна в расчетах и реализации.	Решили убрать пружинящую поверхность из проекта.
22.11.18	Закончить расчеты	Сложности в подведении итогов расчетов	Решили все задачи, выполнили все расчеты.
29.11.18	Создать схему	Понять, как лучше распределить этапы	Распределили этапы по группам. Каждая группа сделала чертеж своего этапа. Объединили все части в единое целое.
06.12.18	Сделать наклонную плоскость, ступеньки, 70 домино	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.
13.12.18	Покрасить домино. Собрать всё вместе. Сделать пробные запуски.		Попытались несколько раз запустить машину. Устранили недочёты, выявленные на пробных запусках.
20.12.18	Монтирование видео. Презентация машины Голдберга		Решили покрасить нашу машину Голдберга в новогоднем стиле, чтобы она имела более презентабельный вид.
25.12.18	Создать вики-страницу проекта	Отсутствие знаний о создании вики-страниц	Результатом является данная страница

Расчеты элементов проекта

• Расчет импульса, который передастся спиннеру №1, когда в него ударится шарик стальной (Кирюшин В.А.)

Схема расчета импульса, который передастся спиннеру №1, когда в него ударится шарик стальной

[math]Дано:[/math]

[math]h=0{,}13~м[/math]

[math]m_{шарика}=1~гр[/math]

[math]v_{0}=0\frac{м}{с}[/math]

[math]Найти:~p[/math]

[math]Решение:[/math]

[math]\frac{mv_{1}^2}{2}=mgh-\frac{I_{0}ω^2}{2}[/math]

Так как шар катится по желобу прямоугольного сечения, его угловую скорость следует вычислять по формуле ω=V/R. Используя формулы: момент инерции шара относительно его центра масс I0=0,4mR2, R – радиус шара; V=ωR – связь между линейной и угловой скоростью, получим:

[math]mgh = 0{,}7mv^2[/math]

[math]v_{1}=\sqrt{\frac{gh}{0{,}7}} [/math]

[math]p = mv_{1} = m\sqrt{\frac{gh}{0{,}7}} = 0{,}0014~\frac{кг\cdot м}{c}[/math]

[math]Ответ:[/math]

[math]p=0{,}0014\frac{кг\cdot м}{с}[/math]

• Расчёт минимальной силы, которую нужно приложить к домино, чтобы перевернуть её (Худяков А.А.)

Схема для расчёта минимальной силы, которую нужно приложить к домино, чтобы перевернуть её

[math]Дано:[/math]

[math]m = 0{,}016~кг[/math]

[math]h=0{,}05~м[/math]

[math]l=0{,}008~м[/math]

[math]Решение:[/math]

В момент удара спиннера об домино, она начинает поворачиваться вокруг ребра А. Сила реакции опоры и трения покоя, приложены к этому ребру. Тогда как сила тяжести приложена к центру масс домино.

Вращение начинается при условии, что момент силы F (спиннера), компенсирует момент силы тяжести.

[math]Fh\ge mg\frac{l}{2}[/math]

[math]F=\frac{l}{2h}\cdot mg = 0,0128‬~Н[/math]

[math]Ответ:[/math]

[math]F=0,0128‬~Н[/math]

• Расчет силы необходимой, чтобы сдвинуть стеклянный шарик с места (Гуськов К.С.)

Схема для расчёта силы необходимой, чтобы сдвинуть стеклянный шарик с места

[math]Дано:[/math]

[math]m_{шар}=0{,}021~кг[/math]

[math]μ=0,5[/math]

[math]Найти:~F[/math]

[math]Решение:[/math]

[math]F\ge F_{трения}[/math]

[math]F\ge μmg[/math]

[math]F_{min} = μmg = 0,105~Н[/math]

[math]Ответ:[/math]

[math]F\ge 0,105~Н[/math]

• Расчет начальной скорости стеклянного шарика (Бевз И.В.)

[math]Дано:[/math]

[math]b = 0{,}048~м[/math]

[math]h = 0{,}008~м[/math]

[math]Найти:~v_{нач}[/math]

[math]Решение:[/math]

Расчитаем начальную скорость, чтобы шарик упал на первую ступеньку Уравнение движения по горизотали: vt По вертикали: [math] \frac{gt^2}{2} [/math] Если шарик упадет на n-ю ступеньку то по горизотаи он пройдет n*h по горизонтали n*b

Тогда найдем время за которое он упадет на n-ю ступеньку:

[math] \frac{gt^2}{2} = nh [/math]

[math] t =\sqrt{\frac{2nh}{g}} [/math]

[math] x = \frac{\sqrt{2nh}}{g} [/math]

и тогда получается что это расстояние должно быть меньше n*b чтобы шарик упал на первую ступеньку 1*n

[math] 1\lt \frac{2v^2h}{gb^2} [/math]

отсюда находим начальную скорость

[math] v = \sqrt{\frac{gb^2}{h}}[/math]

[math]Ответ:[/math]

[math]v = 0{,}139~\frac{м}{c}[/math]

Результаты по проекту

Машина Голдберга выполняет необходимую задачу: сбивает кегли. 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 недочёты.

Видео запуска машины Голдберга.

Литература и ссылки

1. Инструкция по оказанию первой доврачебной помощи
2. Инструкция по охране труда при работе с ручным инструментом
3. Как создать машину Руба Голдберга самому
4. Краткая теория по теоретической механике
5. Машина Голдберга
6. Методическое пособие по использованию 3D принтера DFKit
7. Методическое пособие по использованию ЧПУ лазерного станка DFKit