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».
Содержание
Описание
Актуальность
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
Создать машину Голдберга, которая будет выполнять определённую последовательность действий, в результате которых будет полита рассада.
Задачи проекта
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
Студентка Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого инженерно-строительного института группы 3130801/90011 Марченко Елизавета Сергеевна.
Работа над проектом
Действия, выполняемые машиной Голдберга
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.
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
• Цилиндрический объект
• Грузы
• Рулетка
• Нитки
• Банки
• Вода
• Стакан
• Ткань
• Мячик
• Свечка
• Клей
• Доски
• Книги
• Скотч
• Стул
• Шурупы
• Табуретка
• Бумага
Инструменты для создания проекта
• Ножницы
• Нож
• Шуруповёрт
• Шило
• Пила
Этапы создания проекта
| 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
машины Голдберга. Нарисовать схему установки. |
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
1 Цилиндрический объект катится по наклонной поверхности, падает в ёмкость, прикреплённую к первому грузу. Система, состоящая из двух грузов, связанных нерастяжимой нитью, ёмкости и цилиндрического объекта приходит в движение. Второй груз поднимается, и рулетка освобождается. Необходимо рассчитать, какое ускорение имел второй груз, если он поднялся на высоту рулетки (6,4 см) за 2 секунды. Решение доступно по ссылке:
2 Рулетка освобождается от второго груза. Её начальная скорость равна 0 м/с. На рулетку действует постоянная сила упругости и постоянная сила трения. Рулетка движется равноускорено, прямолинейно. Через 0,8 секунды после начала движения рулетка сталкивается со стаканом. Расстояние, которое она прошла – 43 см. Необходимо рассчитать, какую скорость имела рулетка в момент столкновения. Решение доступно по ссылке:
3 Стакан, после удара рулеткой, катится по круговой траектории, поворачивается на 90 за 2,1 секунды. Найдём угловую скорость этого стакана. Решение доступно по ссылке:
4 Свечка изначально должна стоять на наклонной плоскости и не катится по ней. Необходимо рассчитать максимальный угол наклона плоскости, при котором свечка всё ещё будет стоять на ней. 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:
5 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 граммов 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:
6
Результаты проекта
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/1w1pqLi9YWFq9A10wxjItrHFwrH3OtphY/view?usp=sharing
Литература и ссылки 1. Машина Голдберга. http://genius.pstu.ru/file.php/1/pupils_works_2018/Epifanov_Sergej_Kondratenkov_Valerij.pdf
2. Краткий курс теоретической механики. http://ak.r5s.ru/0AKF3/EXZ/3sTM/tm_m1-4_uchebnik_kratkij_kurs_teoreticheskoj_mekha.pdf
3. Примеры машин Голдберга. https://www.mirf.ru/science/chto-takoe-mashina-goldberga/
4. Как создать машину Руба Голдберга самому? 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
5. Инструкция по оказанию первой помощи. http://ohranatruda31.ru/ohrana-truda/instruktsii-po-ohrane-truda/instruktsiya-po-okazaniyu-pervoj-pomoshchi.html
6. Виды конструкций машин Голдберга. http://goldbergclub.ru/vidy-mashin
7. Руб Голдберг. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D0%BB%D0%B4%D0%B1%D0%B5%D1%80%D0%B3,_%D0%A0%D1%83%D0%B1
8. Лига Голдберга. http://goldbergclub.ru/
