Машина Голдберга, запускающая видео на ноутбуке — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(Расчеты элементов проекта)
(Расчеты элементов проекта)
 
(не показано 40 промежуточных версий 5 участников)
Строка 2: Строка 2:
 
==Описание==
 
==Описание==
 
===Актуальность===
 
===Актуальность===
Актуальность данного проекта заключается в том, что при создании машины Голдберга можно найти практическое применение курсу теоретической механики и научиться работать с оборудованием ФабЛаба, как с ручным инструментом, так и с цифровыми станками.
+
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. В частности 3D принтер и ЧПУ лазерный станок.
 
===Цель проекта===
 
===Цель проекта===
 
Создать машину Голдберга, которая будет выполнять цепочку взаимодействий, приводящих ко включению видео на ноутбуке.
 
Создать машину Голдберга, которая будет выполнять цепочку взаимодействий, приводящих ко включению видео на ноутбуке.
Строка 9: Строка 9:
 
# Подобрать необходимые материалы, предметы и инструменты для создания проекта
 
# Подобрать необходимые материалы, предметы и инструменты для создания проекта
 
# Произвести расчеты и вычисления для определения параметров отдельных частей проекта
 
# Произвести расчеты и вычисления для определения параметров отдельных частей проекта
# Создать чертеж машины Голдберга
+
# Создать схему машины Голдберга
 
# Сделать отдельные части проекта
 
# Сделать отдельные части проекта
 
# Собрать машину Голдберга
 
# Собрать машину Голдберга
Строка 15: Строка 15:
 
# Смонтировать видео
 
# Смонтировать видео
 
# Произвести показательный запуск машины Голдберга
 
# Произвести показательный запуск машины Голдберга
# Порадоваться
+
# Создать вики-страницу проекта
# Вспомнить, сколько у тебя еще долгов, и рыдать два часа
+
 
# Создавать эту вики-страницу вместо расчеток по вычмату
 
# Повторить п.11 необходимое количество раз
 
 
===Проектная команда===
 
===Проектная команда===
 
'''Группа 23533/1'''
 
'''Группа 23533/1'''
Строка 40: Строка 38:
 
==Работа по проекту==
 
==Работа по проекту==
 
===Действия, выполняемые машиной Голдберга===
 
===Действия, выполняемые машиной Голдберга===
[[File:Sketch of the Goldberg's machine.png|thumb|Набросок устройства машины Голдберга, запускающей видео на ноутбуке]]
+
[[File:Sketch of the Goldberg's machine.png|thumb|Схема устройства машины Голдберга, запускающей видео на ноутбуке]]
 
# Свечка на кексике пережигает верёвку, которая удерживает качающийся маятник
 
# Свечка на кексике пережигает верёвку, которая удерживает качающийся маятник
 
# Маятник качается и сбивает домино
 
# Маятник качается и сбивает домино
Строка 57: Строка 55:
 
# Рычаг №3 падает и нажимает на кнопку ноутбука
 
# Рычаг №3 падает и нажимает на кнопку ноутбука
 
# Видео включается
 
# Видео включается
 +
 
===Материалы и предметы для создания проекта===
 
===Материалы и предметы для создания проекта===
 
* Мячики
 
* Мячики
Строка 75: Строка 74:
 
* Скотч
 
* Скотч
 
===Инструменты для создания проекта===
 
===Инструменты для создания проекта===
* Лазерный станок
+
* ЧПУ лазерный станок DFKit
* Настольный сверлильный станок
+
* 3D принтер DFKit
* Лобзик
+
* Электроинструмент
* Пила ручная
+
* Ручной инструмент
* Молоток
+
 
* Отвертки
 
* Линейка
 
* Рулетка
 
* Карандаш
 
* Руки
 
 
===Этапы создания проекта===
 
===Этапы создания проекта===
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
Строка 95: Строка 89:
 
| 27.09.18
 
| 27.09.18
 
| Определить последовательность действий машины Голдберга
 
| Определить последовательность действий машины Голдберга
| Мы ругаемся и деремся за свои идеи. Кто-то хочет, чтобы в процессе отрубалась голова куклы и брызгала кровь.
+
| Каждый предлагает свои идеи. Возникли разногласия по некоторым пунктам.
| Определена основная последовательность. Все еще ведутся бои за локальные действия (гильотина, брызги крови и все такое).
+
| Определена основная последовательность.
 
|-
 
|-
 
| 04.10.18
 
| 04.10.18
| Наконец-то определить последовательность действий машины Голдберга
+
| Окончательно определить последовательность действий машины Голдберга
| Пришлось развести дерущихся по разным углам
+
| С трудом пришли к консенсусу.
| Определена последовательность, сделан набросок действий
+
| Определена последовательность, сделан набросок действий.
 
|-
 
|-
 
| 11.10.18
 
| 11.10.18
 
| Найти материалы для проекта
 
| Найти материалы для проекта
| Приходится шариться по помойкам. Мы как будто в постапокалипсисе.
+
| Материалы было решено искать среди остатков от производства. Взяли все, что не жалко.
| Натаскали в выделенную комнату кучу обрезков
+
| Необходимые материалы были найдены.
 
|-
 
|-
 
| 18.10.18
 
| 18.10.18
 
| Найти предметы и инструменты для проекта
 
| Найти предметы и инструменты для проекта
| Не было проблем, в ФабЛабе можно много чего найти
+
| С этим проблем не возникло. В ФабЛабе есть все необходимые инструменты: ЧПУ лазерный станок DFKit, 3D принтер DFKit и т.д.
| Натаскали в выделенную комнату предметы
+
| Было найдено все необходимое.
 
|-
 
|-
 
| 25.10.18
 
| 25.10.18
| Начать расчеты
+
| Разбор этапов для расчетов
| Никто не умеет считать. Все паникуют. Кто-то рыдает в углу.
+
| Сложности в определении задачи в целом
| Определили, что нужно считать. Выполнили годовую норму осадков в виде слёз.
+
| Начали решать проблему с расчетами.
 
|-
 
|-
 
| 01.11.18
 
| 01.11.18
| Наконец-то начать расчеты
+
| Начало расчетов
| Все еще никто не умеет считать. Все паникуют. Кто-то рыдает в углу.
+
| Возникли проблемы с решением задач.  
| Посидели, поплакали. Определили, как нужно считать. Разделили задания по группам.
+
| Определились до конца с расчетами. Разделили задания по группам.
 
|-
 
|-
 
| 08.11.18
 
| 08.11.18
| Продолжить расчеты
+
| Продолжение расчетов
| "Жизнь - это страдания, а теормех - часть жизни." © группа 23533/1
+
| Трудности с определением, какие законы необходимо применять
| Ну что-то там у нас посчиталось
+
| Выполнили часть расчетов.
 
|-
 
|-
 
| 15.11.18
 
| 15.11.18
| Продолжить расчеты дальше
+
| Анализ этапов
| Пружинящая поверхность - это слишком сложно
+
| Пружинящая поверхность оказалась сложна в расчетах и реализации.
| Выкинули пружинящую поверхность, посчитали без неё
+
| Решили убрать пружинящую поверхность из проекта.
 
|-
 
|-
 
| 22.11.18
 
| 22.11.18
 
| Закончить расчеты
 
| Закончить расчеты
| "Господи, когда уже это всё закончится." © группа 23533/1
+
| Сложности в подведении итогов расчетов
| Ну вроде досчитали всё
+
| Решили все задачи, выполнили все расчеты.
 
|-
 
|-
 
| 29.11.18
 
| 29.11.18
| Создать чертеж
+
| Создать схему
| Чертить сложно
+
| Понять, как лучше распределить этапы
| Сделали чертеж
+
| Распределили этапы по группам. Каждая группа сделала чертеж своего этапа. Объединили все части в единое целое.
 
|-
 
|-
 
| 06.12.18
 
| 06.12.18
 
| Сделать рычаги, лестницы, домино, качающийся маятник
 
| Сделать рычаги, лестницы, домино, качающийся маятник
| Непонятно, как делать рычаги
+
| Отсутствие навыков работы с инструментами.
| Решили, как сделать рычаги. Сделали всё
+
| 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
 
| 13.12.18
 
| Покрасить домино. Собрать всё вместе. Сделать пробные запуски.
 
| Покрасить домино. Собрать всё вместе. Сделать пробные запуски.
| С кексиком проблема. На запусках всё плохо
+
| С кексиком возникли проблемы. Никто его не купил. Убрали кексик из проекта. Решили использовать зажигалку вместо свечки.
| Покрасили, собрали, позапускали. Будем делать без кексика, просто так всё сожжём. Устранили недочёты, выявленные на пробных запусках: сделали подставки под лестницы и воронку, отпилили кусок воронки. Рычаг №3 будет нажимать не на кнопку, а на мышь.
+
| Попытались несколько раз запустить машину. Устранили недочёты, выявленные на пробных запусках: сделали подставки под лестницы и воронку, отпилили кусок воронки. Рычаг №3 будет нажимать не на кнопку, а на мышь.
 
|-
 
|-
 
| 20.12.18
 
| 20.12.18
 
| Монтирование видео. Презентация машины Голдберга
 
| Монтирование видео. Презентация машины Голдберга
| "А давайте покрасим?" за два часа до презентации. Во время показа загорелась краска, а не сама веревка. Из-за этого шарику №1 не хватило импульса.
+
| Первая попытка запуска оказалась не совсем удачной, потому что загорелась краска на веревке. Запускать машину с помощью огня оказалось опасно.  
| Доминошку можно и рукой толкнуть. Презентовали, нас похвалили. Видео шикарное и очень смешное.
+
| Решили покрасить нашу машину Голдберга, чтобы она имела более презентабельный вид. В целях пожарной безопасности исключили зажигалку из проекта. В итоге удалось запустить нашу машину.
 
|-
 
|-
 
| 25.12.18
 
| 25.12.18
 
| Создать вики-страницу проекта
 
| Создать вики-страницу проекта
| ''Дорогой дневник, сегодня 23 декабря 2018 года от Рождества Христова, первый час ночи... Я должна спать, почему я создаю эту страницу?''
+
| Отсутствие знаний о создании вики-страниц
| Результат перед глазами
+
| Результатом является данная страница
 
|}
 
|}
  
 
==Расчеты элементов проекта==
 
==Расчеты элементов проекта==
#
+
*Расчет расстояния и угла, на который необходимо отклонить маятник, чтобы он сбил домино
#
+
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
# Расчет импульса, который необходимо придать тележке для начала её движения вниз по склону
+
<div class="mw-collapsible-content">
::  <big>Дано:</big>
+
[[File:Угол маятника.png|thumb|250px|Схема для расчета расстояния и угла, на который надо отклонить маятник]]
[[File:Тележка схема.png|thumb|150px|Схема для расчета импульса, необходимого для начала движения тележки]]
+
::<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></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>m_{тележка}=0{,}15~кг</math>
::<math>dt=1~c</math>
+
::<math>t=1~c</math>
 
::<math>\alpha=45^\circ</math>
 
::<math>\alpha=45^\circ</math>
 
::<math>\mu=0{,}2</math>
 
::<math>\mu=0{,}2</math>
:: <big>Найти:</big>
+
 
::<math>p_{min}</math>
+
::<math>Найти:~p</math>
:: <big>Решение:</big>
+
 
::<math>p=F_{взаимод}\cdotdt</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==
 
==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, но кому это надо. Всё остальное великолепно, прекрасно, замечательно.
+
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.
  
Вот, посмотрите, насколько всё превосходно!
+
Видео запуска машины Голдберга.
  
 
{{#widget:YouTube|id=5enBCKGQ75I}}
 
{{#widget:YouTube|id=5enBCKGQ75I}}
Строка 189: Строка 290:
  
 
{{#widget:YouTube|id=Nns4rjPvjyA}}
 
{{#widget:YouTube|id=Nns4rjPvjyA}}
 
  
 
==Литература и ссылки==
 
==Литература и ссылки==
# [https://studlance.ru/zakaz/reshenie-zadach-teoreticheskaya-mehanika Заказать решение задач по теоретической механике без регистрации и смс срочно]
 
 
# [https://dzhmao.ru/info/instruktsiya-po-okazaniyu-pervoy-dovrachebnoy-pomoshchi-.php Инструкция по оказанию первой доврачебной помощи]
 
# [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://ohranatruda.ru/ot_biblio/instructions/166/146184/ Инструкция по охране труда при работе с ручным инструментом]
# [https://ru.wikihow.com/%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%8C%D1%81%D1%8F-%D1%81%D0%BE-%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D0%BC,-%D0%B2%D1%8B%D0%B7%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%BC-%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%B1%D0%BE%D0%B9 Как бороться со стрессом, вызванным учебой]
 
# [https://ru.wikihow.com/%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D0%B0%D1%82%D1%8C,-%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%B4%D0%B0-%D0%B2%D1%8B-%D0%BE%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8C-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D1%8B Как перестать плакать, когда вы очень расстроены]
 
# [https://ru.wikihow.com/%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BD%D1%8F%D1%82%D1%8C-%D0%B4%D0%B2%D1%83%D1%85-%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D1%88%D0%B8%D1%85%D1%81%D1%8F-%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D0%B5%D0%B9 Как разнять двух подравшихся людей]
 
 
# [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]
 
# [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]
 
# [http://isopromat.ru/teormeh/kratkaja-teoria Краткая теория по теоретической механике]
 
# [https://ru.wikipedia.org/wiki/Машина_Голдберга Машина Голдберга]
 
# [https://ru.wikipedia.org/wiki/Машина_Голдберга Машина Голдберга]
# [https://vk.com/fishread Мемы с рыбами, пытающимися читать]
+
# [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:
 
# Примеры различных машин Голдберга:
 
     [https://www.youtube.com/watch?v=6FzUx2EFk8s 75 Rube Goldberg Ideas & Inventions | DoodleChaos]
 
     [https://www.youtube.com/watch?v=6FzUx2EFk8s 75 Rube Goldberg Ideas & Inventions | DoodleChaos]

Текущая версия на 12:26, 19 декабря 2019

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]

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. В частности 3D принтер и ЧПУ лазерный станок.

Цель проекта[править]

Создать машину Голдберга, которая будет выполнять цепочку взаимодействий, приводящих ко включению видео на ноутбуке.

Задачи проекта[править]

  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[править]

Группа 23533/1

  • Александров Роман
  • Аристова Анастасия
  • Бурячек Ирина
  • Головаков Илья
  • Гребенюк Денис
  • Гусева Анастасия
  • Докучаева Татьяна
  • Иванова Валерия
  • Иванчев Юрий
  • Курочкина Валентина
  • Марина Диана
  • Огнев Денис
  • Орлова Валерия
  • Пересвет Варвара
  • Семенов Андрей
  • Сулейманов Артур
  • Хитрова Яна

Работа по проекту[править]

Действия, выполняемые машиной Голдберга[править]

Схема устройства машины Голдберга, запускающей видео на ноутбуке
  1. Свечка на кексике пережигает верёвку, которая удерживает качающийся маятник
  2. Маятник качается и сбивает домино
  3. Цепная реакция домино доходит до лестницы №1, домино, стоящие на ней, тоже падают
  4. Домино на верхней ступени лестницы №1 падает и сбивает мячик №1
  5. Мячик падает на двуплечий рычаг №1
  6. Плечо рычага, на которое упал мячик №1, опускается, второе поднимается
  7. Поднимающееся плечо рычага №1 приводит в действие двуплечий рычаг №2
  8. С рычага №2, как с катапульты, запускается мячик №2
  9. Мячик №2 попадает в пружинящую поверхность и отскакивает от неё в воронку
  10. Скатившись по воронке, мячик №2 попадает в тележку и толкает её
  11. Поехавшая тележка толкает домино
  12. Падающие домино создают цепную реакцию и сбивают домино на ступенях лестницы №2
  13. Домино на верхней ступени лестницы №2 падает и сбивает мячик №3
  14. Мячик №3 толкает рычаг №3
  15. Рычаг №3 падает и нажимает на кнопку ноутбука
  16. Видео включается

Материалы и предметы для создания проекта[править]

  • Мячики
  • Тележка
  • Кексик
  • Свечка
  • Воронка
  • Фанера
  • Доски
  • Пенопласт
  • Пеноплекс
  • Клей
  • Крепежные уголки
  • Веревка
  • Гвозди
  • Саморезы
  • Гайки
  • Скотч

Инструменты для создания проекта[править]

  • ЧПУ лазерный станок DFKit
  • 3D принтер DFKit
  • Электроинструмент
  • Ручной инструмент

Этапы создания проекта[править]

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 С трудом пришли к консенсусу. Определена последовательность, сделан набросок действий.
11.10.18 Найти материалы для проекта Материалы было решено искать среди остатков от производства. Взяли все, что не жалко. 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 рычаги, лестницы, домино, качающийся маятник 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. С кексиком возникли проблемы. Никто его не купил. Убрали кексик из проекта. Решили использовать зажигалку вместо свечки. Попытались несколько раз запустить машину. Устранили недочёты, выявленные на пробных запусках: сделали подставки под лестницы и воронку, отпилили кусок воронки. Рычаг №3 будет нажимать не на кнопку, а на мышь.
20.12.18 Монтирование видео. Презентация машины Голдберга Первая попытка запуска оказалась не совсем удачной, потому что загорелась краска на веревке. Запускать машину с помощью огня оказалось опасно. Решили покрасить нашу машину Голдберга, чтобы она имела более презентабельный вид. В целях пожарной безопасности исключили зажигалку из проекта. В итоге удалось запустить нашу машину.
25.12.18 Создать вики-страницу проекта Отсутствие знаний о создании вики-страниц Результатом является данная страница

Расчеты элементов проекта[править]

  • Расчет расстояния и угла, на который необходимо отклонить маятник, чтобы он сбил домино
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][/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]


  • Проверка условия движения рычага №2 в результате падения шарика №1 на рычаг №1
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}\gt \sqrt {gh}=1 ~м/с[/math]
[math]Ответ:[/math]
[math]v_{рыч}=1{,}065~м/с~\gt \sqrt {gh}=1 ~м/с,~следовательно, ~вторая ~балка ~придёт ~в ~движение.[/math]


  • Расчет импульса, который необходимо придать тележке для начала её движения вниз по склону
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]


  • Расчет скорости, с которой должна ехать тележка, чтобы запустить цепную реакцию падающих домино
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}\gt 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]


  • Расчет массы рычага для нажатия на кнопку компьютерной мыши
[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]

Результаты по проекту[править]

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.

Видео, запускаемое на ноутбуке, показывает рабочий процесс создания машины Голдберга.

Литература и ссылки[править]

  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
  8. Примеры различных машин Голдберга:
    75 Rube Goldberg Ideas & Inventions | DoodleChaos
    The Dresser - Rube Goldberg Machine for Getting Dressed | Joseph's Machines
    Marble run | Vivify cg
    Мастерская Голдберга | СПб и Мск | Лекториум