Машина Голдберга, запускающая видео на ноутбуке

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск

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. В частности 3D принтер и ЧПУ лазерный станок.

Цель проекта

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

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 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

Действия, выполняемые машиной Голдберга

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

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

Инструменты для создания проекта

  • ЧПУ лазерный станок DFKit
  • 3D принтер 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 Наконец-то определить последовательность действий машины Голдберга Все с трудом пришли к единому мнению. 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. Было найдено все необходимое.
25.10.18 Начать расчеты Не могли понять, что и как решать Начали решать проблему с расчетами.
01.11.18 Наконец-то начать расчеты Возникли проблемы с решением задач. В итоге определились до конца с расчетами. Разделили задания по группам.
08.11.18 Продолжить расчеты Трудности с определением, какие законы необходимо применять Выполнили часть расчетов.
15.11.18 Продолжить расчеты дальше Пружинящая поверхность - это слишком сложно. Решили убрать пружинящую поверхность из проекта.
22.11.18 Закончить расчеты Непонимание, как их закончить 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 Не все умеют работать с инструментом, не можем найти материал для маятника Данная работа также была разделена по группам. Из досок с помощью лобзика были сделаны рычаги. На лазерном станке были сделаны домино и лестницы. Маятник сделали из подручных материалов.
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 Результат перед глазами

Расчеты элементов проекта

  • 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]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]


  • 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

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 машины.

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


Литература и ссылки

  1. Методическое пособие по использования ЧПУ лазерного станка DFKit
  2. Методическое пособие по использованию 3D принтера DFKit
  3. Инструкция по оказанию первой доврачебной помощи
  4. Инструкция по охране труда при работе с ручным инструментом
  5. Как создать машину Руба Голдберга самому
  6. Краткая теория по теоретической механике
  7. Машина Голдберга
  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
Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Машина_Голдберга,_запускающая_видео_на_ноутбуке&oldid=52326»