Машина Голдберга: Новый год

Машина Голдберга — некий механизм, с помощью цепочки разнообразных действий, построенных по принципу домино, выполняющий простую задачу предельно сложным и длинным путём.

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

1. Определить последовательность действий, которые будут выполняться машиной Голдберга
2. Создать схему машины Голдберга
3. Подобрать необходимые для создания проекта материалы, предметы и инструменты из предложенных на конкурсе
4. Произвести необходимые расчеты
5. Сделать отдельные части проекта
6. Собрать машину Голдберга
7. Произвести пробные запуски и устранить недочеты
8. Произвести показательный запуск машины Голдберга
9. Снять результат на видео
10. 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

1. Ёлочка создает эффект домино, дёргая за нитку запускает следующий шаг
2. Дергается нитка и из-за её натяжения толкается паровозик
3. Скатывается паровозик и толкает нижнюю часть рычага следующего шага
4. Верхняя часть рычага толкает шарик, находящийся на платформе. Шарик падает в трубу деревянного домика на горку по которой скатывается и сбивает крепёж верёвки следующего шага
5. Веревка открепляется, затем левая часть весов начинает опускаться, а противоположная поднимаясь опрокидывает коробочку с шариком, который переходит в следующий шаг
6. Шарик скатывается вниз по наклонной плоскости и сбивает кубик, подвешенный на нити, который переходит в следующий шаг
7. Кубик приводит в движение шарик №1, который скатывается по наклонной плоскости, задевая спицу. Верхняя часть спицы приводит в движение шарик №2, который скатывается по желобам, затем этот шарик падает на магнит, соединяющий остальные шарики, в следствии чего крайний шарик №3 начинает движение и переходит в следующий шаг
8. Шарик катится по желобу, закатываясь на незакреплённую балку, которая падает вместе с шариком, увеличивая его скорость, который катится в следующий шаг
9. Шарик падает на левую часть качелей, поднимая правую часть, которая натягивает нить следующего шага
10. Нить убирает перегородку, затем шарик скатывается вниз по желобам, приводя в действие следующий шаг
11. Шарик сбивает груз, который приводит в действие механизм "планетарная система шестерёнок", разворачивающий бумагу с поздравлением.

Материалы и предметы для создания проекта

• Металлические шарики
• 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

Расчеты элементов проекта

• Расчет расстояния и угла, на котором нужно крепить елки

Схема для расчета расстояния и угла, на котором нужно крепить елки

• Расчет натяжения нити для запуска машинки

• Расчёт скорости движения машинки с горки

Схема для расчёта скорости движения машинки с горки

• Расчет скорости падения шарика

• Расчет минимальной массы утяжелителя для весов

Схема для расчета минимальной массы утяжелителя для весов

• Расчет импульса, который необходимо придать кубику для начала его движения

Схема для расчета импульса, необходимого для начала движения кубика

[math]Дано:[/math]

[math]a=b=0{,}04~м[/math]

[math]c=0{,}004~м[/math]

[math]ρ=650~\frac{кг}{м^3}[/math]

[math]l_{1}=0{,}29~м[/math]

[math]l_{2}=0{,}245~м[/math]

[math]t=1~с[/math]

[math]\mu=1{,}3[/math]

[math]Найти:~p_{min}-?[/math]

[math]Решение:[/math]

[math]1)~Вычисление~угла~между~наклонной~плоскостью~и~горизонталью:[/math]

[math]\alpha=arccos(\frac{l_{2}}{l_{1}})=arccos(\frac{0{,}245}{0{,}29})=32{,}35^\circ[/math]

[math]2)~Вычисление~массы~кубика:[/math]

[math]V=a\cdot b\cdot c\cdot 6 = 0{,}04\cdot 0{,}04\cdot 0{,}004\cdot 6 = 3{,}84\cdot 10^{-5}~м^3[/math]

[math]m=ρ\cdot V = 650\cdot 3{,}84\cdot 10^{-5} = 0{,}02496~кг[/math]

[math]3)~Вычисление~минимально~необходимого~импульса:[/math]

[math]p_{min}=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 cos\alpha[/math]

[math]F_{тр}=1{,}3\cdot 0{,}02496\cdot 10\cdot 0{,}0845 = 0{,}27~H[/math]

[math]p_{min}=0{,}27\cdot 1 = 0{,}27~\frac{кг\cdot м}{с}[/math]

[math]Ответ:[/math]

[math]p_{min}=0{,}27~\frac{кг\cdot м}{с}[/math]

• Расчет скорости шарика

• Расчет массы для падения рычага

Схемы для расчета падения рычага

• Расчет высоты падения шарика

Схема для расчета высоты падения шарика

• Расчет массы шарика, который нужно крепить на нить для системы шестеренок

Схема для расчета массы шарика, который нужно крепить на нить для системы шестеренок

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.

Видео показывает рабочий процесс создания 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
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