Машина Голдберга человека паука, как часть цепочки машин конкурса 2035 — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(Заполнена таблица этапов создания)
 
(не показано 17 промежуточных версий этого же участника)
Строка 1: Строка 1:
 +
 
'''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».
 
'''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==
 
==Описание==
Строка 26: Строка 27:
 
==Работа по проекту==
 
==Работа по проекту==
 
===Действия, выполняемые машиной Голдберга===
 
===Действия, выполняемые машиной Голдберга===
−
[[File:Sketch of the Goldberg's machine.png|thumb|Схема устройства машины Голдберга, запускающей видео на ноутбуке]]
+
[[File:1План.jpg|thumb|200px|Схема устройства машины Голдберга (план первый)]]
 +
[[File:2План.jpg|thumb|200px|Схема устройства машины Голдберга (план второй)]]
 +
[[File:3План.jpg|thumb|200px|Схема устройства машины Голдберга (план третий)]]
 
# Шар предыдущей конкурсной машины толкает заготовленный заранее шар №1, который запускает нашу машину
 
# Шар предыдущей конкурсной машины толкает заготовленный заранее шар №1, который запускает нашу машину
 
# Шар №1 катится по горке под действием силы тяжести, попадает в винтовой спуск
 
# Шар №1 катится по горке под действием силы тяжести, попадает в винтовой спуск
Строка 139: Строка 142:
  
 
==Расчеты элементов проекта==
 
==Расчеты элементов проекта==
−
*Расчет расстояния и угла, на который необходимо отклонить маятник, чтобы он сбил домино
+
*Расчёт угла наклона кабель канала для того, чтобы стеклянный шарик набрал скорость, которая необходима для запуска Колыбели Ньютона
−
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
−
<div class="mw-collapsible-content">
 
−
[[File:Угол маятника.png|thumb|250px|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>
 
−
 
 
−
</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 mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible-content">  
 
<div class="mw-collapsible-content">  
−
[[File:Рычаги.png|thumb|300px|Схема взаимодействия шарика и двуплечих рычагов]]
+
[[File:Задача11.jpg|thumb|2000px|]]
−
::<math>Дано:</math>
+
[[File:Задача122.jpg|thumb|2000px|]]
−
::<math>m_{шар}=0{,}03~кг</math>
+
[[File:Задача113.jpg|thumb|2000px|]]
−
::<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>
Строка 193: Строка 154:
  
  
−
*Расчет импульса, который необходимо придать тележке для начала её движения вниз по склону
+
*Расчёт минимальной горизонтальной силы, приложенной к первому элементу цепочки домино, чтобы его уронить
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible-content">  
 
<div class="mw-collapsible-content">  
−
[[File:Тележка схема.png|thumb|200px|Схема для расчета импульса, необходимого для начала движения тележки]]
+
Решение задачи
−
::<math>Дано:</math>
+
[[File:Решение1.png|thumb|2700px|]]
−
::<math>m_{тележка}=0{,}15~кг</math>
+
[[File:Доминошки.jpg|thumb|Схема задачи]]
−
::<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>
 
−
 
 
 
</div>
 
</div>
 
</div>
 
</div>
  
  
−
*Расчет скорости, с которой должна ехать тележка, чтобы запустить цепную реакцию падающих домино
+
*Расчет длин плеч рычага
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible-content">  
 
<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>
+
#Для того, чтобы последнее домино смогло поднять рычаг, на другом плече которого покоится шарик, нужно правильно рассчитать необходимую длину каждого плеча(l1-? и l2-?).  
−
::<math>m_{тележка}=0{,}15~кг</math>
+
# Практически мы померяли полную длину рычага, которая равна 11см (она складывается из суммы двух плеч рычага d=l1+l2(*)), также знаем массу домино (14г) и массу шарика (10г)
−
::<math>m_{домино}=0{,}02~кг</math>
+
# На рисунке обозначено, что на левую часть конструкции действует сила F1, а на правую соответственно F2
−
::<math>t=1~c</math>
+
# Раскрывая правило моментов составим пропороцию и  найдем значение l2, затем, выразив из (*) найдем l1.
−
 
+
[[File:Задача3.jpg|thumb|1000px|Расчет длин плеч рычага]]
−
::<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>
Строка 247: Строка 179:
  
  
−
*Расчет массы рычага для нажатия на кнопку компьютерной мыши
+
*Расчет минимальной массы шарика, которая приведет систему в движение (Оськина Маргарита)
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 
<div class="mw-collapsible-content">  
 
<div class="mw-collapsible-content">  
−
::<math>Минимальное ~значение ~силы ~для ~нажатия ~кнопки:~F=0{,}68~H</math>
+
[[File:ОськинаЗадача.jpg|thumb|1000px|Решение]]
−
::<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>
Строка 265: Строка 193:
 
Видео запуска машины Голдберга.
 
Видео запуска машины Голдберга.
  
−
{{#widget:YouTube|id=5enBCKGQ75I}}
+
{{#widget:YouTube|id=QhjAM8IdloU}}
  
−
Видео, запускаемое на ноутбуке, показывает рабочий процесс создания машины Голдберга.
+
Видео показывает рабочий процесс создания машины Голдберга.
  
−
{{#widget:YouTube|id=Nns4rjPvjyA}}
+
{{#widget:YouTube|id=nUgb1Yq4_qE}}
  
 
==Литература и ссылки==
 
==Литература и ссылки==

Текущая версия на 13:28, 23 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, а именно ЧПУ лазерный станок, а так же научиться нестандартно использовать подручные материалы.

Цель проекта[править]

Создать машину Голдберга, которая посредством выполнения цепочки действий, станет механизмом запуска машины следующей команды участников конкурса 2035.

Задачи проекта[править]

  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[править]

Группа 3532704/80001

  • Гришина Ксения
  • Орлов Дмитрий
  • Оськина Маргарита
  • Скороварова Светлана

Работа по проекту[править]

Действия, выполняемые машиной Голдберга[править]

Схема устройства машины Голдберга (план первый)
Схема устройства машины Голдберга (план второй)
Схема устройства машины Голдберга (план третий)
  1. Шар предыдущей конкурсной машины толкает заготовленный заранее шар №1, который запускает нашу машину
  2. Шар №1 катится по горке под действием силы тяжести, попадает в винтовой спуск
  3. Вылетевший из винтового спуска шар №1 приводит в движение колыбель Ньютона
  4. Крайний шар колыбели Ньютона толкает домино
  5. Падающие домино создают цепную реакцию и сбивают домино на ступенях лестницы
  6. Домино на верхней ступени лестницы падает на плечо рычага
  7. Противоположное плечо толкает шар №2
  8. Шар №2 катится по платформе и падает в стакан №1, связанный двумя неподвижными блоками со стаканом №2
  9. Стакан №2 поднимается и наклоняет небольшую платформу со стоящим на ней шаром №3
  10. Шар №3 закатывается в трубу, ведущую к следующей машине Голдберга

Материалы и предметы для создания проекта[править]

  • Мячики
  • Трубы
  • 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[править]

  • ЧПУ лазерный станок DFKit
  • Электроинструмент
  • Ручной инструмент

Этапы создания проекта[править]

Срок Задача Возникающие проблемы Что сделано к сроку
05.09.19 Придумать основной сюжет для действий Машины Голдберга. Определить конкретные шаги и их последовательность в машине. Каждый предлагает свои идеи. Возникли разногласия по некоторым пунктам. Определен основной сюжет.
12.09.19 Окончательно определить последовательность действий машины Голдберга. Нарисовать схему поочередных шагов. Нашли компромисс и разделили область ответственности, что предотвращало возможные будущие конфликты Определена последовательность, сделан набросок действий.
19.09.19 Наметить, из каких материалов будет собран наш проект. Определиться, где их будем брать. Материалы было решено искать среди остатков от производства. Взяли все, что было не жалко. Все шаги были проанализированы и на основе этого необходимые материалы были найдены.
26.09.19 Найти предметы и инструменты для создания Машины. С этим проблем не возникло. В ФабЛабе есть все необходимые инструменты: помимо всевозможных ручных инструментов, ЧПУ лазерный станок DFKit, 3D принтер DFKit и т.д. Было найдено все необходимое.
03.10.19 Разбор этапов для расчетов. Распределение обязанностей и сферы влияния между участниками команды. Сложности в определении задачи в целом. Начали решать проблему с расчетами.
10.10.19 Начало расчетов Возникли проблемы с решением задач. Определились до конца с расчетами.
17.10.19 Продолжение расчетов Трудности с определением, какие законы необходимо применять при том или ином шаге. Выполнили часть расчетов.
24.10.19 Анализ этапов Придуманная изначально система с блоками и закрывающимися ножницами, перерезающими нить, оказалась сложна в расчетах и реализации. Решили убрать систему с ножницами из проекта.
31.10.19 Закончить с расчетами. Сложности в объяснении друг другу смысла своих расчетов. Решили все задачи, выполнили и подвели итоги всех расчетов.
7.11.19 Создать схему. Понять, как целесоообразнее будет разделить этапы между участниками команды. Распределили этапы между собой. Каждый участник сделал чертеж своего этапа. Объединили все части в единое целое.
14.11.19 Сделать лестницу, домино, желобы, привязать шарики 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.
23.11.19 Собрать всё вместе. Оформить деревянный куб в задуманном стиле, добавить декор. Сделать пробные запуски. Достаточно долго и нервно расставлять домино перед каждым запуском. Но на этом этапе проблем с функционированием не возникло. Собранная машина Голдберга отработала так, как и задумывалось, с первого же запуска.
24.11.19 Съемка и монтирование видео. Презентация машины Голдберга и контрольный запуск в цепочке других машин в формате конкурса "Вызов 2035" Не смогли удачно состыковаться с машиной, стоявшей до и после нас. Также мяч, вылетавший из машины наших коллег не подходил по размеру для старта нашей конструкции. Приняли меры и поменяли положение входной и выходной труб. Поставили подпорку для закрепления вылетающего мячика и привели в граничное состояние между покоем и движением наш первый шар. Сняли итоговое видео результата
14.12.19 Создать вики-страницу проекта Отсутствие знаний о создании вики-страниц Результатом является данная страница

Расчеты элементов проекта[править]

  • Расчёт угла наклона кабель канала для того, чтобы стеклянный шарик набрал скорость, которая необходима для запуска Колыбели Ньютона
Задача11.jpg
Задача122.jpg
Задача113.jpg



  • Расчёт минимальной горизонтальной силы, приложенной к первому элементу цепочки домино, чтобы его уронить

Решение задачи

Решение1.png
Схема задачи


  • Расчет длин плеч рычага
  2. Для того, чтобы последнее домино смогло поднять рычаг, на другом плече которого покоится шарик, нужно правильно рассчитать необходимую длину каждого плеча(l1-? и l2-?).
  3. Практически мы померяли полную длину рычага, которая равна 11см (она складывается из суммы двух плеч рычага d=l1+l2(*)), также знаем массу домино (14г) и массу шарика (10г)
  4. На рисунке обозначено, что на левую часть конструкции действует сила F1, а на правую соответственно F2
  5. Раскрывая правило моментов составим пропороцию и найдем значение l2, затем, выразив из (*) найдем l1.
Расчет длин плеч рычага



  • Расчет минимальной массы шарика, которая приведет систему в движение (Оськина Маргарита)
Решение


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 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
Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Машина_Голдберга_человека_паука,_как_часть_цепочки_машин_конкурса_2035&oldid=54867»