Исследовательская и проектная деятельность

Гордон Г.В., Асманкин С., Хлыновский И., Боголепов Д., Глинин Е., Абрамов Н., Клыжин Н., Стасюк М., Хлыстова Т., Вакар П. Исследовательский проект по физике «Шагоход — универсальная машина П. Л. Чебыш

Оригинaл материала размещен в выпуске № 09 (11) https://f.almanah.su/11.pdf


Рассмотрим исследовательский проект, под названием «Шагоход – универсальная машина П.Л. Чебышева». Реализован учащимися 11 класса МБОУ «СОШ № 1» города Бийска, в рамках IV Окружного конкурса «Инженерный приговор», тема которого – «Продолжатели великих традиций». Она посвящена отечественным инженерам и изобретателям прошлых веков. Замысел конкурса заключался в том, чтобы разработать проект, идею которую навеяли отечественные инженеры. Промежуток времени для выполнения исследовательского проекта составил примерно два месяца. Была частичная занятость учащихся в проекте, так как были сформированы несколько групп по 3-4 человека, каждая из которых выполняла определенные этапы исследовательского проекта:
·          учащиеся ставили проблему исследования и формулировали гипотезу исследования;
·          изучали теорию, проводили литературный анализ, искали оригинальные чертежи и описания конструкции П.Л. Чебышева;
·          разрабатывали чертеж-схему, на основе которой проводился поиск и сбор материалов и оборудования;
·          одна из групп разрабатывала деревянную мини-модель (прототип), на основе которой ставились задачи по доработке или усовершенствования уже создаваемого проекта;
·          проводилась групповая работа учителя с учащимися (уровень сотрудничества);
·          каждая исследовательская группа проводила сборку своей закрепленной части конструкции проекта;
·          по окончании сборки проекта, учащиеся проверяли работу механизмов и узлов, а также нагрузку на тягу двигателя, который осуществлял движение шагохода;
·          учащиеся формулировали выводы, сопоставляли данные, обсуждали проект, предлагали идеи в области техники или жизни, где данную модель можно применять и использовать;
·          выстроили окончательное заключение, оформили проект, создали научный плакат разработки;
·          итог исследовательского проекта – выступление на окружном конкурсе «Инженерный приговор», научно-практические конференции и выставки в городе Бийск и Барнауле, в которых принимают участие не только юные исследователи, но и ученые, студенты.
Цель проекта: создать действующую модель на основе конструкции, разработанной изобретателем.
Гипотеза: стопоходящая машина П.Л. Чебышева является альтернативным транспортным средством по отношению к другим транспортным средствам.
Задачи проекта:
1.       Изучить принцип работы стопоходящей машины П.Л. Чебышева.
2.       Изучить строение стопоходящей машины, выявить её достоинства и недостатки.
3.       Создать на основе полученных знаний усовершенствованную модель стопоходящей машины.
4.       Разработать чертежи.
5.       На основе чертежей реализовать конструкцию П.Л. Чебышева.
6.       Апробировать модель в действии.
7.       Сформулировать выводы по результатам исследования.

Практическая значимость работы

Использование стопоходящего транспорта может быть актуальным и перспективным направлением при исследовании и освоении новых планет или космических объектов, потому, что на других планетах нет твердой поверхности. Кроме этого, в процессе механического движения неизбежен контакт с частицами пыли, в связи с этим ходовая часть гусеничного и колесного транспорта критично подвержена быстрому абразивному износу и последующей поломки. У стопоходящего транспорта проще и удобнее изолировать основные узлы и механизмы. Особенности конструкции стопоходящего транспорта допускает реконфигурацию механической ходовой части, например, изменение высоты или пропорций «стопы ног», снабдив пневматическим подъемником, расстояние до исследуемой поверхности планеты («дорожный просвет»), плавное смещение центра тяжести конструкции и т.д. Эта функциональность полезна, особенно когда она осуществляется без вмешательства самого человека – хорошее свойство при подъёмах и спусках, а также при преодолении препятствий.


Рисунок 1. Стопоходящая машина П. Л. Чебышева [2]

Шагоход – универсальное транспортное средство, так как, в отличие от гусеничного или колесного транспортного средства, шагоход может переступать препятствия. Варианты применения данного стопоходящего транспорта очень разнообразны. В первую очередь можно исследовать поверхности планет Солнечной системы. Возможно и другое применение шагохода, на дне или шлейфа океанов, при этом конструкцию шагохода надо дополнить или доработать: увеличить массу или оснастить балластом, чтобы он мог погружаться на дно, заменить имеющиеся деревянные детали и узлы на другой водонепроницаемый материал, а также исключить возможность попадания воды и влаги в двигатель и аккумуляторный отсек батареи.
Применение стопоходящего транспорта в разведывательных целях так же вполне возможно. А если шагоход изготовить из водоупорных и огнестойких материалов, то он может стать надежным помощником в МЧС [1].

Проблемы в области транспортостроения

Наземный колесный транспорт обладает преимуществами перед стопоходящим транспортом, но существуют условия среды, при которых эксплуатация колесного транспортного средства становится невыгодной либо невозможна. Поверхность планет солнечной системы имеет специфичные условия окружающей среды, поэтому применение транспорта, который используется на поверхности Земли, становится невозможным. На сегодняшний день в качестве планетоходов используется колесные транспортные средства.
На поверхности планет располагается слой абразивной пыли, который в совокупности со скалистыми неровностями создают трудности в перемещении до точки проведения работ. Также для исследования образцов необходимо перемещать транспортное оборудование и измерительные приборы на определённую высоту от уровня поверхности планеты, однако колесный планетоход не обладает достаточной функциональностью.
Колесное транспортное средство имеет несколько узлов соединений между колесом и осью подвески. Конструктивная сложность такого механизма делает сложным и продолжительным процесс диагностики и ремонта.
На поверхности планет основным источником энергии является термоядерный синтез Солнца. Данный факт предполагает практическую значимость экономии и накопления энергии для дальнейших исследовательских работ.

Принцип действия стопоходящей машины


Рисунок 2. Лямбда-механизм [2]

Два неподвижных красных шарнира (на рис. 2 №1, 2), три звена имеют одинаковую длину. Незакреплённый серый шарнир маленького ведущего звена (№3) вращается по окружности, при этом ведомый синий шарнир (№4) описывает траекторию, похожую на профиль шляпки белого гриба. Расставим на окружности, по которой равномерно вращается ведущий шарнир, метки через равные промежутки времени и соответствующие им метки на траектории свободного шарнира [2].
Нижнему краю «шляпки» соответствует ровно половина времени движения ведущего звена по окружности. При этом нижняя часть синей траектории очень мало отличается от движения строго по прямой. Таким образом механизм П. Л. Чебышева переводит вращательное движение в поступательное [2].
Преимущества и недостатки
Преимущества
1.       Шагоход может перешагивать через различные препятствия.
2.       Он способен взбираться и спускаться по ступенькам.
3.       Шагоход не буксует.
4.       Мало подвержен абразивному износу, так как у стопоходящего транспорта проще и удобнее изолировать основные узлы и механизмы.
5.       Любой груз, находящийся на платформе шагохода будет располагаться в горизонтальном положении, что способствует безопасности транспортировки грузов и оборудования.
6.       Ресурсоориентирвоаннный механизм
Недостатки
Конструктивная сложность исполнения стопоходящей машины.

Модель шагохода

Модель шагохода основывается на лямбда-механизме П. Л. Чебышева, который соединен дополнительными профилями с «ногой» механизма, что делает его ход более плавным. Благодаря этому усовершенствованию шагоход прекратил заваливаться, а движение ног стало более плавным, без рывков. Создание шагохода с четырьмя стопами требует сложных технических расчетов. Поэтому было принято решение сконструировать модель с двумя стопами, но в перспективе ставится задача реализовать 8-ми стопоходящую машину. Снабжение шагохода колесами позволило ускорить движение модели. Каждая ось вращения лямбда-механизма состояло из подшипника, который в несколько раз уменьшал износ ходовой части модели. Ось, расположенная на горизонтальной платформе шагохода, соединяла обе ноги и позволяла им работать в противофазе. Движение шагохода электроприводное с использованием понижающего редуктора. В дальнейшем, реализовать способность стопоходящей машины менять направление и угол поворота, изолировать основные узлы и механизмы, электронные компоненты от попадания частиц пыли и жидкости, а также реализовать ресурсоориентирование транспортного средства на солнечную энергию.


Рисунок 3. Действующая модель стопоходящей машины

Результаты исследования

1.       Реализация 3D модели стопоходящей машины.
2.       Изучив принцип работы лямбда-механизма П. Л. Чебышева, конструкцию стопоходящей машины, смогли создать шагоход.
3.       Гипотеза того, что стопоходящая машина П. Л. Чебышева является альтернативным транспортным средством по отношению к другим машинам, доказана. Обучающимся удалось реализовать инженерно-исследовательский проект стопоходящей машины, усовершенствовать ее и изучить преимущества на реальной модели.
4.       В ходе проведения испытаний машины было установлено, что грузоподъемность действующей модели составляет до 300 кг (Масса самой модели 45 кг.).
Практика выполнения данного исследовательского проекта показала высокую эффективность при решении практических и экспериментальных задач развития физического мышления учащихся. Это, в частности, подтверждается тем, что двенадцать учащихся, принимавшие участие в выполнении проектов, в дальнейшем стали успешными студентами физических факультетов университетов или технических вузов. Положительный результат обусловлен активизацией познавательной деятельности учащихся в процессе выполнения исследовательского проекта.

Библиографический список

1.       III Всероссийская конференция «Юные техники и изобретатели» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://юные-техники.рф/wp-content/uploads/2016/08/SHagohod.doc
2.       Стопоходящая машина П. Л. Чебышева. Математические этюды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.etudes.ru/ru/etudes/chebyshev-plantigrade-machine
2018