LEGO на уроках физики

Продолжаем тему использования конструкторов LEGO (пусть даже без электронных составляющих) для демонстрации на различных уроках в школе. Геодезический купол - несущая сетчатая оболочка в виде сферы, которая часто является частью архитектурных сооружений, благодаря тому, что обладает хорошими несущими качествами.

Сфера Гобермана - структура напоминающая геодезический купол, но обладающая свойством складывания - за счет подвижных элементов соединенных по принципу ножниц сфера может изменять свой размер:

Lego механизмы: покоряя воздушные пространства

За основу взят материал из TechnicBRICKs. Наверное, многие заметили на одном из видео с последнего LEGOWORLD 2011 летающую штуковину с двумя огромными воздушными шарами? На самом деле на той выставке их было несколько.

В основе этих летающих устройство лежит - шар или несколько шаров, наполненных гелием. Lego Mindstorms NXT является мозгом этих летательных аппаратов, отвечающих за контроль двигателей.

Справочник по сервомоторам Lego

Все ли из вас были довольны стандартными моторами, поставляемыми с RCX или NXT? Не хотелось бы подсоединить другие приводы для приведения в движение вашего механизма?

Philippe Hurbain провел серьезное исследование всевозможных Lego моторов, оценивая такие их показатели как вес, скорость вращения, потребляемый ток и мощность привода при различной нагрузке.

Электромотор, неиспытывающий трения

Это сообщение совсем не про роботов и не совсем о Lego. Просто посмотрите, какое интересное получилось устройство: электромотор, питающийся от солнечных батарей и совсем не испытывающий силы трения.

Lego механизмы: остановись мгновение!

Очень отрадно видеть среди Lego-изобретателей наших соотечественников (хоть и бывших). Так bshikin, имея в своем арсенале Lego Mindstorms NXT и несколько Lego Technic наборов, собрал пленочную фотокамеру.

Как придумать конструкцию для решения определенной задачи?

Действительно, если есть какая-то задача, проектирование механизма решающего ее становится для новичков (да и не только для них) доволньно непростым делом.

Возможно, научные подходы типа ТРИЗ помогут найти решение. Но ведь хотелось бы потренироваться заранее да еще и часто в развлекательной форме.

Lego механизмы: гироскоп своими руками

Гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, основа устройства, способного измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела. Эти устройства все больше входят в повседневную жизнь, хотя немногие понимают как оно работает.

Для изучения свойств гироскопа не нужно тратить деньги на сложное оборудование, а можно собрать свой простенький гироскоп из того, что есть под рукой - конструктора Lego.

Робот для состязаний: калибровка сенсора освещенности

Зачем и как делать калибровку сенсора освешенности было уже расмотрено ранее. Но тогда процесс колибровки был рассмотрен только с точки зрения программы. Пытливому же уму захочеться узнать, а что же на самом деле происходит при калибровке? как именно различное использование сенсора освещенности влияет на значения, которые он выдает в результате измеренений.

Для начала рассмотрим, что же происходит при калибровке сенсора.

Lego Mindstorms в стратосфере

А вы знаете, что в честь 10-летия с начала продаж Lego Mindstorms в 2008 году, группы энтузиастов, студентов и школьников разных стран запускали исследовательские лаборатории на основе Lego Mindstorms в стратосферу.

Проект назывался H.A.L.E. - High Altitude LEGO Extravaganza. В нем приняли участие команды из США, Тайваня, Люксембурга, Швеции и Дании. В итоге, 9 капсул запускались на двух метеологических зондах. Оба зонда, достигнув высоты примерно в 30 км., лопнули, после чего капсулы благополучно достигли земли на парашюте. Помимо фото и видео съемки, капсулы выполняли с помощью Lego Mindstorms такие исследования как анализ загрязнения воздуха, измерения сил притяжения и содержания озона, изучали влияние факторов, меняющихся во время полета, на зефир и т.п. Хочется порадоваться за ребят, что им предоставилась возможность поучаствовать в уникальном эксперименте. А так же хочеться надеяться, что подобные исследования будут происходить регулярно.

Сейчас же нам оставлена возможность поучаствовать в эксперименте виртуально:

Или даже поднявшись на максимальную высоту вместе с проектом H.A.L.E. (за секунды до разрушения метеозондов) посмотреть, как выглядит наша планета оттуда:

приручаем Солнце и ветер вместе с Lego

Известный факт, что одно из направлений, в котором следует компания Lego, - образовательные наборы. Можно сказать, что Lego Mindstorms и Lego WeDo - идеи родившиеся как раз в ходе поиска новых продуктов, направленных на обучение.

Не так давно (в сентябре) компания Lego презентавала новый образовательный набор под названием "Возобнавляемая энергия" (9688 – Renewable Energies).



Набор позиционируется как лабаратория для изучения источников возобнавляемой энергии, таких как свет, ветер, течение воды, сила мышц и т.п. Ее можно применять, например, на уроках физики.





При использовании этого набора совместно с Lego Mindstorms NXT и последней версией среды NXT-G, включающей в себя сбор данных (data logging) лабаратория, как инструментарий для исследования, значительно увеличивает свои возможности:




Но также никто не может помешать делать, например, робототизированные механизмы двигающиеся на солнечной энергии:



Или собрать и запрограммировать робота, автоматически следящего движением Солнца для получения максимального количества энергии:

не-Лего механизмы: преобразование цифровой информации в аналоговый сигнал

Довольно интересный чисто конструкторский прием использовали IBM инженеры при создании пишущей машинки IBM Selecterical.

Внутреннее представление информации на этом устройстве, после того как пользователь нажал на клавишу на пишущей машинке, цифровое (7 бит). В то же самое время, печатающий блок машинки представляет из себя барабан с нанесенными на него буквами, знаками и цифрами. Барабан управляется двумя тросиками - одни вращает барабан вокруг оси, другой - наклоняет его, чтобы напечатать одну из букв, расположенных в каждом столбце.

Так как же информация кодированная с помощью бит - нуля или единицы конвертируется в движение двух тросиков? Как, имея только последовательность из "1" и "0", печатающее устройство узнает на сколько нужно натянуть тросик, чтобы барабан провернулся до столбца, в котором расположена буква "t", и на сколько нужно натянуть другой тросик для наклона барабана до строки, где находится буква "t"?

В видео ниже можно увидеть насколько элегантно был найден способ. В основу легло устройство похожее на используемое при запрягании лошадей. Поэтому ему даже дали такое же название: whiffletree.
В механизме "ноги" отвечающие за соответствующий бит кодирования, изменяют свое положение (если единичка - электромагнит притягивает ее, если нолик - "нога" остается на месте), тем самым приводя в действие барабан печатающей головки.

Посмотрите! Действительно, все гениальное - просто!

Идея для урока: изучение свойств шестереночных передач (состязание)

Занятие, предложенное ранее, больше подходит для ребят старших классов или первокурсников - они уже знакомы с понятием лабораторных работ, поэтому оно должно пройти в знакомом для них ключе.
Для более младших школьников занятие по изучению шестереночных передач предлагается вести в другом ключе - соревновательном.

Для этого предлагается использовать следующий механизм: Dragster



Данное транспортное средство интересно тем, что в его базовой конструкции используются несколько шестерней для повышения скорости механизма:



Задание таково: группа учеников разбивается на несколько команд. Каждая команда собирает Dragster, согласно инструкциям. Но при сборке передаточного механизма у каждой команды будет индивидуальное задание:
* одна команда собирает его как есть: большая шестерня на ось двигателей, маленькая - на ось колес.
* другая команда меняет шестеренки местами, так что большая шестерня крепится на ось колес, а мальенкая - на ось двигателей
* еще одна команда собирает устройство вообще без шестерен.

Так же в конструкцию вносятся изменения, для того чтобы машины смогли реагировать на голосовой сигнал старта - на корпус ставится микрофон (сенсор звука).

Поскольку ограничения конструкции таковы, что гонка может происходить только в одном направлении, программа, управляющая машинами, будет не сложная:



Состязания между командами можно сделать следующие:
- Кто быстрее? В начале - машины на одной линии. По гомкому сигналу, машины стартуют вместе.
- Кто сильнее (перетягивание каната)? Машины попарно соединяются друг с другом тросом, веревкой или несколькими лего-деталями, скрепленными вместе, так что машины на старте направлены в противоположные стороны. По громкому сигналу, машины начинают перетягивать соперника.
- Кто точнее? Либо проехать какое-то маленькое расстояние (10 см.), либо с помощью датчика освещенности остановиться на черной линии.

По результатам состязаний сделать и обсудить выводы вместе с учениками:
* Если нужна скорость - на двигатель большая шестерня.
* Если нужна сила - на двигатель меньшая шестерня.

Идея для урока: изучение свойств шестереночных передач (лабораторная работа)

Прежде чем переходить к созданию сколько-нибудь сложных роботов, одно из занятий курса "Программирование Lego-роботов" должно быть посвещенно рассмотрению свойств шестереночных передач, а также знакомство с таким понятием, как передаточное число.

Чтобы не обременять учеников сложной теорией, предполагается, что они могут ознакомиться с этой темой через несколько экспериментов. Например, в ходе экспериментов можно посмотреть как различные сочетания шестерен влияют на движения тележки вот такого робота:



Инструкции по сборке можно найти здесь.

Суть эксперимента в следующем. Ребята запускают робота, который пытается двигать тележку в соответствии со следующим заданием: выяснить сможет ли двигаться нагруженная тележка и насколько быстро при одной и той же мощности двигателя, но для разных конфигурациях шестерней.

Результаты экспериментов можно поместить в следующую таблицу

Конфигурация шестерней	Скорость Насколько быстро двигалась тележка	Сила Насколько нагружена тележка

Еще одна группа экспериментов с этим же роботов, позволит выяснить на сколько точно можно передвигать тележку с той или иной конфигурацией шестерней: при какой мощности и угле поворота двигателя толкатель сможет переместить тележку на 3 сантиметра?

Конфигурация шестерней	Сила двигателя	Угол поворота

По своей затее, данный набор экспериментов позволит ребятам лучше понимать взаимодействие различных шестерней друг с другом и познакомит с понятием передаточного числа.

Lego механизмы: калькулятор передаточных чисел для зубчатых передач

Навяно этим сообщением.

Передаточное число – это отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей. Т.е. если одна (ведомая) шестерня имеет 60 зубьев, а другая (ведущая) – 30, то передаточное число данной пары равно 2 (60/30).



Передаточное число важно учитывать, когда необходимо заставить двигаться механизм с определенной скоростью: чем больше передаточное число, тем медленнее вращается ведомая шестерня и наоборот.
Так же экспериментируя с передаточным числом зубчатой передачи, можно увеличить точность движения механизма: при передаточном большом числе, ведомая шестерня провернется на маленький угол при значительном повороте ведущей. Это к тому же иногда позволяет убрать паразитный люфт.

При большом количестве различных шестерней в наборах Lego Mindstorms и их возможного взаимного положения, расчет передаточного числа становится нетривиальной задачей. В таком случае при расчете может помочь данный калькулятор.

В верхней части калькулятора можно задать ведущую и ведомую шестерни (программа сама предложит только реально возможные варианты). Сразу после этого выдастся результат. Например,

The total final gear ratio is 1:36
- передаточное число - отношение 1 к 36
The speed is decreased 36 times.
- скорость уменьшается в 36 раз
The torque is increased 36 times.
- крутящий момент увеличивается в 36 раз
The follower gear rotates 0.027778 time per each revolution of the driver gear.
- ведомая шестерня поворачивается 0.028 раз за каждый полный поворот ведущей шестерни

Можно также задать определенный сервомотор и получить характеристики движения для заданной зубчатой передачи. Например,

The theoretical output speed will be 2.3 RPM at 7V and 3.3 RPM at 9V.
- теоретическая скорость будет 2.3 поворота в минуту на 7 вольтах и 3.3 поворота в минуту на 9 вольтах
The theoretical output torque will be 601.2 N.cm.
- теоретический крутящий момент будет 601 Ньютон на сантиметр.

В конце страницы можно воспользоваться автоматическим подсказчиком, который поможет определить какие шестерни можно вообще испольовать при заданном взаимном расположении их друг от друга.