Машиностроение и робототехника версия 2.0

– «Беседа» с Галилеем.

– «Начала» Ньютона.

– Механика Лейбница.

– Труды Эйлера по механике.

§2. Простейшие механизмы

Что такое простые механизмы? Каждый день мы используем простые механизмы – когда открываем дверь, поворачиваем кран, открываем консервную банку или едем на велосипеде. Простые механизмы облегчают нашу жизнь. Сила (толкающая или тянущая) – это то, что заставляет двигаться груз или, например, ваше тело.

В простых механизмах работа выполняется одним элементом, и в них очень мало или совсем нет движущихся деталей. Примером простого механизма может служить рычаг. Рычаг, например лом, можно использовать для перемещения тяжелого груза, с помощью лома перемещать груз гораздо легче, чем без него. Сила, которую нужно приложить к лому, чтобы сдвинуть груз с места, меньше силы, которую для того же действия вам пришлось бы приложить к самому грузу. Таким образом, механизмы облегчают работу человека. [5]

Ещё в первом веке до нашей эры Герон Александрийский впервые исследовал 5 типов простых механизмов: рычаг, блок, ворот, клин и винт.

Для подъема и горизонтального передвижения тяжестей греки и римляне применяли ворот. В строительном деле употреблялись блоки и системы блоков – полиспасты. Вращательные движения преобразовывали с помощью систем зубчатых колес. Более сложные механические орудия (водяное колесо, червячная передача, винт, насос, и т. д.) применялись сравнительно редко – рабский труд препятствовал распространению механических приспособлений.

Для подробного изучения этих механизмов рекомендую ознакомиться с комплектом заданий к набору 9689 «Простые механизмы» (Компания LEGO® Education).

Катапульта

Этапы сборки

1. Соберите модель «Катапульта».

2. Создайте снаряд для метания из кусочка бумаги.

3. Произведите запуск снаряда.

4. Попробуйте объяснить, каким образом работает «Катапульта».

5. Какие простейшие механизмы используются в данной модели?

§3. Нестандартные виды соединений деталей

Все детали конструкторов LEGO® изготавливаются по определённому стандарту с высокой степенью точности (кубики, созданные в наше время, можно состыковать с кубиками, выпущенными в 1958), это позволяет соединять их без значительных усилий.

Лего детали

Кроме того, после соединения детали должны надёжно крепиться друг к другу. Для обеспечения этих условий формы для штамповки элементов конструктора производятся с точностью 10 мкм.

Основа производства – термопластавтоматы, в которых из разноцветных термопластов методом инжекции (впрыскивания) штампуют под давлением 25—150 тонн и температуре +232 °C элементы конструктора.

Высокая точность и прочность изготовленных деталей позволяет крепко соединять их друг с другом различным образом. [12,22]

Изучите историю создания и развития компании LEGO Group.

Этапы сборки нестандартных соединений

1. Соедините детали так, как показано на рисунке.

2. Как вы считаете, будет ли полезным использовать данные виды соединения?

3. Придумайте свой нестандартный способ соединения деталей.

Будем считать единицей расстояния величину между отверстиями.

1. Проверьте теорему Пифагора на практике.

2. Определите радиус большой шестеренки. Для этого нужно найти радиус маленькой шестерёнки.

Если поставить рядом две маленькие шестерёнки они будут стоять на расстоянии 1, отсюда следует, что радиус маленькой шестерёнки будет равен 1:2=0,5.

Проверьте полученные значения для этого прикрепите к балке рядом две большие шестеренки.

1. Используя знания теоремы Пифагора, найдите радиус малой чёрной шестеренки.

2. Найдите радиус большой чёрной шестеренки.

3. Шаг между соседними «кнопками» или отверстиями (единица расстояния) равна 8мм. Проверьте свои расчеты, количество зубьев должно быть равно диаметру шестеренки в мм.

§4. Способы передачи крутящего момента

Поработайте с таблицей.

1. Поясните значки.

2. Соберите механизмы.

3. Объясните расположение механизмов.

4. Дополните таблицу, собрав недостающие механизмы.

§5. Моделирование как метод познания

Человек стремится познать объекты окружающего мира, он взаимодействует с существующими объектами и создаёт новые объекты.

Одним из методов познания объектов окружающего мира является моделирование, состоящее в создании и исследовании «заместителей» реальных объектов. [3]

Конструктор помогает моделировать объекты, окружающего мира, сначала только лишь отражая внешний вид, а затем уже отображая некоторые характеристики объекта, моделируя отдельные части. В процессе создания моделей мы будем создавать не просто конструкции, а реализовать проекты.

При создании 3D модели пользуйтесь программой LEGO Digital Designer 4.3. Она позволяет делать трехмерные модели, которые можно рассмотреть с разных сторон. [14]

Все модели данного практикума созданы в ней. При соединении шестерёнок учитывается количество зубьев, поэтому чтобы соединить шестерёнки необходимо повернуть оси под соответствующим углом.

Соединим две большие шестеренки в LEGO Digital Designer 4.3.

Известно, что градусная мера окружности равна 360 градусов. Посчитаем количество зубьев, их будет 24. Угол между зубьев будет равен 360:24=15 градусам. Если первая шестеренка стоит на оси в начальном положении 0 градусов, то вторую ось нужно повернуть в положение без зуба посередине между 0 и 15. Получается, чтобы соединить две большие шестеренки нужно, чтобы разница между градусными мерами углов осей составляла 7,5 градусов.