XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ДОБЫЧА ЧЕРНОГО ЗОЛОТА: МОДЕЛЬ НЕФТЯНОЙ ВЫШКИ НА БАЗЕ LEGO WEDO 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Алимбаев Т.Р. 1

---

1МАУ ДО "Центр детей и молодежи "Юность" Уватского муниципального округа

Бузмакова Е.С. 1

---

1МАУ ДО "Центр детей и молодежи "Юность" Уватского муниципального округа

Работа в формате PDF

119.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Участник проекта: Алимбаев Тимур, 10 лет.

Срок реализации: март 2026 –апрель 2026 г.

Почему я выбрал эту тему? Каждое утро, когда я прихожу в школу, я вижу на улицах много машин. Мой папа ездит на работу на автомобиле, автобусы возят людей, самолеты летают в другие города. Я задумался: а что заставляет все эти машины двигаться? Ответ я узнал от учителя — это нефть. Из нефти делают бензин и дизельное топливо.

Но это еще не всё! Я посмотрел вокруг себя и понял, что нефть окружает меня повсюду. Мои пластиковые ручки, линейка, пенал, компьютерная мышка — всё это сделано из пластмассы. А пластмассу получают тоже из нефти. Даже моя одежда содержит синтетические волокна, которые производятся из этого ценного ископаемого. Получается, что без нефти наша современная жизнь была бы совершенно другой.

Актуальность темы. Нефть называют «черным золотом» не случайно. Это одно из самых важных полезных ископаемых на Земле. Она нужна для работы заводов, электростанций, транспорта. Но нефть находится глубоко под землей, и добыть её непросто.

Мне стало интересно: как люди придумали доставать нефть из-под земли? Какие машины им в этом помогают? Главная машина для добычи нефти — это станок-качалка, который ещё называют нефтяной вышкой. Я часто видел такие вышки в фильмах и по телевизору, и мне захотелось узнать, как они устроены.

Кроме того, я живу в Тюменской области, а наш регион — главный нефтяной край России. В Уватском округе, который находится в нашей области, добывают очень много нефти. Мне стало интересно узнать, как происходит добыча нефти рядом с нами.

Проблема исследования. Многие люди (в том числе и я до начала работы над проектом) не знают, как устроена нефтяная вышка. Они видят только её качающуюся «голову», но не понимают, какой механизм внутри заставляет её двигаться.

Основная проблема исследования: Какой тип механической передачи лучше всего подходит для нефтяной вышки? В станках-качалках используются разные типы редукторов, но большинство современных моделей оснащены червячной передачей. Почему инженеры выбрали именно её? В чём её преимущества перед обычными зубчатыми передачами? Нужно ли использовать сложные программы для управления или механизм справляется сам?

Также существует региональная проблема: многие школьники моего возраста (и даже взрослые) не знают о масштабах добычи нефти в Уватском округе — прямо рядом с нами. А ведь это важная часть экономики нашей области.

Объектом исследования является процесс механической передачи движения от мотора к рабочему органу станка-качалки (балансиру) в нефтедобывающем оборудовании.

Предметом исследования является червячная передача как один из типов механического редуктора, её свойства (передаточное отношение, самоторможение, компактность) и её применение в модели нефтяной вышки, собранной из конструктора LEGO WeDo 2.0.

Проблемный вопрос. Как с помощью механизмов преобразовать простое вращение мотора в движение вверх-вниз, как у настоящего насоса, который качает нефть из-под земли? И почему червячная передача подходит для этого лучше, чем обычные зубчатые передачи?

Гипотеза. Я предположил, что червячная передача лучше всего подходит для нефтяной вышки, потому что она:

1. Даёт большое передаточное отношение (1:24) — много оборотов мотора превращаются в один оборот выходного вала, создавая огромную силу при маленькой скорости.

2. Обладает свойством самоторможения — груз не может упасть вниз под своей тяжестью, даже если выключить мотор. Это очень важно для безопасности при добыче нефти.

3. Позволяет сделать механизм компактным, так как валы расположены под прямым углом.

Цель работы. Сконструировать и запрограммировать действующую модель станка-качалки (нефтяной вышки) с использованием червячной передачи из конструктора LEGO WeDo 2.0 и доказать, что червячная передача является оптимальным механизмом для нефтедобывающего оборудования благодаря свойству самоторможения.

Задачи проекта:

Изучить теоретический материал о нефти, её происхождении, способах добычи и применении в современном мире.

Познакомиться с устройством и принципом работы настоящего станка-качалки.

Изучить особенности добычи нефти в Уватском районе Тюменской области.

Изучить устройство, принцип работы и свойства червячной передачи (передаточное отношение, самоторможение, компактность).

Сконструировать модель нефтяной вышки из деталей LEGO WeDo 2.0 с применением червячного редуктора.

Написать программу для управления моделью в среде LEGO Education WeDo 2.0.

Провести экспериментальное сравнение червячной передачи с обычной зубчатой передачей и сделать выводы об эффективности каждой из них.

Практическая значимость. Мою модель можно использовать на уроках окружающего мира (при изучении полезных ископаемых и добычи нефти) и на занятиях по робототехнике (при изучении механических передач). Модель наглядно демонстрирует принцип работы червячной передачи и её главное свойство — самоторможение.

Этапы реализации проекта

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1. Что такое нефть и откуда она взялась?

Прежде чем начать собирать модель, я изучил много информации о нефти. Вот что мне удалось узнать.

Нефть — это маслянистая жидкость. Она может быть черного, темно-коричневого или даже зеленоватого цвета. Нефть легче воды и горит. Если её поджечь, она будет ярко гореть, поэтому нефть используют как топливо.

Откуда же взялась нефть? Ученые считают, что нефть образовалась из остатков древних растений и животных, которые жили в морях и океанах миллионы лет назад. Эти остатки падали на дно, смешивались с песком и илом. Со временем их засыпало новыми слоями, и под огромным давлением и температурой эти остатки превратились в нефть. Этот процесс занял сотни миллионов лет! Вот почему нефть называют невозобновляемым ресурсом — она образуется очень медленно, и люди добывают её гораздо быстрее, чем природа создает новую.

1.2. Где находится нефть и как её ищут?

Нефть находится глубоко под землей, в пористых горных породах. Иногда нефть выходит на поверхность сама — тогда образуются нефтяные озера или источники. Но чаще всего нефть лежит на глубине от 1 до 6 километров.

Как же узнать, где есть нефть? Этим занимаются геологи. Сначала они изучают горные породы на поверхности. Потом проводят специальные исследования — сейсморазведку. Ученые создают небольшие взрывы или используют вибрации, а специальные приборы записывают, как звук отражается от разных слоев земли. Так можно понять, какие породы находятся глубоко внизу, и есть ли там нефть. Это похоже на УЗИ, которое делают людям в больнице, только для Земли.

1.3. Как устроена нефтяная вышка (станок-качалка)?

Самая узнаваемая машина на нефтяном промысле — это станок-качалка. Его ещё называют нефтяной вышкой, хотя на самом деле буровая вышка и станок-качалка — это разные машины.

Буровая вышка — это высокая металлическая башня, с помощью которой бурят скважину (проделывают глубокое отверстие в земле). А когда скважина готова, на ней устанавливают станок-качалку — машину, которая выкачивает нефть на поверхность.

Вот из каких частей состоит станок-качалка:

1. Фундамент и рама — основание, на котором держится вся конструкция.

2. Мачта — вертикальная опора, похожая на столб.

3. Балансир — длинная горизонтальная «рука», которая качается вверх-вниз.

4. Противовес — тяжелый груз, который помогает балансиру легче подниматься и опускаться.

5. Редуктор с червячной передачей — это сердце станка-качалки, которое передаёт вращение от мотора к балансиру.

1.4. Что такое червячная передача и почему она так важна?

Теперь я хочу рассказать о самой интересной части моего проекта — о червячной передаче. Это один из самых удивительных механизмов в инженерии!

Как она устроена?

Червячная передача состоит из двух основных деталей:

1. Червяк — деталь, которая похожа на винт с резьбой (как Архимедов винт). В наборе LEGO WeDo 2.0 она выглядит как длинная деталь со спиральными канавками.

2. Червячное колесо — обычное зубчатое колесо (в наборе WeDo 2.0 используется колесо на 24 зубья).

Эти две детали сцепляются под прямым углом. Когда червяк вращается, он своими витками "отталкивает" зубья колеса, заставляя его поворачиваться. В наборе LEGO WeDo 2.0 есть специальный кейс для червячного редуктора — коробочка, которая удерживает обе детали в правильном положении, чтобы они не расцеплялись.

Какие у неё удивительные свойства?

Я выделил три главных особенности червячной передачи:

Особенность 1: Огромная сила при маленькой скорости

Червячная передача сильно уменьшает скорость, но зато очень сильно увеличивает силу (крутящий момент). Передаточное отношение червячной передачи в наборе WeDo 2.0 составляет 1:24. Это значит, что червяк должен сделать 24 оборота, чтобы колесо повернулось всего 1 раз!

Для нефтяной вышки это идеально — нам не нужно, чтобы балансир качался быстро. Нам нужно, чтобы он медленно, но с огромной силой поднимал тяжёлую штангу с глубины в несколько километров.

Особенность 2: Самоторможение (самое важное свойство!)

Это самое удивительное свойство червячной передачи. Дело в том, что вращение можно передавать только от червяка к колесу, но никак не наоборот. Если попробовать крутить колесо, его зубья просто упрутся в витки червяка и застопорятся.

Почему это так важно для нефтяной вышки? Представьте: выключился свет, мотор остановился. Тяжёлая штанга с насосом, которая висит на глубине, хочет упасть вниз под собственной тяжестью. Если бы в механизме была обычная зубчатая передача, груз просто "протянул" бы шестерёнки и рухнул вниз — авария! Но червячная передача не позволяет этому случиться. Штанга останется на месте, даже если отключится электричество. Это свойство называется самоторможением.

Особенность 3: Компактность

Валы червяка и колеса расположены под прямым углом. Это позволяет экономить место и делать механизм более компактным.

1.5. Где ещё применяется червячная передача?

Я узнал, что червячные передачи используются во многих механизмах вокруг нас:

• В лифтах и подъёмниках — чтобы кабина не падала, если оборвётся трос.

• В разводных гаечных ключах — чтобы ключ не "схлопывался" сам по себе.

• В регулировочных механизмах музыкальных инструментов (например, для натяжения струн).

• В шлагбаумах — чтобы стрела не опускалась сама по себе.

• В робототехнике — для создания точных и надёжных механизмов.

1.6. Что делают из нефти?

Нефть — это удивительное сырье. Из неё получают сотни разных продуктов. Вот лишь некоторые из них:

Топливо: бензин для автомобилей; дизельное топливо для грузовиков, поездов и кораблей; керосин для самолетов; мазут для котельных и электростанций.

Пластмассы: игрушки; компьютерная техника; посуда; бутылки для воды.

Синтетические материалы: одежда (флис, акрил, нейлон, полиэстер); ковры; мебельная обивка.

Лекарства: аспирин; многие антибиотики; витамины.

Бытовая химия: мыло и шампуни; стиральные порошки; косметика; краски и лаки.

И даже жевательная резинка и парафиновые свечи делаются из продуктов переработки нефти! Удивительно, как много вещей вокруг нас сделано из «черного золота».

1.7. Добыча нефти в Уватском районе

Тюменская область — главный нефтяной регион России. И Уватский район — одно из ключевых мест, где добывают нефть. Мне было очень интересно узнать про это подробнее, потому что это наша родная земля.

Как всё начиналось

Нефть в Уватском районе нашли еще в середине XX века, в 1950-60-х годах. Но долгое время её не добывали. Почему? Потому что эти места очень труднодоступные: вокруг леса, болота, нет дорог. Зимой здесь суровые морозы, а летом — тучи комаров и грязь. Кроме того, нефть здесь находится в сложных породах, и старые технологии не позволяли добывать её выгодно. Долгое время считалось, что добыча нефти в Уватском районе — это слишком дорого и нерентабельно.

Всё изменилось в 2004 году. Тогда было принято решение начать крупный инвестиционный проект по освоению Уватского района. Была разработана специальная программа, как можно добывать нефть в таких трудных условиях.

Как развивался Уватский проект

Активное освоение Уватского района началось в 2004 году. Первую нефть здесь добыли в 2007 году. С тех пор проект постоянно растет.

Сегодня добычей нефти в Уватском районе занимается компания «РН-Уватнефтегаз» (она входит в большую компанию «Роснефть»). Уватский проект объединяет 19 лицензионных участков общей площадью более 25 тысяч квадратных километров.

На территории Уватского проекта работают три крупных центра нефтедобычи:

• Усть-Тегусский хаб

• Протозановский хаб

• Тямкинский хаб

Сколько нефти добывают в Уватском районе?

Результаты впечатляют. Сегодня Уватский проект добывает около 10 миллионов тонн нефти в год. На долю «РН-Уватнефтегаза» приходится более 80% всей нефти, добываемой на юге Тюменской области.

А всего с 2007 года, когда началась добыча, накопленный объем нефти, добытой в Уватском районе, достиг 150 миллионов тонн! Это огромное количество. Для сравнения: один железнодорожный состав может перевезти около 4 тысяч тонн нефти. Чтобы перевезти 150 миллионов тонн, понадобилось бы 37 500 таких составов! Если выстроить эти составы в линию, они протянулись бы на тысячи километров.

Современные технологии

Нефтяники Уватского проекта используют самые современные технологии. В 2025 году они ввели в эксплуатацию 99 новых скважин. Многие из них — горизонтальные. Обычные скважины бурят вертикально вниз, а горизонтальные скважины, достигнув нужной глубины, поворачивают и идут параллельно поверхности земли. Это позволяет добывать больше нефти из одного месторождения.

А еще на промыслах используют цифровые технологии — систему «Сфера 3D». Она помогает управлять оборудованием в реальном времени, следить за всеми процессами и принимать лучшие решения. Это называется цифровизацией производства.

2. Практическая часть (Конструирование и механика)

2.1. Что нам понадобилось

Для создания модели нефтяной вышки я использовал набор LEGO WeDo 2.0. В него входят:

• Смарт-хаб (блок управления с батарейками)

• Мотор

• Различные балки, оси, шестеренки и соединительные детали

• Специальный кейс для червячного редуктора (это очень важная деталь!)

• Ноутбук с программой LEGO Education WeDo 2.0

2.2. Как работает червячная передача в моей модели

Прежде чем строить вышку, я собрал отдельно червячный механизм, чтобы понять, как он работает.

Я закрепил мотор на столе, на ось мотора надел червяк. Рядом, под прямым углом, расположил зубчатое колесо на 24 зубья так, чтобы витки червяка касались зубьев колеса. Чтобы детали не расходились, я использовал специальный кейс (коробочку) из набора LEGO, который фиксирует червяк и колесо в правильном положении.

Когда я включил мотор, червяк начал вращаться. Его витки "толкали" зубья колеса, и колесо медленно, но очень мощно поворачивалось. Я попробовал остановить колесо рукой — это оказалось невозможно! Мотор продолжал крутить червяк, а колесо стояло на месте. Но когда я попробовал крутить само колесо (как будто груз тянет его в обратную сторону), оно даже не сдвинулось — зубья упёрлись в витки червяка, и механизм заблокировался.

Этот простой эксперимент наглядно показал мне главное свойство червячной передачи — самоторможение.

2.3. Этапы сборки модели нефтяной вышки

Шаг 1. Фундамент (Основание)

Я начал с постройки прочного основания. Нефтяная вышка — тяжелая машина, и она должна устойчиво стоять на земле. Я использовал длинные балки, чтобы сделать широкую и тяжелую платформу.

Шаг 2. Установка червячного редуктора

Я закрепил мотор на фундаменте. На ось мотора надел червяк и поместил его в специальный кейс. Рядом, внутри кейса, расположил зубчатое колесо (24 зубья), которое сцепилось с червяком. Выходная ось колеса стала главной "силовой" осью моего механизма.

Шаг 3. Кривошип и шатун

На выходную ось (которая вращается от червячного колеса) я надел кривошип — деталь, которая крепится не в центре оси, а смещённо. К кривошипу я прикрепил шатун (соединительную тягу).

Шаг 4. Мачта и балансир

Я построил высокую мачту — вертикальную опору. На вершине мачты закрепил балансир (длинную "руку") так, чтобы он мог свободно качаться вверх-вниз. Шатун от кривошипа я соединил с одним концом балансира. На другой конец балансира прикрепил противовес — груз, который помогает балансиру легче подниматься.

Шаг 5. Финальная сборка

Я соединил все части, проверил, чтобы ничего не болталось, и чтобы все детали двигались свободно. Убедился, что червяк плотно сцеплен с колесом внутри кейса.

2.4. Как работает моя модель

Когда я включаю мотор:

1. Мотор вращает червяк.

2. Витки червяка толкают зубья червячного колеса.

3. Колесо вращается очень медленно, но с огромной силой (передаточное число 1:24).

4. Вместе с колесом вращается кривошип (смещённая ось).

5. Кривошип тянет шатун.

6. Шатун толкает балансир.

7. Балансир качается вверх-вниз, имитируя работу насоса.

И самое главное: если я выключу мотор, балансир останется на месте и не упадёт вниз! Это работает свойство самоторможения червячной передачи. В настоящей нефтяной вышке это свойство спасает оборудование от аварий при отключении электричества.

3. Программирование (Оживляем модель)

Чтобы моя нефтяная вышка заработала, нужно написать программу. В LEGO WeDo 2.0 программирование очень простое — мы используем цветные блоки, которые перетаскиваем мышкой.

Моя программа:

1. Блок «Начало» — нажатие на зеленый флажок в программе.

2. Блок «Мотор по часовой стрелке» — я установил мощность на 8 (можно использовать максимальную, потому что червячная передача сама снизит скорость и увеличит силу).

3. Блок «Цикл» — я поставил бесконечный цикл, чтобы вышка качалась непрерывно, пока я не нажму «Стоп».

4. Исследование (Эксперимент с передачами)

Я провел эксперимент, чтобы сравнить разные типы передач и доказать, что червячная передача лучше всего подходит для нефтяной вышки.

Опыт 1. Обычная зубчатая передача (цилиндрические шестерни)

Я соединил мотор с балансиром через обычные зубчатые колёса (без червяка). Включил мотор — балансир закачался. Потом я выключил мотор и попробовал рукой надавить на балансир.

Результат: Балансир легко опустился вниз под моим нажатием. Груз (имитация нефтяной штанги) упал бы, если бы отключилось электричество. Это опасно для настоящей вышки!

Опыт 2. Червячная передача

Я собрал механизм с червячной передачей, как описано выше. Включил мотор — балансир закачался медленнее, но с большей силой (я попробовал придержать его рукой — мотор продолжал тянуть). Потом я выключил мотор и снова попробовал надавить на балансир.

Результат: Балансир не сдвинулся с места! Червячная передача заблокировалась. Это свойство называется самоторможением. Для нефтяной вышки это идеально — даже при отключении электричества тяжёлая штанга не упадёт в скважину.

Результаты эксперимента (таблица)

Вывод из эксперимента

Червячная передача — лучший выбор для нефтяной вышки, потому что она:

1. Даёт огромную силу при маленькой скорости (передаточное число 1:24).

2. Обладает самоторможением — груз не падает при отключении мотора, что очень важно для безопасности.

3. Позволяет сделать механизм компактным (валы расположены под прямым углом).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Что мне удалось сделать

1. Я узнал много нового о нефти: что это за вещество, как она образовалась, где её добывают и для чего используют. Оказывается, из нефти делают не только бензин, но и пластмассу, лекарства, одежду и даже косметику.

2. Я изучил, как устроена и работает настоящая нефтяная вышка — станок-качалка.

3. Я узнал про добычу нефти в нашем Уватском округе. Это один из самых крупных и современных нефтяных проектов в России. Здесь добывают около 10 миллионов тонн нефти в год, а всего с 2007 года добыто уже 150 миллионов тонн.

4. Я подробно изучил червячную передачу: её устройство, свойства и применение. Я выяснил, что у червячной передачи есть уникальное свойство —самоторможение, которое делает её незаменимой в грузоподъёмных механизмах.

5. Я собрал модель нефтяной вышки из конструктора LEGO WeDo 2.0 с использованием червячной передачи.

6. Я написал программу, которая заставляет модель двигаться.

7. Я провёл эксперимент и доказал, что червячная передача лучше обычной зубчатой для нефтяной вышки, потому что она даёт больше силы и обладает самоторможением.

Моё главное открытие

Я понял, что червячная передача — это удивительный механизм, который сочетает в себе силу, надёжность и безопасность. Благодаря свойству самоторможения, груз, поднятый с помощью червячной передачи, никогда не упадёт вниз сам по себе. Именно поэтому червячные передачи используются в лифтах, подъёмниках и, конечно, в нефтяных вышках.

Почему это важно

Нефть — важнейшее полезное ископаемое, без которого невозможно представить нашу современную жизнь. Умение добывать нефть делает нашу страну сильной и независимой. Тюменская область — главный нефтяной регион России, а Уватский район — один из ключевых центров нефтедобычи. Я горжусь тем, что живу в таком богатом и развитом крае.

Что можно сделать в будущем

В будущем я хочу:

• Добавить к модели датчик, который будет имитировать контроль за уровнем нефти.

• Собрать мобильную буровую установку, которая сможет передвигаться и бурить в разных местах.

• Изучить другие виды механических передач (реечную, коническую) и сравнить их с червячной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Роснефть. Уватский проект «Роснефти» достиг рубежа в 150 млн тонн добычи [Электронный ресурс] // Официальный сайт ПАО «НК «Роснефть». – 2025. – Режим доступа: https://www.rosneft.ru/press/news/ (дата обращения: 08.04.2026).

2. Энергетика и промышленность России. Уватский проект «Роснефти» достиг рубежа в 150 млн тонн добычи [Электронный ресурс] // Энергетика и промышленность России : сетевое издание. – 2025. – 20 марта. – Режим доступа: https://eprussia.ru/news/(дата обращения: 08.04.2026).

3. AKM.RU. На Уватском проекте добыли 145-миллионную тонну нефти [Электронный ресурс] // AKM.RU : информационное агентство. – 2025. – 14 января. – Режим доступа: https://akm.ru/news/ (дата обращения: 08.04.2026).

4. Механические передачи на Lego WeDo 2.0 [Электронный ресурс] // ВКонтакте : сообщество «Мир роботов». – 2022. – 9 февраля. – Режим доступа: https://vk.com/@clubmirrobotov-mp (дата обращения: 08.04.2026).

5. Червячная передача Lego Wedo 2.0 [Электронный ресурс] // Секция робототехники для детей «Дело Техники» (Екатеринбург). – 2021. – 26 августа. – Режим доступа: https://xn--d1acamalered3bf4b5g.xn--p1ai/%d1%87%d0%b5%d1%80%d0%b2%d1%8f%d1%87%d0%bd%d0%b0%d1%8f-%d0%bf%d0%b5%d1%80%d0%b5%d0%b4%d0%b0%d1%87%d0%b0-lego-wedo-2-0/ (дата обращения: 08.04.2026).

6. LEGO Education. Конструктор LEGO WeDo 2.0 : руководство по сборке и программированию [Текст] : методическое пособие / LEGO Education. – Москва : LEGO Group, 2018. – 48 с.

7. Клименко, А. В. Нефть и газ : детская энциклопедия [Текст] / А. В. Клименко, М. Д. Сухарев ; под редакцией В. И. Петрова. – Москва : Росмэн, 2022. – 96 с. – (Самая интересная энциклопедия). – ISBN 978-5-353-09845-6.

8. Шпаковский, В. О. Робототехника для детей и родителей [Текст] : книга-инструкция по LEGO WeDo 2.0 / В. О. Шпаковский. – Санкт-Петербург : Наука и техника, 2023. – 112 с. – ISBN 978-5-94387-998-4.