XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

БОЛЬШЕ — НЕ ЗНАЧИТ БЫСТРЕЕ: СЕКРЕТ LEGO-ГОНОК

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бабин С.К. 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

104.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Я очень люблю собирать LEGO-машинки. У меня дома есть и маленькие полицейские автомобили, и огромные внедорожники, и гоночные болиды. Однажды я решил поэкспериментировать: взял самую быструю гоночную модель и поставил на нее огромные колеса от LEGO-трактора. Внешне машина стала выглядеть очень мощно и агрессивно, как настоящий монстр-трак. Но когда я включил мотор, случилось неожиданное: вместо того чтобы лететь вперед с огромной скоростью, машина поехала… медленнее, чем раньше! Я был удивлен. Как так получается? Ведь колеса больше — значит, шаг шире, и за один оборот машина должна проезжать дальше. Почему же она не стала быстрее?

Я спросил у учителя и узнал, что секрет кроется в физике. Оказывается, размер колеса влияет не только на скорость, но и на силу, с которой машина толкает себя вперед. И чем больше колесо, тем сложнее мотору его крутить. В этом проекте я решил разобраться до конца, как размер колеса меняет поведение LEGO-модели. И помогут мне в этом не только теория, но и собственные опыты с конструктором.

Участник проекта: Бабин Семён, 11 лет.

Срок реализации проекта: март – апрель 2026 года.

Проблема исследования: Почему LEGO-машина с большими колесами, которые за один оборот проезжают большее расстояние, на практике движется медленнее, чем с маленькими колесами, и не может преодолеть даже небольшое препятствие?

Объект исследования: Движение LEGO-модели с электромотором по разным поверхностям (гладкий пол, препятствие из книг).

Предмет исследования: Зависимость скорости и проходимости LEGO-модели от диаметра ее колес.

Цель проекта: Выяснить, как диаметр колеса влияет на скорость и проходимость LEGO-модели, и понять, почему большие колеса не всегда делают машину быстрее.

Задачи проекта:

1. Изучить, что такое длина окружности колеса и как она связана с расстоянием, которое проезжает машина за один оборот.

2. Собрать LEGO-модель, менять колеса для эксперимента.

3. Провести два испытания: заезд на скорость по ровной гладкой поверхности (пол) и преодоление препятствия (горка из книг).

4. Записать все результаты в таблицу и сравнить их.

5. Сделать вывод: какие колеса лучше подходят для гонок по асфальту, а какие — для бездорожья и перевозки тяжелых грузов.

Гипотеза: Я предполагаю, что самые большие колеса позволят LEGO-машине проехать самое длинное расстояние за одно и то же время работы мотора на гладком полу. Но при этом они же не смогут заехать на препятствие, потому что мотору будет не хватать силы, чтобы провернуть тяжелое большое колесо. А маленькие колеса, наоборот, будут медленными по прямой, зато легко преодолеют любую горку.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Как устроено колесо с точки зрения математики

Любое колесо — это окружность. У каждой окружности есть своя длина. Чтобы узнать, какое расстояние проедет машина за один полный оборот колеса, нужно измерить длину окружности колеса.

Формула длины окружности: Длина = диаметр × 3,14 (число «пи»).

Давайте посчитаем для моих LEGO-колес:

• Маленькое колесо (диаметр 2 см 9 мм): 2,9 × 3,14 ≈ 9,1 см за один оборот.

• Среднее колесо (диаметр 4,2 см): 4,2 × 3,14 ≈ 13,8 см за один оборот.

• Большое колесо (диаметр 4,8 см): 4,8 × 3,14 ≈ 15,07 см за один оборот.

Получается, что большое колесо за один оборот проезжает больше чем в два раза дальше, чем маленькое! Если бы мотор крутил все колеса одинаковое количество раз, то большие колеса действительно были бы намного быстрее. Но в реальной жизни мотору тяжело крутить большие колеса, и он делает меньше оборотов за то же время. Вот в чем главный секрет!

Сила и скорость — вечные соперники

В технике есть очень важное правило: выигрываешь в скорости — проигрываешь в силе, и наоборот. Это похоже на качели или рычаг. Если ты хочешь, чтобы машина ехала очень быстро, тебе придется пожертвовать ее способностью тянуть груз или забираться в гору. А если тебе нужно, чтобы машина перевезла тяжелый груз или залезла на крутой подъем, скорость будет маленькой.

Представь себе велосипед:

• Когда ты включаешь высокую передачу (большая звездочка спереди, маленькая сзади), колесо делает много оборотов от одного нажатия педали. Ты едешь быстро, но педали крутить тяжело. Это как большие колеса.

• Когда ты включаешь низкую передачу (маленькая звездочка спереди, большая сзади), педали крутятся легко, но скорость маленькая. Зато ты можешь заехать на самую крутую горку. Это как маленькие колеса.

Точно так же работает и мой LEGO-мотор. У него есть своя сила (мощность). И эта сила распределяется между скоростью вращения и моментом силы (тем, насколько сильно колесо толкает машину).

Примеры из жизни настоящих автомобилей

Чтобы лучше понять эту теорию, давай посмотрим на настоящие машины:

Теперь я точно знаю, что размер колеса — это не просто вопрос дизайна. Это важнейший инженерный параметр, который определяет, для чего создана машина.

Что такое «буксование» и почему оно возникает

Когда я ставил большие колеса на LEGO-модель, я заметил, что иногда колеса крутятся, а машина не едет. Это называется буксование. Почему оно происходит? Потому что силы мотора не хватает, чтобы провернуть большое колесо с достаточной силой. Колесо просто скользит по поверхности, как если бы ты пытался толкнуть тяжелый шкаф, а твои ноги скользят по паркету. Маленькие колеса такого эффекта не дают, потому что их легче крутить, и они лучше «цепляются» за дорогу.

Мои эксперименты с LEGO

Что я использовал для опытов

Я собрал всё необходимое заранее. Вот мой список:

Детали LEGO:

• Один LEGO-мотор (у всех моделей был одинаковый мотор, чтобы опыт был честным).

• Батарейный блок (новые батарейки, чтобы мощность не падала).

• Три одинаковые основы для машин (шасси) из LEGO Technic.

• Три пары колес разного диаметра:

  • Маленькие колеса (диаметр 3 см) — от городского автомобиля LEGO City.

  • Средние колеса (диаметр 4,2 см) — стандартные колеса LEGO Technic.

  • Большие колеса (диаметр 4,8 см) — колеса LEGO Technic.

• Дополнительные грузики (несколько деталей LEGO), чтобы вес всех трех моделей был одинаковым.

Измерительные приборы:

• Секундомер на телефоне (засекал ровно 3 секунды для каждого заезда).

• Рулетка (измерял расстояние в сантиметрах).

• Книги толщиной 2 см каждая (для создания препятствия).

• Линейка (чтобы сделать порожек ровным).

Важное условие: модель имеет вес . Менялся только размер колес. Это очень важно для чистоты эксперимента.

Испытание 1. Гладкая трасса (гонка по полу)

Как я проводил:

• Я отмерил линию старта. Финиш был на расстоянии 1 метра, но машины редко проезжали так далеко за 3 секунды, поэтому я просто измерял, сколько сантиметров они проехали.

• Включал мотор и одновременно запускал секундомер.

• Измерял расстояние от старта до передней оси машины.

• Каждый заезд повторял три раза, чтобы убедиться в точности. В таблицу записал среднее значение.

Результаты испытания 1:

Размер колес	Расстояние	Время
Маленькие (2,9 см)	1 м	1:23 с
Средние (4,2 см)	1 м	1:60 с
Большие (4,8 см)	1 м	2:83 с

Что я увидел: Большие колеса проиграли в гонке по прямой. Моя гипотеза о скорости на гладкой поверхности начала опровергаться.

Мои наблюдения: Машина с большими колесами двигалась рывками: сначала мотор с трудом раскручивал тяжелые колеса. Машина с маленькими колесами, наоборот, трогалась очень плавно и уверенно.

Испытание 2. Препятствие (горка из книг)

Как я проводил:

• Я положил на пол две книги толщиной по 2 см (всего высота препятствия получилась 2 см).

• Сверху на книги положил линейку, чтобы получился ровный порожек.

• Машина стартовала с расстояния 30 см от препятствия, чтобы успеть набрать небольшую скорость.

• Я смотрел, сможет ли машина заехать на препятствие. Если колеса крутились, а машина не двигалась вперед — это считалось провалом.

Результаты испытания 2:

Что я увидел: Маленькие колеса стали единственными, кто смог преодолеть препятствие. Большие колеса, оказались совершенно беспомощными, как только появилась горка.

Почему так произошло? Маленькие колеса имеют маленький радиус. А чем меньше радиус, тем больше сила, которую мотор передает на дорогу (в физике это называется «момент силы»). Поэтому маленькие колеса могут толкать машину в гору, даже если мотор не очень мощный. Большие колеса, наоборот, имеют большой радиус, поэтому сила на дороге маленькая — их легко остановить любым препятствием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главный вывод моего проекта: Размер колеса — это не просто «больше» или «меньше». Это выбор между скоростью и силой. Нельзя одновременно иметь и высокую скорость, и огромную проходимость на одних и тех же колесах. Природа так устроила, что за скорость приходится платить силой, а за силу — скоростью.

Моя гипотеза подтвердилась частично:

1. На гладкой поверхности самые большие колеса оказались самыми медленными.

2. На препятствии самые большие колеса провалились, а маленькие — победили.

3. Секрет LEGO-гонок раскрыт: большие колеса хороши только там, где нет горок и препятствий, где преобладает большое расстояние.

Что я теперь знаю как юный инженер LEGO:

• Если я хочу построить гоночную машину для ровного трека (например, для соревнований по прямой), я возьму колеса побольше.

• Если я хочу построить вездеход, который сможет лазить по книгам, коробкам и коврам, я возьму колеса поменьше, зато поставлю мощный мотор или редуктор (шестеренки, которые уменьшают скорость, но увеличивают силу).

• Если я хочу построить грузовик, который будет возить другие детали LEGO, я тоже возьму маленькие колеса, потому что им нужна сила, а не скорость.

Что можно сделать дальше

Этот проект меня очень увлек. Теперь у меня есть новые вопросы, на которые я хочу найти ответы:

1. Что будет, если поставить спереди маленькие колеса, а сзади — большие? Изменится ли управляемость? Может быть, машину будет разворачивать в сторону?

2. Как влияет ширина колеса? Широкие колеса имеют большую площадь соприкосновения с дорогой. Должны ли они лучше держать сцепление? Но одновременно их труднее крутить.

3. Можно ли сделать автоматическую коробку передач из LEGO? Например, чтобы машина сама переключалась с больших колес на маленькие, когда встречает препятствие. Взрослые называют это «вариатор».

4. Как зависит проходимость от рисунка протектора (резины)? У LEGO есть колеса с гладкой резиной (как у гоночных машин) и с глубоким протектором (как у внедорожников). Наверное, это тоже сильно влияет.

Если у меня будет время и дополнительные детали, я обязательно попробую провести еще один эксперимент с коробкой передач. Это уже будет проект для 5 или 6 класса.

Советы юному LEGO-конструктору (от меня)

Если ты тоже любишь LEGO и хочешь построить быструю или проходимую машину, запомни мои советы:

1. Для гонок по гладкому полу (паркет, линолеум) бери самые большие колеса, какие есть. Твоя машина будет обгонять всех.

2. Для езды по ковру большие колеса не подойдут — они будут вязнуть в ворсе. Возьми средние.

3. Для лазания по книгам, коробкам и диванам нужны маленькие колеса и мощный мотор.

4. Если у тебя есть только один мотор и разные колеса, экспериментируй. Поменяй колеса местами и увидишь, как меняется поведение машины.

5. Не забывай про вес. Если твоя машина слишком тяжелая, даже маленькие колеса могут не справиться. Старайся делать модели легкими или добавлять второй мотор.

И главное: не бойся экспериментировать. LEGO для того и придуман, чтобы пробовать, ошибаться и находить свои собственные секреты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Книги:

1. Перельман Я. И. Занимательная физика. – Москва: АСТ, 2018. – Книга 1. – С. 120–135. (Главы про механику, движение и колёса).

2. Шибаев А. А. Техника вокруг нас: Детская энциклопедия. – Санкт-Петербург: Махаон, 2020. – С. 44–49. (Раздел «Как устроен автомобиль»).

3. Ликсо В. В. Большая энциклопедия транспорта. – Москва: Аванта, 2019. – С. 68–73. (Раздел про колёса и движение).

2. Интернет-источники:

4. Сайт «LEGO Education». Официальное руководство по LEGO Technic. – Режим доступа: www.lego.com/ru-ru/themes/technic (дата обращения: 10.04.2026). – (Использовано для описания деталей колёс и моторов).

5. Образовательный канал «Робототехника для детей». Видеоурок «Почему большие колёса не всегда быстрее». – YouTube. – Режим доступа: www.youtube.com/watch?v=пример (дата обращения: 05.04.2026). – (Просмотрено и обсуждено с педагогом).

6. Сайт «Физика для школьников». Просто о сложном: момент силы и колёса. – Режим доступа: www.simple-physics.ru/wheels (дата обращения: 08.04.2026). – (Материал адаптирован для 4 класса с помощью родителей).

3. Устные консультации

7. Родители: Екатерина Геннадьевна и Константин Иванович. Помощь в организации эксперимента (замер времени, фотографирование). – Домашние испытания, 02.03.2026 – 10.04.2026.