XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ланч-бокс с автоподогревом
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Проблема организации здорового горячего питания в школе остаётся одной из наиболее острых для родителей, педагогов и медицинских работников. Современный школьник проводит в образовательном учреждении 6–8 часов, а перемены зачастую не превышают 10–15 минут. Столовая не всегда справляется с потоком учащихся, а предлагаемая еда не всегда соответствует вкусовым предпочтениям детей и принципам индивидуального здорового питания. В результате многие дети либо отказываются от еды, либо перекусывают бутербродами, чипсами и шоколадными батончиками, что негативно сказывается на их пищеварении, концентрации внимания и общем самочувствии.
Альтернативой становится домашняя еда в контейнере. Однако к третьему-четвёртому уроку даже горячий суп или котлета с гарниром остывают до комнатной температуры, становятся менее вкусными и аппетитными. Холодная пища хуже усваивается, может вызывать дискомфорт в желудке и не даёт необходимого прилива энергии. Существующие термосы и термокружки сохраняют тепло лишь в течение 2–3 часов, а для активного разогрева не предназначены.
Мы увидели проблему в том, что, несмотря на очевидную пользу горячего домашнего питания в школе, современные средства хранения и переноски еды не обеспечивают возможность подогрева до комфортной температуры непосредственно перед употреблением. В связи с чем мы поставили перед собой цель —создать действующий прототип контейнера для школьных перекусов со встроенным подогревом на базе учебного конструктора LEGO SPIKE PRIME, обеспечивающий быстрый и удобный разогрев пищи.
Для достижения данной цели нами были обозначены следующие задачи:
-Проанализировать существующие технические решения для подогрева и термоизоляции пищевых контейнеров;
-Создать модель контейнера с подогревом на базе LEGO SPIKE PRIME, используя моторы и датчики конструктора;
-Разработать программу управления нагревом в среде SPIKE Prime;
-Продемонстрировать работу прототипа на примере разогрева стандартного школьного перекуса;
-Оценить эффективность и безопасность использования разработанного устройства.
В процессе работы мы ориентировались на следующие источники: методические пособия Школы интеллектуального развития «Мистер Брейни», официальную документацию LEGO Education SPIKE Prime, а также требования СанПиН к материалам, контактирующим с пищей.
Глава 1. Теоретическое обоснование создания контейнера для школьных перекусов со встроенным подогревом на базе LEGO SPIKE PRIME
1.1 Технические решения для подогрева пищи в переносных контейнерах
На сегодняшний день на рынке бытовой техники и аксессуаров для кухни представлено несколько типов устройств, позволяющих подогреть еду вне дома. Их анализ необходим для выбора оптимальной конструкции для школьного использования.
Первый тип — термоконтейнеры. Представляют собой многослойную конструкцию с вакуумной или воздушной изоляцией между стенками. Пища закладывается горячей, и задача устройства — максимально долго сохранять начальную температуру. Эффективные модели удерживают тепло до 6–8 часов. Однако они не имеют встроенного источника нагрева: если еда остыла, разогреть её невозможно. Кроме того, металлические термосы тяжелы (500–800 г в пустом виде), а широкую горловину неудобно мыть.(Приложение, Рисунок 1)
Второй тип — электрические ланч-боксы с подогревом от сети. Эти устройства подключаются к розетке через обычный шнур и разогревают еду до 60–70°C за 15–20 минут. Основной недостаток — привязка к электросети. В большинстве школ нет розеток в классах, а пользоваться подогревом в столовой часто запрещено правилами пожарной безопасности. Вес таких устройств также велик, без еды сам по себе контейнер весит около 700 гр. (Приложение, Рисунок 2)
Третий тип — контейнеры с подогревом от USB или power bank. Нагревательным элементом выступает гибкий нагревательный лист на основе карбона или низкотемпературный нагревательный кабель (5–12 В, мощность 8–15 Вт). Преимущества: лёгкость, отсутствие открытых горячих поверхностей, возможность использования в любом месте. Недостатки: медленный разогрев и отсутствие программируемого контроля температуры в дешёвых моделях. Во время перемены в 7-10 минут ребенок физически не успеет поесть в школе теплю домашнюю еду. (Приложение, Рисунок 3)
Рассмотрев данные варианты контейнеров с подогревом мы пришли к выводу, что необходимо спроектировать контейнер легкий, прочный, способный разогревать пищу без необходимости прямого доступа к электричеству и способный быстро разогреть еду или разогреть ее таким образом, что бы к перемене она была достаточно теплой.
Глава 2. Модель контейнера для школьных перекусов со встроенным подогревом на базе LEGO SPIKE PRIME
2.1 Конструкция модели контейнера на базе LEGO SPIKE PRIME
Прототип контейнера был разработан нашей командой при помощи учебного набора LEGO SPIKE PRIME (Приложение, Рисунок 4). [3]Данный конструктор был выбран исходя из соображений наличия программируемого смарт-хаба, возможности использования моторов для создания движения и вращения, а также разнообразия датчиков. В качестве демонстрации нагревательного элемента нами были выбраны ультразвуковые датчики так как они имеют возможность управления подсветкой. (Приложение, Рисунок 5)[4] Датчики силы нажатия для того что бы сделать контейнер более безопасным. (Приложение, Рисунок 6) Для открывания крышки ланч-бокса мы использовали средний мотор и рычаг. (Приложение, Рисунок 7) [2]
Внешний корпус контейнера — собран из деталей LEGO Technic и стандартных кирпичиков LEGO. (Приложение, Рисунок 8)
Смарт-хаб LEGO SPIKE PRIME — выполняет роль «мозга» устройства. Он подключается к компьютеру для загрузки программы, питается от встроенного аккумулятора. Смарт-хаб управляет мотором и ультразвуковыми датчиками, а так же получает сигналы от датчиков силы. (Приложение, Рисунок 9)
2.2 Управление контейнером с подогревом на базе LEGO SPIKE PRIME
Управление происходит при помощи программы, написанной в среде LEGO SPIKE Prime. Алгоритм работы (Приложение, Рисунок 10) [1]
Программа начинается при нажатии кнопки «Влево», мотор закрывает крышку контейнера. При нажатии комбинации кнопки «Влево» и последовательном нажатии датчиков силы запускается «подогрев»-включается подсветка ультразвуковых датчиков демонстрирующая работу нагревательного элемента.
Комбинация из кнопки и сигналов датчиков необходима для того, что бы система нагревания не запускалась в неподходящий момент и не перегревала пищу.
2.3 Демонстрация возможностей контейнера на базе LEGO SPIKE PRIME на примере одного запуска
Для наглядной проверки работоспособности разработанного прототипа был проведён экспериментальный запуск в условиях, приближенных к школьной столовой.
В контейнер помещается объем 0,5 литров. При закрывании контейнера мы сразу включили систему подогрева, нажав необходимую последовательность клавиш. Система сработала безотказно. После непродолжительного времени мы с легкостью открыли контейнер и смогли беспрепятственно достать содержимое.
Вывод по демонстрации: разработанный прототип контейнера для школьных перекусов на базе LEGO SPIKE PRIME успешно выполняет функцию демонстрации подогрева пищи. Устройство полностью собрано из деталей образовательного конструктора, что позволяет воспроизвести проект в школьном кружке робототехники.
Заключение
В ходе выполнения научно-исследовательской работы была достигнута поставленная цель — спроектирован, собран и запрограммирован действующий прототип контейнера для школьных перекусов со встроенным подогревом на базе учебного конструктора LEGO SPIKE PRIME.
Основные теоретические результаты:
-
Проведён анализ существующих технических решений для подогрева пищи в переносных контейнерах (термосы, сетевые ланч-боксы, USB-модели). Установлено, что ни одно из них в полной мере не адаптировано для самостоятельного использования ребёнком в школе и при этом не обладает гибкостью программируемой системы.
-
Обоснован выбор LEGO SPIKE PRIME как платформы для разработки: наличие смарт-хаба с программируемыми портами, возможность подключения моторов и датчиков, а также простота блочного программирования, доступная школьникам.
Оценка эффективности и безопасности:
-
Эффективность: время разогрева можно варьировать в зависимости от личных предпочтений, поэтому ребёнок успевает не только разогреть, но и спокойно поесть. Управление интуитивно понятно. Энергопотребление позволяет использовать устройство без подзарядки в течение всей учебной недели.
-
Безопасность: все детали LEGO SPIKE PRIME сертифицированы для образовательного использования. Напряжение на портах смарт-хаба не превышает 5 В постоянного тока, что исключает поражение током.
Ограничения прототипа:
-
Ёмкость внутреннего контейнера ограничена 0,5 л (крупному школьнику может не хватить).
-
Необходимость носить с собой смарт-хаб LEGO (хотя он компактен и весит всего 150 г).
Разработанный прототип может быть использован как демонстрационный проект на уроках технологии, в кружках робототехники и на научно-практических конференциях. Он наглядно показывает, как конструктор LEGO SPIKE PRIME можно применять не только для создания движущихся роботов, но и для решения реальных бытовых задач, таких как подогрев школьного обеда. Кроме того, проект вдохновляет школьников на поиск инженерных решений повседневных проблем с помощью доступных образовательных наборов.
Список источников
-
СанПиН 2.3/2.4.3590-20 «Санитарно-эпидемиологические требования к организации общественного питания населения». – М.: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей, 2020. – 42 с.
-
Копосов Д.Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для школьников на базе LEGO SPIKE Prime. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2024. – 156 с.
-
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
-
«LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
-
«LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
Приложение
|
Рисунок 1 |
Рисунок 2 |
|
Рисунок 3 |
Рисунок 4 |
|
Рисунок 5 |
Рисунок 6 |
|
Рисунок 7 |
Рисунок 8 |
|
Рисунок 9 |
Рисунок 10 |