XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Гидравлика в ЛЕГО - конструировании

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Важенин С.А. 1

---

1МБОУ «Гимназия №31» г. Кургана

Сурикова Г.С. 1

---

1МБОУ «Гимназия №31» г. Кургана

Работа в формате PDF

527 KB

1. Введение

Выполняя исследовательский проект по предмету «Ознакомление
с окружающим миром», я выбрал тему «Движущая сила воды». Во время работы над проектом мне встретилось понятие «гидравлика». Я заинтересовался этой темой и решил изучить её подробнее и, если это возможно, создать модели
из конструктора ЛЕГО с использованием гидравлической системы.

Мне всегда было интересно наблюдать, как работает огромный экскаватор, как маленький домкрат поднимает тяжёлую машину, как
с помощью насоса перекачивают много воды. Но я не мог объяснить это
с научной точки зрения.

Есть у меня и любимое увлечение – ЛЕГО - конструирование. За несколько лет в моей комнате скопилось достаточно много деталей.

Так возник замысел моей работы, ведь в ходе исследования можно решить сразу две проблемы: устранить недостаток знаний о гидравлических процессах и найти применение большому количеству деталей из разных наборов конструктора ЛЕГО.

Таким образом, актуальность моей работы в том, что она поможет мне совершенствовать умения в ЛЕГО - конструировании и расширит знания о таком физическом процессе, как гидравлика.

Гипотеза: если получить основы знаний о гидравлических процессах,
то, используя их, можно сконструировать простейшие механизмы из деталей конструктора ЛЕГО.

Цель моей работы: создание действующих моделей из деталей конструктора ЛЕГО путём использования гидравлической системы.

Задачи:

• изучить понятие «гидравлика»;

• узнать, как работает гидравлическая система на практике;

• собрать действующие гидравлические модели из деталей конструктора ЛЕГО;

• обобщить полученные знания.

Объект исследования: простейшая гидравлическая система.

Предмет исследования: работа гидравлической системы в действующей

Методы исследования:

• поиск и изучение информации;

• моделирование;

• обобщение и анализ полученных результатов.

2. Основная часть

2.1. Теоретическая часть

2.1.1. Основы гидравлики

Гидравлика является одной из самых древних наук в мире. Археологи нашли подтверждение, что уже за 500 лет до нашей эры в Древнем Китае существовали гидравлические сооружения. Но они, конечно, были основаны
не на научном подходе, а на жизненных наблюдениях.

В дальнейшем гидравлику уже как науку развивали великие учёные: Архимед, Галилей, Леонардо да Винчи, Паскаль. В XX веке изучением гидравлики занимался «отец русской авиации» Николай Егорович Жуковский.

Название «гидравлика» произошло от двух греческих слов: «hydor» – вода и «aulos» – труба.

Один из основополагающих законов гидравлики – закон Паскаля, который гласит: давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменений во всех направлениях.

Таким образом, гидравлика – это наука, которая занимается передачей энергии посредством жидкости.

2.1.2. Принципы работы гидравлических систем

Жидкости играют важную роль в нашей повседневной жизни и технике вокруг нас. Например, когда взрослые нажимают на педаль тормоза
в автомобиле, жидкость внутри системы помогает остановить машину. Чтобы понять, как это работает, нужно знать несколько простых правил о жидкостях.

Необходимо было проверить действие закона Паскаля опытным путём.

Для этого я взял воздушный шарик и наполнил его водой (Приложение 1, рисунок 1 «Опыт с воздушным шаром»). Если надавить на него с одной стороны, вода внутри двинется в другую сторону и передаст усилие. Именно так работает гидравлика — она использует жидкости, чтобы передавать силу с одного места на другое. Это отличается от того, как работают механизмы с зубчатыми колесами или пружинами, потому что жидкости могут перетекать и передавать давление во все стороны одновременно.

Другим примером могут служить два обычных шприца, соединённых между собой трубочкой от капельницы (Приложение 1, рисунок 2 «Опыт
с использованием шприцев»). При надавливании на поршень одного шприца внутри него создаётся давление. Жидкость под давлением перетекает
по трубочке во второй шприц. И, в свою очередь, уже сама жидкость давит
на поршень второго шприца и выдавливает его наружу. Причём давление равно тому, которое возникает в первом шприце. Это можно доказать, изменяя силу
и скорость надавливания на поршень шприца. Если надавливать слабо
и медленно, то жидкость так же медленно будет выталкивать поршень второго шприца. А если сильно и быстро – то так же быстро жидкость выдавит поршень второго шприца. Закон работает!

По итогам проведённых опытов я решил, что шприцы с водой могут подойти для выполнения роли гидравлических механизмов в моих моделях.

2.1.3. Материалы и инструменты для создания гидравлических моделей из разных наборов деталей конструктора ЛЕГО

Для создания гидравлических моделей из ЛЕГО важно тщательно подобрать подходящие комплектующие, которые обеспечат надёжную работу механизмов и удобство сборки. Основой конструкции служат детали от разных стандартных наборов конструкторов ЛЕГО, так как они обладают необходимой прочностью и разнообразием форм для построения каркасов и движущихся частей. К основным деталям относятся балки различных размеров, шестерёнки, оси и соединители. Они служат скелетом модели, к которому крепятся элементы гидравлической системы. Балки и пластины позволяют создать устойчивую платформу, выдерживающую давление, а шестерёнки и оси используются для передачи движения в механизмах, где гидравлика сочетается с механическими компонентами.

Для создания гидравлической системы в своих моделях я использовал поршни из конструктора «Гидравлическая рука». Также можно использовать медицинские шприцы. Лучше выбирать шприцы без иглы, с плотным ходом поршня. Такие шприцы легко подключаются к пластиковым трубочкам
и обеспечивают надёжное герметичное соединение. Трубки для соединения шприцев должны быть гибкими и прозрачными. Главное, чтобы их диаметр соответствовал выходным отверстиям шприцев, позволяя плотно надевать
и обеспечивать отсутствие протечек.

Помимо основных компонентов понадобятся инструменты для подготовки моделей. Это ножницы или канцелярский нож для подрезки трубок по нужной длине, карандаш и линейка для измерений, а также ёмкости для заливки жидкости и сборки системы.

В качестве рабочей жидкости обычно используется вода, так как она безопасна и доступна. Для улучшения герметичности и предотвращения преждевременного испарения воды можно добавить небольшое количество глицерина или растительное масло. При выборе жидкости следует учитывать безопасность и возможность очистки конструкции после экспериментов.

При подготовке к сборке модели необходимо убедиться, что все материалы исправны и подходят друг к другу по размеру и форме. Некачественные или неподходящие детали могут привести к неплотным соединениям и сбоям
в работе механизмов. Поэтому правильный подбор и проверка комплектующих являются залогом успешного создания гидравлических систем и получения стабильного результата при изготовлении моделей из ЛЕГО.

2.2. Практическая часть

Оценив объем деталей конструктора ЛЕГО (Приложение 1, рисунок 3 «Разрозненные детали конструктора «Лего»), я решил попробовать собрать действующие модели погрузчика и самосвала с использованием гидравлических механизмов.

2.2.1. Модель погрузчика.

Сначала я подобрал ось для колес нужного размера и сами колеса, а затем нашел вторую ось с инерционным механизмом, выбрал детали для рамы
и детали для её скрепления с осями колес (Приложение 1, рисунок 4 «Детали для сборки рамы погрузчика»).

Для сборки кабины я использовал две решётки и крышу, а потом разместил кабину на раму с учетом того, где в дальнейшем планировал крепить поршни (Приложение 1, рисунок 5 «Сборка кабины погрузчика).

Затем я долго думал, из каких деталей сделать сам механизм подъемника погрузчика, и как скрепить его поршнями, и, наконец, собрал (Приложение 1, рисунок 6 «Сборка механизма погрузчика»). Для подъемника я использовал длинные цилиндрообразные крепления, взяв 2 детали с отверстиями и прикрепив их к поршню. Потом я использовал угловую деталь и еще несколько других, соединив их, чтобы хорошо держалось.

Нашёл красивую длинную деталь в форме трапеции и несколько других, чтобы удлинить подъемник. Основание подъемника сделал из решетчатой детали (Приложение 1, рисунок 7 «Сборка основания погрузчика»).

Поднимающий поршень я разместил спереди погрузчика, а поршень,
на который нужно давить, разместил за кабиной сзади (Приложение 1, рисунок 8 «Монтирование поршней погрузчика»).

Нажимая на подающий поршень, я увидел, что вода быстро перемещается по трубочке в другой поршень, и механизм подъемника движется вверх. Чтобы подъемник опустился, нужно отжать поршень (Приложение 1, рисунок 9 «Работа поршня погрузчика»).

Таким образом, закон Паскаля подтвердился, гидравлическая система погрузчика работает.

2. 2. 2. Модель самосвала.

Сначала я не мог придумать, как сделать так, чтобы кузов был опущен постоянно, и начал играть поршнями – соединил их между собой креплениями, нажал, и один поршень поднялся прямо как кузов (Приложение 1, рисунок 10 «Неожиданное открытие – работа поршня»). Я сразу сделал платформу (Приложение 1, рисунок 11 «Сборка платформы самосвала»). Снизу платформы я прикрепил колеса так, чтобы они были на одном уровне (Приложение 1, рисунок 12 «Монтирование колёс самосвала»). Впереди сделал кабину
и прикрепил фары (Приложение 1, рисунок 13 «Монтирование кабины и фар самосвала»), поставил на неё гидравлическую систему (Приложение 1, рисунок 14 «Монтирование гидравлической системы самосвала») и прикрепил кузов (Приложение 1, рисунок 15 «Монтирование кузова самосвала. Готовая модель»).

Чтобы кузов поднялся, нужно нажать на подающий воду поршень, тогда второй поршень поднимется сам, поднимая кузов.

И здесь закон Паскаля подтвердился.

3. Заключение

На основании проделанного исследования можно сделать следующие выводы:

• проблемы, для решения которых было проведено исследование, решены: пополнен запас знаний о гидравлических процессах и найдено применение для деталей лего-конструктора;

• это получилось, потому что были решены задачи исследования:

- в теоретической части изучено, как работает гидравлическая система
на практике;

- в практической части сконструированы действующие гидравлические модели из деталей конструктора ЛЕГО;

• обобщены полученные знания, сделаны выводы по теме исследования.

Решение задач привело к достижению цели моей работы: созданы действующие модели из деталей конструктора ЛЕГО путём использования гидравлической системы.

Этому способствовали и правильно выбранные методы исследования. Думаю, что моя работа будет интересна для ребят, которые увлекаются конструированием. В этом её практическая ценность.

Кроме того, теоретические знания о гидравлических системах пригодятся при изучении физики в старших классах.

На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что гипотеза моего исследования подтвердилась: если получить основы знаний
о гидравлических процессах, то, используя их, можно сконструировать простейшие механизмы из деталей конструктора ЛЕГО.

4. Список использованных источников и литературы

1. 1. 1. 1. Гидравлика: интересные свойства жидкости.  Детская энциклопедия: Физика – М.: ТКО «АСТ», 1995 – 480 с.

2. Детская энциклопедия. Техника. Гидравлические двигатели.  
   Бабат Г.И.   Хачатуров Т.С.   Бромберг А.А.   Издательство Академия педагогических наук РСФР, 1960 – 566 с.

3. Музей фактов. Интересные факты о гидравлике. http://muzey-factov.ru/tag/hydraulics.

4. Гидравлика. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидравлика.

5. Мультфильм «Доктор Машинкова. Гидравлика».

5. Приложение 1 «Последовательность изготовления моделей»