;
Партнерский материал 18 декабря 2020

Простая механика: как работают законы физики на деревянных моделях

Чтобы продемонстрировать пневмодвигатель, вовсе не обязательно искать баллоны со сжатым воздухом и собирать сложное устройство с металлическими поршнями и цилиндрами. Достаточно несколько деревянных кривошипов и шатунов, а также воздушного шарика. Получится деревянный пневмодвигатель, способный запустить обычный настольный вентилятор. «Хайтек» вместе с UGEARS изучил, как с помощью деревянных моделей и резинок можно изучать фундаментальные физические принципы и почему для этого не требуются научные лаборатории.

Фундаментальные законы физики, известные еще со школьной программы, как правило, легко запоминаются. Но потребность в их демонстрации часто приводит в тупик человека, не имеющего инженерного образования. Это связано и с практическими пробелами среднего образования в России, и с недостатком ресурсов. Достаточно трудно вне стен школы или университета показать, как приводится в действие пневматический двигатель. Еще сложнее объяснить, как происходит движение трамвая или выстрел аркбаллисты.

Конечно, самому воспроизвести законы Ньютона требуется не каждый день: нужно объяснить их ребенку, хочется проверить свои знания в физике, «поиграть» во что-то осязаемое, а не цифровые модели, или вспомнить давно забытое со школьных времен. Лабораторных установок для этого не требуется. А можно и вовсе обойтись только моделями, состоящими из дерева и резинок. Такую возможность дают конструкторы UGEARS. Главное — соблюсти точность сборки, какими бы ни были базовыми законы физики, чтобы они работали, тоже нужны определенные условия. Рассказываем, какие естественнонаучные каноны можно проверить на деревянных моделях и что для этого нужно.

Моноколесо. Механическое равновесие

Моноколесо сегодня стало практически таким же популярным видом городского транспорта, как и гироскутер, электросамокат или велосипед. То, на чем гоняют любители скорости — электрический самобалансирующийся уницикл — лишь современная модификация моноцикла, который был широко распространен в конце XIX — начале ХХ века. Только тогда вместо электродвигателя использовали мускульную силу человека, как и в случае с велосипедом. А вот для равновесия вместо датчиков, гироскопов и акселерометров были необходимы исключительно таланты, сноровка и опыт.

В основе устройства моноцикла лежит принцип механического равновесия, которое важно поддерживать в процессе движения. Моноцикл способен сохранять вертикальное положение, пока колесо удерживается под центром масс (об этом говорит теория инвертированного маятника). А нужное положение, как уже говорилось, задается наездником. По сути, на моноцикле именно человек, подсознательно ощущая, куда заваливается его транспортное средство, компенсирует падение, перемещая колесо в ту точку под собой, где находится центр масс. Это важно сделать до тех пор, пока моноцикл не упадет.

Ускорение моноцикла определяет расстояние от центра тяжести до точки контакта, а скорость и направление вращения колеса — относительное положение пятна контакта, а вместе с ним и характер динамики ускорения. Поэтому, чтобы ускориться, наездник должен сместить центр тяжести вперед, а если замедлиться — назад. А чтобы начать движение, нужно фактически «упасть» — достаточно наклона тела, движения рук или бедер, чтобы придать моноциклу ускорение.

У UGEARS для демонстрации этих принципов механики есть самоходное моноколесо. Деревянная модель состоит из 300 деталей, а в движение ее приводит резиномотор, который благодаря балансировке (здесь таланты наездника не потребуются) позволяет колесу не падать. Когда энергия резиномотора кончается, закрепленные на колесе лапки убираются, и оно начинает вращаться как простое колесо и в итоге просто красиво переворачивается. Если лапки зафиксировать, то оно тоже продолжит движение, но уже как балансирующее колесо. 

Хронометр. Маятник и принцип механических часов

Впервые человек стал измерять время с помощью механических часов в VIII веке в Китае, откуда технология жидкостного спускового механизма пришла сначала в арабский мир, а потом попала в несколько ином виде в Западную Европу. Там механические часы имели только часовую стрелку, а приводились в движение путем завода гиревого механизма. Часы стали центром жизни человека — их устанавливали на главных ратушных башнях городов, они отмечали не только полдень или полночь, но и церковные праздники.

Помимо привычного каждому циферблата, механические часы состоят из источника энергии (это может быть как гиря, так и пружина), спускового механизма, превращающего непрерывное вращение движение в колебательное или возвратно-поступательное, а также регулятор — им может быть маятник или баланс. Спусковой механизм и двигатель соединяет, как правило, система шестеренок.

Разумеется, механические часы не настолько точны, как их электронные или кварцевые «потомки». Погрешность может составлять от +40 до –20 секунд в сутки. А сегодня именно механические часы в основном используют для поддержания традиций.

В основе работы механических часов лежит система, именуемая физиками маятником. Это такая механическая система, которая совершает механические колебания, будучи в подвешенном состоянии в поле тяжести. В процессе колебания кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную (это энергия силы упругости и гравитации) и обратно. А силы трения постепенно превращают эту кинетическую энергию в тепловую, за счет чего амплитуда колебания постепенно снижается.

Проверить, как устроена такая механическая система, а также создать собственный хронометр, можно и из дерева. В качестве источника энергии такого устройства будет выступать опять же резиномотор, а для того, чтобы завести хронометр на определенное время (в данном случае таймер работает в интервале до 20 минут) , достаточно отвести стрелку циферблата на определенную величину. Конечно, для начала придется стать часовщиком и собрать открытый шестеренчатый механизм. В данном случае точность важна как никогда.

Трамвай. Вращающий момент, превращение потенциальной энергии натяжения в механическую работу

Почувствовать себя Федором Пироцким, изобретателем первого электрического трамвая в России, можно и с помощью модели. Но сначала лучше разобраться, как на самом деле приводится в движение трамвай. Предком электрического транспорта была простая конка, где вагон с пассажирами тащили по рельсам лошади. С наступлением электрической эпохи тягу осуществляют двигатели.

В современных трамваях чаще всего используют тяговые двигатели постоянного тока, так как именно такой ток потребляет система трамвая. Но электроника позволяет преобразовывать постоянный ток в переменный, а значит, двигатели переменного тока тоже можно использовать в оснащении трамваев. Тем более, в отличие от двигателей постоянного тока, у них нет быстро приходящего в негодность коллекторно-щеточного узла. Именно он постоянно нуждается в ремонте и техническом обслуживании.

Чтобы передать энергию от двигателя к оси колесной пары, вагоны оснащаются карданно-редукторной передачей, состоящей из механического редуктора и карданного вала соответственно.

Чтобы собрать собственный редуктор, потребуется не так много усилий, если расчеты сделаны уже за вас. В основе этого механизма лежит функция редукции — снижения усилия, необходимого для привода устройства, преобразующего передаваемую мощность в полезную работу. Самый простой способ такого преобразования — пара взаимно соединенных цилиндрических шестеренок разного диаметра: ведущей шестерней является та, что обладает меньшим размером.

В деревянной модели трамвайной линии электричество не нужно. Помимо того, что для соединения не требуется даже клей, а все материалы изготовлены из дерева, в качестве источника энергии используется все тот же резиномотор, который необходимо завести — по принципу натягивания пружины. Превращение энергии во вращательную так же, как и в настоящем трамвае, происходит за счет зубчатой передачи. Кроме того, трамвай может двигаться просто за счет разницы высот, тогда опять же происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую.

Пневматический двигатель. Превращение энергии сжатия в механическую работу

Пневмодвигатель придумали достаточно давно, практически исполнив давнюю мечту человечества: получать энергию из воздуха. Другое дело, что для начала этот воздух необходимо сжать, для чего, разумеется, тоже требуется существенная энергия. Конечно, использование пневмодвигателей и приводов сильно расширяет сферу использования различных устройств, когда необходима повышенная безопасность, а использование электричества или горючих веществ невозможно.

И применений у такого физического принципа может быть великое множество. Почти все из них победило электричество. Однако история помнит и пневмопочту, и даже пневматическую железную дорогу. В 1861 году в Петербурге был построен первый в истории локомотив с пневмоприводом. Его назвали в честь создателя — духодод Барановского.

Как ни странно, пневмодвигатель можно собрать и из дерева. Причем практически полный аналог настоящего, включая тахометр. Чтобы запустить в движение двигатель, конечно же, требуется воздух. Чтобы не отходить от парадигмы — только дерево и резина, создатели конструктора предлагают использовать обыкновенный воздушный шарик, который можно надуть и подсоединить к двигателю с помощью специальных насадок и раструба. При этом воздух будет приводить в движение поршни пневмоустройства и создавать кинетическую энергию.

Аркбаллиста. Превращение энергии натяжения в энергию полета

Метательные орудия использовались человеком достаточно давно — в Древнем мире и Средних веках. Однако и сегодня можно встретить подобное оружие, в частности в спорте, где используются луки и арбалеты. В основе работы таких орудий лежит превращение мышечных усилий человека в энергию полета. Чтобы сделать эту энергию выше, можно осуществить накопление потенциальной энергии с помощью упругих элементов или противовеса. В луке или арбалете это тетива.

Гипертрофированный вариант арбалета — аркбаллиста — использовался в качестве осадного орудия при взятии городов и крепостей. Лук, длина которого доходила до 3,5 м, крепился к массивному деревянному ложу на деревянной раме-лафете, расположенной на двух колесах большого диаметра. Натяжение тетивы осуществлял артиллерист с помощью укрепленного на раме ворота. Сегодня, конечно, подобные устройства встречаются только в компьютерных играх. Правда, основы артиллерии заложили именно тогда.

Классика военной машины в виде деревянной модели вряд ли сможет захватить настоящий замок, а вот поиграть в «аналоговую» компьютерную игру получится. Модель состоит из двух частей: блока стрельбы и основы с регулируемыми опорами, именно осуществляет стабилизацию конструкции во время стрельбы. А стреляет такая аркбаллиста деревянными болтами. При желании, конечно, можно запустить и чем-то другим. Важно помнить, как и любому артиллеристу, что для грамотного нанесения удара нужно правильно выставить угол по вертикали и горизонтали, а не просто приводить в действие спусковой механизм.


То, что деревянные игрушки устарели, можно легко опровергнуть, показав одну из таких моделей. А если еще рассказать про законы физики, которые приводят их в движение, вывести пару формул и нарисовать направление векторов сил, участвующих в создании разных типов энергий, то и само слово «конструктор» будет уже относиться не к моделям, а к их обладателям.

Если вы решили приобрести какой-то из конструкторов, пользуйтесь промокодом HIGHTECH, он дает скидку 20%. Сейчас в каталоге компании UGEARS 73 модели, в том числе реально запирающийся сейф, спорткар и байк, пистолет, шкатулка с секретом, большой локомотив с тендером.


Читайте также

Найдена самая далекая и древняя галактика во Вселенной

В Андах нашли 20 новых видов животных и растений

Ученые выяснили, куда пропали красные гиганты из центра Млечного Пути

Загрузка...