Механические передачи
Зубчатые передачи: Одометр, курвиметр и дорожное колесо
Зубчатые передачи разнообразных форм
Материалы модуля Сберкласс. Автор: Никулин Григорий
Познакомься с роботом
Любое техническое устройство может быть роботизировано, если в этом есть смысл.
Двери тоже роботы?
Что за механизм делает возможным соединение искусственно разделённых людьми пространств, с которым ты в буквальном смысле сталкиваешься каждый день и который с малых лет успешно используешь? Правильно, это двери. Каждый день миллионы и миллионы людей открывают их и проходят через дверные проёмы. Многие двери открываются сами и являются не просто механизмами, а оснащены специальными устройствами. В зависимости от важности того, что скрывается за дверями, какие-то открываются с помощью дверной ручки, для каких-то дверей нужен ключ, где-то требуется пароль, нажатие секретного рычага, сканирование отпечатка пальца, лица и даже зрачка. Через двери можно зайти в дом, в метро, в вагон, сесть в машину, самолет и т. д. Даже двери в машину могут сильно отличаться — от простых и понятных механических дверей в жигулях до дверей с автодоводчиками в машинах премиум-класса или даже до автоматизированных дверей «крылья сокола» в Tesla model X и роботизированных дверей с труднопроизносимым названием механизма — двухгранная синхроспираль — в самых быстрых машинах в мире марки Koenigsegg.
Очевидно, что дверь может быть, как относительно простым и понятным механизмом, так и очень сложным устройством, оснащённым системами доступа, защиты, камерами и датчиками. Условно мы можем разделить двери по их сложности на три категории:
- Механические двери — двери, которые состоят только из механизмов, движущихся друг относительно друга объектов.
- Автоматические двери работают «самостоятельно» согласно заранее запрограммированному сценарию, они сами открываются, когда подходит человек, и закрываются, когда никого нет рядом.
- Роботизированные двери — это двери, которые могут поступать по-разному в зависимости от ситуации, узнавать, входящего, и вести себя с ним иначе, чем с остальными, перемещаться по сложным траекториям благодаря приводу — они умеют «думать».
Действительно, дверь, как и любой объект, созданный человеком, может быть усовершенствована, чтобы соответствовать новым потребностям. Простую механическую дверь, пусть и очень красивую, может создать один человек. Для создания роботизированной двери, как и любого другого многосоставного (сложного) технического устройства, умеющего «думать», потребуются компоненты и технологии, являющиеся достижением многих областей науки и техники. Потребуются специалисты, владеющие на должном уровне всем перечнем необходимых для создания двери технологий, и люди, знающие, как системно использовать эти технологии, — инженеры. В том, что даже монтирование автоматизированной двери в автомобиль теперь уже настолько технологически продвинутый процесс, можно убедиться, посмотрев, как роботы ставят двери «крылья сокола». Найди информацию в открытых источниках самостоятельно.
Почему для этой операции используют роботов? Что вообще отличает роботов и роботизированные устройства от других технических устройств и что такое робототехника? Что ещё особенного в автомобиле Tesla, что он и сам в скором времени будет называться робомобилем? На эти вопросы нам предстоит ответить. А сейчас попробуй по аналогии с дверьми найти такие же простые повседневно используемые инструменты, механизмы и устройства, решающие схожие задачи, но созданные на разном технологическом уровне.
Заметка для ученика
Попробуйте взять любой бытовой процесс, например, стирку или подогрев еды и т. д., рассмотрите возможные способы решения этих бытовых задач. Подумайте, как решалась бытовая задача раньше, как решается бытовая задача, когда нет электричества или, скажем, на дикой природе, и какие современные устройства решают данную бытовую задачу с частичным участием человека, а какие полностью самостоятельно.
Знакомство с инженерным делом
Человек всегда стремился упростить свою жизнь, сделать её более лёгкой и комфортной. Уже во времена, когда все люди занимались охотой и собирательством, использовались самые разные орудия труда, оружие и приспособления.
В определённый исторический момент не всем людям стало необходимо заниматься добычей пропитания — появилось разделение труда. Многие историки считают, что причиной этого явилось возникновение земледелия, а развитие животноводства способствовало созданию первых городов.
Развитие сельского хозяйства в общем является первопричиной возникновения цивилизаций. Очевидно, что земледелие, животноводство, строительство городов, — всё это невозможно без использования специальных приспособлений.
Создание специализированных механизмов позволило уменьшить трудоёмкость процессов, а разделение труда способствовало выделению особой группы людей, создающих вещи, — ремесленников. Ремесленников можно было разделить на людей, создающих вещи, которые облегчают труд других людей, и людей, определяющих, как будут создаваться эти вещи, — инженеров.
С начала времён человечество строило и использовало самые разные приспособления, которые могли бы действовать без его участия, то есть самостоятельно. В мифах древних цивилизаций регулярно встречаются сюжетные линии происхождения человека, в которых само человечество было создано какими-либо сверхъестественными силами, например легенда о титане Прометее, который сотворил человечество из глины. Также можно встретить сюжеты, в которых люди или божества создают каких-либо человекоподобных существ, например история о бронзовом гиганте Талусе — рабе, выкованном богом-кузнецом Гефестом (3,5 тыс. лет до н. э.).
Вспомни уроки истории и попробуй сопоставить изображения механических артефактов из древности и их описания. Подумай над тем, что могло вдохновить инженеров древности на создание указанных устройств.
Описание
Какой инженер какой?
И в древности, и в наше время работа инженера включает взаимодействие с техникой, техническими объектами и технологическими процессами.
Разновидностей техники, технических объектов и технологических процессов великое множество, но каждый элемент техники или технологического процесса — плод трудов множества инженеров разных профилей. Соответственно, разновидностей инженерных специальностей много. Однако инженеров объединяет природное любопытство и склонность к особому виду творчества — техническому.
Домашнее задание: Прочитай названия инженерных специальностей и их описания. Соотнеси их между собой. Заполни таблицу.
| Описание | Название |
| Инженер-механик | |
| Инженер-электрик | |
| Инженер-энергетик | |
| Инженер-строитель | |
| Инженер-проектировщик | |
| Инженер-конструктор | |
| Инженер-технолог | |
| Инженер-системотехник | |
| Инженер-мехатроник | |
| Инженер-эколог |
| Описание | Название |
| Это специалист, который помогает другим людям использовать информационные системы и их технологии. Его задача — поддерживать их бесперебойную работу. | |
| Этот специалист помогает собрать всю важную для проекта информацию, делает расчёты и проверяет идеи других инженеров на соответствие всевозможным стандартам. | |
| Это тот, кто помогает новым технологиям входить в нашу жизнь. Он внедряет чёткий порядок и следит за ним на производстве, помогает грамотно и эффективно использовать имеющиеся ресурсы. | |
| Он помогает домам строиться, а дорогам и мостам соединять разные города и страны. Он готовит проекты, помогает их воплощать и следит за тем, чтобы его творения служили долго. | |
| Этот специалист точно знает, почему электричество живёт в розетках. Он проводит электричество в наши дома и города, придумывает, как передать его на большие расстояния, и разрабатывает проекты электрического оборудования — от простого пылесоса до сложных роботов. | |
| Это человек, который создаёт конструктивные проекты и чертежи разных машин и механизмов, оборудования, транспорта и другой техники. | |
| Этот человек поможет микроволновке подогреть твой ужин и заставит автомобиль сдвинуться с места. Он знает, откуда взять энергию и куда её применить. | |
| Данный профессионал может собрать по чертежам разные машины и механизмы, знает, как их использовать и чинить в случае поломки. Вокруг нас много разных конструкций, поэтому такие специалисты работают во всех отраслях — и на хлебокомбинате, и на производстве космических ракет. | |
| Занимается оценкой существующего и возможного вреда для окружающей среды. Придумывает, как уменьшить количество такого вреда для экологии с помощью новых технологий. | |
| Он придумывает, как внедрить робототехнику в разные механизмы, системы и конструкции, и проводит испытания своих идей. Такие конструкции и механизмы особенно нужны на опасных для человека производствах. |
Ответьте на вопрос: Какого рода инженер не участвует в создании робототехнических устройств?
Специализации инженеров
Совокупность решаемых инженером в рамках своей деятельности задач и определяет то, что называют специализацией. Если человек знает, как решить узкий круг задач, характерный для конкретной области, его называют специалистом в этой области. Каждый специалист должен обладать определёнными знаниями, навыками и умениями. Прочитай, на какие вопросы должны знать ответы люди, которые собираются стать инженерами той или иной специализации. Эти вопросы определяют множество других вопросов и, получая ответы на них, можно продвинуться в областях инженерии.
- Инженер-механик: как превратить энергию в движение?
- Инженер-электрик: как сделать так, чтобы электричество выполняло полезную работу?
- Инженер-энергетик: как получить и передать энергию?
- Инженер-строитель: как из материалов сделать полезное сооружение?
- Инженер-проектировщик: как реализовать идею в изделии?
- Инженер-конструктор: с помощью каких компонентов и каким образом создать изделие, удовлетворяющее требованиям?
- Инженер-технолог: какие технологии нужны и каким образом их использовать, чтобы создать изделие?
- Инженер-системотехник: как организовать «общение» всех элементов системы?
- Инженер-мехатроник: как управлять движением?
- Инженер-эколог: как не навредить природе?
Чем занимается инженер?
Как ты думаешь, что из нижеперечисленных частей робота создаёт инженер-механик?
Коготь Архимеда
Дай ответ на вопрос ниже.
Посмотри на схематичное изображение работы когтя Архимеда. Принцип работы каких механизмов заложен в его конструкции? (Возможен выбор нескольких вариантов.)
Что было до робототехники? Античность
С какого момента люди задумались о создании роботов? Ещё в эпоху Античности в Древней Греции появились первые автоматические устройства, которые помогали с ежедневными задачами или развлекали людей. Конечно, роботы тех времён не похожи на современных, но от этого они не перестают быть интересными!
Узнай больше о невероятных механизмах древних изобретателей, посмотрев видео.
Как ты думаешь, созданию каких современных аппаратов положил начало механизм Герона Александрийского по приобретению ритуальной воды?
Античные устройства
Хочешь узнать о других древних изобретениях? Великий изобретатель Архимед ещё до нашей эры создал механизм, который получил название «коготь». С его помощью город Сиракузы стал недосягаемым с моря для неприятелей. Стоило вражескому кораблю только приблизиться к его стенам, как огромный крюк цеплял судно за нос или таран и поднимал его над водой. В результате корабль либо тонул, либо разламывался надвое.
О таких встречах римляне оставили множество записей, читая которые мы узнали, что не только сама система когтя отлично выполняла свою функцию, но и её маскировка: многие римляне считали, что против них выступили сами боги!
Ещё один великий представитель той эпохи — Архит Тарентский. Он считается изобретателем первого робота в истории — деревянного «летающего голубя». Его изобретение действительно напоминало птицу в полёте и могло служить иллюстрацией для их изучения. Птица двигалась с помощью энергии пара и управлялась несколькими тросами. Найти изображение устройства ты сможешь в открытых источниках.
Знакомый тебе уже Герон Александрийский не зря считается одним из величайших инженеров за всю историю человечества. Он смог придумать устройство для измерения расстояний — одометр. Он и сейчас используется в современных автомобилях, но в другом виде. Тогда это была небольшая тележка на двух колёсах специально подобранного диаметра. Размер колёс позволял им поворачиваться ровно 400 раз на 1 римскую милю, то есть 400 раз на 1482 м. Во время движения в этой тележке двигались многочисленные зубчатые колёса и оси, а пройденное расстояние подсчитывали камешки, выпадавшие в специальный лоток. В итоге нужно было лишь посчитать количество камешков, чтобы узнать, какое расстояние было пройдено.
Таким образом, в те времена механизмы двигались за счёт воды, пара, противовесов, зубчатых колёс и разнообразных рычагов.
Сопоставь современные аналоги когтя Архимеда и одометра Герона Александрийского, которые используются в современных устройствах, с их описанием.
Механизмы да Винчи
Посмотри на фото механического льва и механического рыцаря Леонардо да Винчи. Это комплексные механизмы, состоящие из набора более простых механизмов, между которыми есть механические связи.
Ответь на вопрос: Как называется механизм, состоящий из деревянных шкивов (деревянные элементы цилиндрической формы) и верёвок с закреплёнными концами в составе данных конструкций?
- блок
- зубчатая передача
- червячный механизм
Леонардо да Винчи, бесспорно, был гением и использовал в своих идеях все доступные технологии своего времени. Посмотри на его рисунки многоствольного пулемёта и танка.
Пулемёт и танк да Винчи
Очевидно, что на момент проектирования этих устройств они задумывались как управляемые вручную. Например, предполагалось, что люди будут сидеть внутри деревянного танка и приводить его в движение мускульной силой, а условный «пулемётчик» будет поворачивать стойку со стволами после каждого выстрела.
Ответь на вопрос: Как ты назовёшь процесс превращения данных механизмов в самостоятельно функционирующие устройства с минимальным вовлечением человека с функцией перезарядки, наведения на цель и перемещения?
- Деградация — процесс ухудшения характеристик какого-либо объекта с течением времени.
- Стагнация — продолжительный застой в изменении характеристик какой-либо системы.
- Автоматизация — процесс, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.
Что было до робототехники? Средние века.
Средние века обычно не ассоциируются с эпохой активного технологического прогресса. Несмотря на это, наука, в том числе механика, продолжала развиваться.
Леонардо да Винчи, гений инженерной мысли своего времени, придумал множество самых разных механизмов. Одно из самых известных его изобретений — фигура рыцаря, закованного в латы, способная двигать руками и поворачивать голову, садиться и даже открывать забрало шлема.
Оригинал, к сожалению, был утерян, но в ХХ веке по дошедшим до нас чертежам была воссоздана точная копия этого устройства с теми же функциями. Посмотреть на неё своими глазами можно в Миланском музее.
К счастью, до наших дней дошло множество чертежей и описаний технических устройств того времени. Такие устройства в основном были механическими, то есть работали за счёт превращения энергии, полученной от какого-то внешнего источника, в движение. Поэтому в них так много разных шарниров, тросов и роликов.
Когда появились пружинные и маятниковые механизмы, размеры автоматов уменьшились. Эта тенденция сохраняется и сейчас: инженеры-мехатроники стремятся увеличить функциональность машин с каждым новым поколением, уменьшить их габариты и расход энергии.
Что значит уменьшение расхода энергии, какие преимущества это даёт? Выбери правильный вариант.
Ответьте на вопрос:
- Для функционирования устройства и выполнения им заданной работы можно использовать меньшие запасы энергии.
- Устройство может выполнить ту же работу, используя меньшее количество энергии.
- Устройство может использовать то же количество энергии для выполнения большей работы.
Чем отличаются понятия «проект» и «дизайн» на примере работ Леонардо
Отцом современной инженерии считается Леонардо да Винчи.
Из курса истории можно вспомнить, что Леонардо да Винчи не только художник, писатель, скульптор, но ещё и автор большого числа опережавших своё время изобретений и концепций устройств. Некоторые созданные им устройства можно увидеть в музеях, другие устройства были собраны по его документам. Эти документы включают чертежи, описания принципа функционирования и иногда даже описание материалов и способов их обработки для изготовления отдельных узлов устройств.
Исчерпывающий перечень документов, из которых можно понять, как создать техническое изделие, называется инженерным проектом, а процесс создания этого перечня документов — проектированием. Наиболее распространёнными документами являются чертежи (как отдельных деталей, так и сборок), спецификации (в них указывается, что нужно иметь, чтобы собрать устройство), технологические карты (в них описывается, как поэтапно производить отдельные компоненты), инструкции и т. д. Часто в современной инженерии встречается слово дизайн, например дизайн устройства или дизайн здания. Дизайн в английском языке как процесс включает в себя все стадии инженерного проектирования, но в русском языке чаще всего это слово означает набор документов, например эскизов и чертежей, по которым можно понять общие принципы функционирования изделия.
Посмотри на изображения документов, оставленных Леонардо да Винчи.
Какой термин, на твой взгляд, лучше характеризует содержание документов, созданных Леонардо да Винчи? Выбери подходящие варианты.
Ответь на вопрос: Какой термин, на твой взгляд, лучше характеризует содержание документов, созданных Леонардо да Винчи?
Выбери подходящие варианты.
- проект
- эскиз
- концепт
- технический рисунок
- дизайн
Ознакомиться со всеми чертежами Леонардо да Винчи в хорошем качестве можно по ссылке.