Машина Руби Голдберга — это некое устройство, которое выполняет очень простое действие чрезвычайно сложным образом — как правило, посредством длинной цепочки последовательных взаимодействий. Обычно оно состоит из различных механизмов, выстроенных таким образом, что предыдущий механизм, завершая свою работу, запускает работу следующего. Машины Голдберга бывают разной сложности, самого разнообразного качества исполнения и разных, в том числе невероятных, масштабов [1]. Актуальность данной работы заключается в том, что конструирование машины позволяет закреплять изучаемые в школе понятия и законы физики, а само умение конструировать важно любому инженеру — это первый шаг на пути к будущей профессии.
Проблему данной работы мы усмотрели в трудности восприятия учащимися понятия энергии и её превращений.
Цель данной работы заключалась в создании машины Голдберга для демонстрации превращений механической энергии нестандартным способом. Рубен Люциус Голдберг (Руб Голдберг) (1883–1970) американский художник-карикатурист. После окончания Калифорнийского университета Беркли со степенью в области машиностроения, Руби пошел на работу в качестве инженера в Департамент воды и канализации по г. Сан-Франциско. После шести месяцев работы Руби стал офис-менеджером в спортивном отделе газеты Сан-Франциско. Работая там, он начал показывать рисунки и карикатуры редактору, пока он не согласился опубликовать их. Руби вскоре переехал из Сан-Франциско в Нью-Йорк, чтобы работать над рисунками ежедневных мультфильмов. Руби Голдберг — один из основателей Национального общества Мультипликаторов, политический карикатурист [2]. Самое известное его «изобретение», принесшее популярность — штуковина Руби Голдберга — сложный набор оружия, колес, зубчатых передач, ручек, чашек и стержней, приводимых в движение, шаров, клеток для канареек, ведер, сапог, ванн, весел и живых животных — выполняет простую задачу, но чрезвычайно сложно по структуре. Руби не строил, придуманные им, фантастические машины, однако его карикатуры стали вдохновением для начинающих инженеров и ученых по всему миру [3]. Наследие Руба Голдберга представляет лучшие образцы в мире инноваций, юмора и нестандартного мышления. В работе мне помогали учитель физики Савельева Елена Михайловна и Горковенко Валерий Лукич, руководитель лаборатории занимательной науки. Свою машину мы решили сделать транспортабельной. Машина выполнена на листе фанеры размером 1х0,9 метра, закреплённом на рамке из деревянных брусков. Мы поставили простую задачу — забросить резиновый мяч-попрыгун в корзину. Для выполнения этой задачи наша машина за 25 секунд совершает более 20 последовательных механических и магнитно-механических действий со стальными шариками. В результате этих действий происходят превращения потенциальной энергии шариков в кинетическую и обратно.
В работе машины задействовано 38 стальных, в том числе четыре намагниченных, шаров диаметром от 11 до 41 миллиметра, 25 наклонных плоскостей, в том числе три плоскости переменного наклона, 9 разноплечих рычагов, 2 пружины, нить, плоские магниты и мяч-попрыгун, различные упоры. До запуска машины стальные шарики расставляются каждый на своё место, попрыгун на верхнюю наклонную плоскость-желоб. Запускается машина нажатием на подпружиненный толкатель, шарик 1 скатывается с одной наклонной плоскости на вторую, проваливается в отверстие в ней, падает на третью плоскость, скатывается по ней, проваливается в следующее отверстие и падает на гирлянду из трёх шаров (№ 2,3,4), висящих на плоском магните. Нижний шар гирлянды (№ 4) отрывается, падает на четвёртую наклонную плоскость-желоб, катится по ней, по параболе слетает с её края, падает на первую из четырёх наклонных плоскостей-ступенек, последовательно скатывается с ступеньки на ступеньку, падает на пятую ступеньку-рычаг А, закреплённую на оси. Шарик ударяет в конец рычага, притягивается закреплённым здесь сильным магнитом. От удара рычаг поворачивается, другим концом поднимает один край следующей наклонной плоскости-рычага Б, также закреплённой на оси. Плоскость наклоняется и, лежащий на ней, шарик (№ 5) катится, слетает на другую наклонную плоскость, катится по ней, затем по следующей, на которой лежат три шарика (№ 6,7,8), ударяет в ближний шарик № 6, за счёт упругого удара отлетает и катится дальний шарик № 8. Этот шарик спрыгивает на следующую наклонную плоскость, неравноплечий рычаг В, закрепленный на оси. Один конец этого рычага свободно лежит на опоре, ко второму привязана нить, другой её конец закреплён на следующем рычаге. Шарик катится по этой плоскости-рычагу, ударяет лежащий на ней другой шар № 9. Далее они катятся вместе, своим весом наклоняют конец рычага, который натягивает нить и приводит в действие следующий рычаг Г, закреплённый на второй наклонной плоскости. На её конце лежит, удерживаемый свободным концом рычага, шарик большего диаметра (№ 10). Нить тянет один конец этого рычага вниз, другой конец рычага поднимается и освобождает шарик № 10. Шарик скатывается по наклонной плоскости 2, проваливается в большое отверстие в ней, падает на плоскость 3, катится по ней и ударяет в ближний из трёх шаров (№ 11,12,13), лежащих на краю этой плоскости. От упругого удара отскакивает и катится по наклонной плоскости шарик № 13 с противоположного края. В конце пути он ударяет в рычаг — магнитный держатель Д самого большого шара (№ 14). Шар освобождается и скатывается по двум брускам, между которыми, шарнирно закреплены три деревянных цилиндра. На своём пути он последовательно сметает их, проваливается в отверстие между брусками, далее катится по наклонной плоскости — желобу и, в конце, ударяет в подпружиненный конец самого большого рычага Е. Противоположный конец рычага толкает шарик № 15, он скатывается по наклонной плоскости, ударяется в небольшой шарнирный рычажок Ж, поворачивает его. Этот рычажок, в свою очередь, наклоняет небольшую, горизонтально закреплённую на оси, площадку, на которой покоится гирлянда из шести маленьких шариков (№ 16,17,18,19,20,21), они скатываются на вторую, третью, затем четвёртую плоскости. На последней сделана канавка-выемка, куда цепочкой вкатываются пять шариков, последний, шестой прокатывается по их «головам» и укатывается на пятую плоскость. На ней закреплено два магнита, с парой шариков (№ 22,23 и 24,25) возле каждого — «магнитная пушка» МП1. Шарик ударяется в ближний магнит, «пушка выстреливает» крайним шариком № 25, который ударяет в конец рычага З. Другой конец этого рычага толкает шар № 26, лежащий внизу наклонной плоскости-горки. На горке лежат шары № 27 и 28,29,30 и 31,32,33 и 34,35,36 и 37, 38. Шары № 27,30,33,36 — магниты. Эти двенадцать шаров — «магнитная пушка» МП2. Шар 26 налетает на шар-магнит 27, «пушка выстреливает» шариком 38, он скатывается с наклонной плоскости-горки и ударяет в конец рычага И, который другим концом толкает мячик-попрыгун, тот катится по наклонной плоскости-желобу и попадает в корзину. Финиш!
Выводы:
- Созданная нами модель наглядно демонстрирует основную идею-принцип действия машины Голдберга.
- Наглядно показывает превращения механической энергии: потенциальной силы тяготения в кинетическую, кинетической в потенциальную силы тяжести или силы упругости.
- Сборка машины своими руками это увлекательное и интересное занятие.
- Мы научились конструировать и собирать такой механизм.
- Очень многое мы узнали из интернета: откуда взялась идея этой машины, кто ее создавал и создаёт, почерпнули много новых идей, просматривая ролики на youtube, узнали о том, какие машины придумывают ребята во всем мире и как используют энергию солнца, ветра и воды люди в своей жизни.
- Несмотря на очевидную конечную бесполезность этих машин, они являются очень хорошим инструментом для изучения физических законов. В них, как правило, применяются совершенно разные механизмы, передающие первоначальную энергию от тела к телу. Конструируя их можно изучать на практике динамику жидкостей и газов, законы механики Ньютона, силы трения скольжения и качения, инерцию, равновесие и т. д. — всё зависит лишь от фантазии изобретателя.
- Машины Руба Голдберга обладают ещё и магическим эффектом — для тех, кто видит не процесс их постройки, а конечное «действие», кажется невероятным то, как это создатели всё это придумали и смастерили, учли все тонкости и нюансы. И конечный результат зачастую не так важен — интерес вызывает, скорее, наблюдение за этой цепочкой «событий».
Наша машина небесполезна — в будущем станет одним из поучительных экспонатов школьной лаборатории занимательной науки «Умникум».
Заключение
Создание машины Голдберга способствует развитию у учащихся мотивированного предметного интереса к фундаментальным и прикладным научным исследованиям, программированию, раскрытие их творческого потенциала. Возможность творчески подойти к созданию авторских конструкций, макетов и действующих моделей открывает перед детьми перспективу реализации собственных идей, развивает навыки проектной композиции, моделирования и конструирования. С точки зрения науки создание таких машин позволяет детям применить изученные ранее научные принципы на практике, при сборке тех или иных конструкций, а также повышает их уровень понимания научных закономерностей. С точки зрения технологии помогает учащимся понять способы использования энергетических технологий, транспортной логистики, а также информационных технологий, учит школьников применять те или иные технологии на практике. С точки зрения инженерной мысли создание различных моделей машины Голдберга дает детям возможность самостоятельно построить работающий механизм и изыскать решения по обеспечению бесперебойной, стабильной работы конструкции. А математика требует от учащихся умения применять математические формулы, понимания законов пропорции и симметрии, которые помогут им создать стабильные и сбалансированные модели.
Приложения:
А) Машина Голдберга в сборке.
Литература:
- Википедия
- http://www.unikaz.asia/ru/content/uvlekatelnoe-konstruirovanie-mashiny-ruba-goldberga
