Машина гилберта своими руками

Машина Голдберга, запускающая шарик

Машина Голдберга, машина Руба Голдберга, машина Робинсона-Голдберга, Машина Робинсона или заумная машина — это устройство, которое выполняет очень простое действие чрезвычайно сложным образом — как правило, посредством длинной последовательности взаимодействий по «принципу домино».

Содержание

Описание [ править ]

Актуальность [ править ]

Актуальность данного проекта заключается в том, что при создании машины Голдберга можно найти практическое применение курсу теоретической механики. Изучение данного предмета в практической форме является наиболее интересным и познавательным, чем обычные решения задач. Также в процессе создания данной машины можно научиться пользоваться различными инструментами, полезными начинающему строителю.

Цель проекта [ править ]

Создать машину Голдберга, которая будет выполнять цепочку взаимодействий, приводящих к запуску воздушного шара.

Задачи проекта [ править ]

1. Определить последовательность действий, которые будут выполняться машиной Голдберга
2. Подобрать необходимые материалы, предметы и инструменты для создания проекта
3. Произвести расчеты и вычисления для определения параметров отдельных частей проекта
4. Создать схему машины Голдберга
5. Сделать отдельные части проекта
6. Собрать машину Голдберга
7. Произвести пробные запуски и устранить недочеты
8. Смонтировать видео
9. Произвести показательный запуск машины Голдберга
10. Создать вики-страницу проекта

Проектная команда [ править ]

• Дуванова Анна
• Васильева Алёна
• Гиниятуллин Данил
• Иванов Ярослав
• Каликсон Алексей
• Лучакин Сергей
• Наумова Ксения
• Ожигина Елена
• Пестова Дарья
• Прохоркина Анна
• Скляров Кирилл
• Солдатов Станислав
• Хамидуллова Евгения
• Червоненко Даниил

Работа по проекту [ править ]

Действия, выполняемые машиной Голдберга [ править ]

1. Запуск математического маятника опрокидывает стаканчик с шариком
2. Шарик катится по желобу до ямки, приводя в работу рычажные весы
3. Другой конец весов, поднявшись, толкает новый шарик
4. Шарик катится по желобам и, оттолкнувшись от препятствия снизу, толкает домино, запуская цепную реакцию
5. Последняя доминошка толкает тележку со свечкой, которая начинает катиться по слегка наклонной плоскости до препятствия
6. Нить пережигается от свечки
7. Молоток, который удерживался нитью, падает и толкает шарик
8. Шарик перелетает обрыв и приземляется в кузов машинки
9. Машинка скатывается по наклонной плоскости
10. Крышка коробки, которая прикреплена к машинке, поднимается
11. Шарик, удерживаемый крышкой, взлетает

Материалы и предметы для создания проекта [ править ]

• Мячики
• Тележка
• Машинка
• Рычаг
• Маятник
• Фанера
• Доски
• Свеча
• Клей
• Веревка
• Воздушный шарик
• Коробка
• Молоток
• Домино
• Скотч
• Стаканчик

Инструменты для создания проекта [ править ]

Этапы создания проекта [ править ]

Срок	Задача	Возникающие проблемы	Что сделано к сроку
26.02.19	Определить последовательность действий машины Голдберга	Каждый предлагает свои идеи. Нужно было придумать такую машину, чтобы каждому хватило по задаче.	Определена половина последовательности.
12.03.19	Окончательно определить последовательность действий машины Голдберга.	С трудом пришли к консенсусу. Пришли к идее, что несколько человек будут работать над одной задачей вместе.	Определена последовательность, сделан набросок действий.
25.03.19	Найти материалы для проекта. Начать создание вики-страницы.	Материалы было решено искать среди остатков от производства в ФабЛаб. Отсутствие знаний о создании вики-странички	Часть необходимых материалов была найдена. Пустая страничка была создана.
09.04.19	Найти предметы и инструменты для проекта. Начать сборку основных частей машины.	Со всеми деревянными частями машины проблем не возникло. Однако такие предметы, как шарики, мячики, машинка, тележка, свечки, пришлось покупать самим.	Было найдено почти все необходимое.
23.04.19	Разбор этапов для расчетов, сборка машины.	Сложности в определении задачи в целом. Главная часть конструкции собрана наполовину. Обнаружили нехватку времени на сборку.	Начали решать проблему с расчетами. Решили приходить в ФабЛаб каждый четверг, а не только во время пары.
07.05.19	Начало расчетов. Частично заполнить вики-страницу. Докупка материалов.	Возникли проблемы с решением задач. Трудно найти нужную машинку в магазине.	Определились до конца с расчетами. Была заполнена сама важная и легкая часть вики-страницы. Машинка не была куплена к сроку, но далее мы нашли ее в Карусели.
20.05.19	Сборка машины	Все части машины были собраны. Было решено заменить маятник Ньютона в самом начале на обычный маятник, замена горелки на свечку в связи с пожароопасностью.	Вся машина была собрана
30.05.19	Съемка видео	После многих попыток запуска машины удалось записать полное видео.	Было записано видео машины Голдберга.
05.06.19	Закончить расчеты	Сложности в подведении итогов расчетов.	Часть группы сделала свои расчеты.
08.06.19	Смонтировать ролик	Проблем не возникло	Ролик был смонтирован.
11.06.19	Продолжение заполнения вики-страницы.	Трудно было понять, как прикреплять изображения и видео к страничке	Были выложены расчеты некоторых ребят, было выложено видео.
13.06.19	Продолжение заполнения вики-страницы.	Не все ребята успели оформить свои расчеты.	Была оформлена большая часть вики-страницы. Осталось загрузить работы тех, кто еще не присылал фотографии.
17.06.19	Закончить вики-страницу проекта	Проблем не возникло	Результатом является данная страница

Расчеты элементов проекта [ править ]

• На какой угол на какое расстояние нужно отвести маятник, чтобы он сбил стаканчик (Ожигина Елена, Дуванова Анна)

• Расчет скорости шарика, скатывающегося по желобу, в конце пути (Хамидуллова Евгения)

• Расчет скорости правой части рычага после попадания в него шарика (Васильева Алёна)

• Расчет конечной скорости шарика после прохождения системы желобов (Прохоркина Анна)

• Расчёт скорости последней домишки, необходимой для начала движения тележки со свечкой (Каликсон Алексей)

• Какую скорость разовьет тележка после столкновения с доминошкой (Пестова Дарья)

• Расчет скорости и импульса молотка в момент удара (Скляров Кирилл)

• Под каким углом и с какой скоростью мячик прилетит в кузов (Гиниятуллин Данил)

• Расчет теоретической силы трения, действующей на машинку (Солдатов Станислав)

• Поедет ли машинка при падении в неё мяча данной массы (Иванов Ярослав)

• Расчет скорости машинки в конце наклонной плоскости (Лучакин Сергей)

• Какой массы нужно взять картонку, чтобы она могла удерживать шарик с гелием (Наумова Ксения)

• Какую скорость разовьет шарик до остановки (Червоненко Даниил)

Результаты по проекту [ править ]

Машина Голдберга выполняет необходимую задачу: запускает воздушный шарик. В процессе расчетов и пробных запусков пришлось убрать или модифицировать некоторые этапы. Вычисления немного подвели: пришлось исправлять высоту и длину некоторых конструкций. Возможно, если потестировать побольше, выявились бы еще несовершенства.

Видео запуска машины Голдберга.

Источник

Машина Голдберга в реальной жизни. Сложный ли алгоритм действия для сложного механизма?

Внимание! Данная статья относится к механической/электрической машине Голдберга и алгоритмам её работы.

Я начал писать эту статью в виде заметок чтобы как-то упорядочить процесс продолжительного, но прерывистого, “мозгового штурма” и потому статья будет в некотором роде последовательным изложением идей и улучшений, которые были придуманы по ходу выстраивания алгоритма. К тому же, это лишь первая, можно сказать “теоретическая”, часть общего цикла разработки самой машины Голдберга (устройства, которое выполняет простое действие нетривиальным способом), а потому будет продолжена последующими статьями.
Надеюсь, статья окажется интересной и, возможно, полезной для каждого. Начнём.

Вступление

Начать я хотел бы коротким описанием того, как появилась сама идея и зачем вообще нужна именно машина Голдберга, а, собственно, и алгоритм её действия. Это лишь лирическое отступление, а потому может быть пропущено с последующим переходом сразу к разделу “Начало разработки”.

Зимним ноябрьским днём на физическом факультете КНУ им. Тараса Шевченко мы с другом решили “почему бы нам не сделать что-то полезное самим? Мы же физики, для нас не проблема придумать что-то невероятно крутое и сделать это. Всего два дня и готово”. Остаток той пары теории групп был потрачен на попытку придумать, что же мы будем делать.

“Цитируя великих”, можно сказать: “Отсюда, очевидно, следует…”, что не так всё просто даже с определением, чего же мы хотим сделать. В конце концов ответ был найден. Мы хотим включить свет. Но не просто включить его, а включить лишь когда станет темнеть. Вроде простая задача – тут и думать не надо. Достаточно загуглить двухстраничный How To и готово. Но ведь это не интересно нам. Мы хотим включать свет механически. То бишь, нам нужна рука для МКС, как у Говарда Воловица.

Постепенно задача расширялась и изменялась, неспешно переходя в “314 способов включить свет”. Варианты, которые мы рассматривали были постепенно откинуты в связи со сложностью выполнения и просто с невозможность договорённости между собой.

Неожиданно вспомнив своё детство, проведённое за различными играми-вариациями “The Incredible Machine”, я решил, что будет здорово сделать именно так. Сделать эффектный механизм, а не только полезный и сложный. Посему, добро пожаловать в мир машин Голдберга!

P.S.: Далее по тексту я буду называть наше творение роботом, а не машиной Голдберга для экономии ресурса клавиши Shift.

Машина Голдберга и возможности реализации

Машина Голдберга – устройство, которое сложным и совершенно нетривиальным методом выполняет простое действие. Подробнее про такие механизмы можно прочитать в Википедии, а потому я не буду останавливать внимание на исторической справке.

Такие машины можно условно поделить на два основных класса: одноразовые и постоянные. В первом случае, как следует из названия действие возможно выполнить лишь один раз, а дальнейшая работа механизма требует вмешательства извне. Во втором же случае возможен лишь механический износ, что влияет на выполнение действия несущественно и только в перспективе. Последний вариант, очевидно, существенно полезнее в жизни, особенно при достаточно регулярном выполнении цикла работы, а поскольку темнеет за окном и в комнате каждый день, то было бы совсем неплохо не “заводить” выключатель так часто.

Задача про освещённость

Предположим, источник освещает замкнутое пространство формы параллелепипеда размером с небольшую лабораторию через отверстие в одной из граней, замаскированное под окно. Определите зависимость средней освещённости от времени, если учесть, что время циклично освещённость.

Для решения подобной задачи построим некоторый алгоритм А.

Рис. 1. Простой алгоритм определения освещённости

Таким образом нам необходимо всего 2 шага для перехода к дальнейшим действиям:

1. Получить информацию
2. Проверить её

Но, если всё так просто, зачем вообще морочить себе голову? Потому алгоритм легко можно усложнить. Для начала воспользуемся исключительно полезным усложнением. К примеру, увеличением точности (алгоритм Б).

Рис. 2. Усложнённый алгоритм определения освещённости

1. Получение информации
2. Проверка
3. Запрос дополнительных данных, если 2 выполнен
4. Получение дополнительных данных
5. Проверка дополнительных данных
6. Продолжение работы

Благодаря усложнению алгоритма и получению дополнительных данных мы можем увеличить точность. К примеру, раз мы включаем свет, то освещённость увеличится, значит свет надо выключить? Боюсь, мы так зациклимся, а прохожие будут в недоумении, что за азбука Морзе доносится из окна.

Теперь осталось лишь придумать, каким образом механически всё усложнить. Что первое приходит в голову, когда мы задумываемся о свете? Не о белом свете, а о том полезном компоненте нашей жизни, который делает жизнь немного приятнее.

Не знаю, как у вас, но у меня в голове сразу же возникает сложнейшая схема из зеркал, линз, фильтров и поляризаторов, соответственно она нам и нужна. Но нет, мы не будем ничего прожигать. Или будем? Этот вопрос пока находится на рассмотрении, т.к. наш робот должен быть достаточно автономным.

Тем не менее, начать нужно с простого, иначе сложное у вас никогда не получится таким, как хочется и будет жить своей жизнью. Итак, 3 примера реализации простого алгоритма определения освещённости.

Рис. 3. Схемы разных реализаций простого алгоритма

I. Электричество и фотоэлемент
Одна из простейших реализаций. Берём, к примеру, фоторезистор (диод, транзистор и т.д.) у которого меняются электрические характеристики в зависимости от освещённости и подключаем к электрической цепи. В результате изменения освещённости изменится падение напряжения на таком резисторе.

II. Весы, давление, линза и вода (невыполнимый алгоритм)
Уже менее тривиальная реализация, к тому же требующая большой точности. Небольшое количество воды наливается в ёмкость на точных весах. Собирающая линза ставится так, чтобы поверхность воды была в фокусе. При достаточном световом потоке, вода станет испарятся чуть быстрее, чем в отсутствии оного что и должны измерить весы. К сожалению, это всё хорошо в теории, но на практике не выполнимо. Кроме того, запасы воды нужно будет регулярно пополнять с помощью дополнительного механизма либо вручную.

III. Линза, нитка, груз и таймер (трудно повторяемый)
Схема существенно результативнее предыдущей. При увеличении светового потока, нитка, находящаяся в фокусе линзы будет пережигаться быстрее, что и будет зафиксировано таймером. К сожалению, данный алгоритм требует дополнительный механизм, который выполнял бы полезную работу – поднимал груз и натягивал новую нитку (много и ещё больше раз в день).

Понятное дело, что подобных алгоритмов можно придумать уйму, однако точность каждого следующего вряд ли будет увеличиваться, что нам совершенно не нужно. Наша задача теперь усложнить самый точный из алгоритмов с системой проверки так, чтобы механизм стал немного ближе к “идеально сложному” роботу. Для себя я лично выбрал алгоритм I. Тем не менее, я не утверждаю, что он лучший из всех возможных. Перейдём к модификациям.

Наш усложнённый алгоритм подразумевает использование проверки полученного результата. А поскольку мы разрабатываем машину Голдберга, проверять идентичным способом, которым выполняется обычный сбор информации – не логично и не интересно. Попробуем несколько механических модификаций.

I.1. Рельсы и перемещение датчика
Ремарка. Для упрощения схемы перемещения будем считать, что в одну сторону перемещения всегда происходят под действием гравитации, а в обратную с помощью внешней силы (поезда, кто же в детстве не мечтал о железной дороге?).

После каждой успешной проверки будем перемещать датчик в другую точку и проверять освещённость там. Естественно, после выполнения, датчик необходимо возвращать в исходное положение.

I.2. Рельсы и стеклянный шар
Второй вариант использования рельс. После первой проверки в сторону датчика скатывается стеклянный шарик, изменяя этим освещённость датчика благодаря рассеиванию либо фокусировке света (в зависимости от взаимного положения датчика и шарика)

I.3. Поляризационный или частотный фильтр (цветной светофильтр)
Закрывая датчик фильтром можно определить источник света (солнечный рассеянный или свет от уже включённой лампы). Требует должного знания спектральных или поляризационных характеристик источника освещения (лампы). Закрывать датчик фильтром можно разными методами. К примеру, поворотом фильтра вокруг некоторой оси, перпендикулярной ему, либо опусканием фильтра ближе к сенсору.

“Где же здесь сложный механизм?” – спросите вы. На этом вопрос я могу легко ответить. Наш алгоритм не ограничивает схему физически или философски, то есть никак не ограничивает. Соответственно, что мешает нам учесть, что каждый элемент на блок-схеме – это целая отдельная схема?

Потому перейдём к следующей задаче.

Задача про механическую кнопку, которая убегает

Предположим, дана кнопка, которая постоянно перемещается в одномерном пространстве (перемещается вдоль произвольной, в общем случае, заданной линии). Как на неё нажать?

Зачем нам это нужно? Что бы было эффектнее. Что если кнопка включения света не стоит на месте? К примеру, она может перемещаться по круговой траектории. Рассмотрим схему с использованием специального рычага для нажимания на кнопку.

Рис. 4. Схема работы рычага

Рис. 5. Схема с перемещением кнопки вокруг рычага

Или же мы можем использовать не одну, а несколько кнопок. Тогда нам надо нажать на нужную. Вариант от обратного – рычаг перемещается, и мы должны успеть нажать на нужную кнопку в нужный момент.

Рис. 6. Схемы с перемещающимися кнопками и с перемещающимся рычагом

Однако, последние варианты можно использовать и для простой реализации разных функций механизма.

Алгоритм, выполняемый в простом случае, идентичный простому алгоритму для определения освещённости. В усложнённом же случае:

Рис. 7. Усложнённый алгоритм выполнения механического задания

Можно заметить, что усложнить алгоритм в данном случае для таких себе “мышц” робота не получится. Мы лишь можем увеличить количество шагов.

Нужно ли нам разветвление в алгоритме? Будет ли это полезно для реализации машины Голдберга? Если бы я сам только знал. Однако, механическая реализация существенно ограничивает количество возможных разветвлений алгоритмов, одновременно внося такую эффектность в выполнение сего алгоритма.

Вывод

Очевидно, что для реализации механической машины Голдберга нет необходимости в сложном алгоритме. Тем не менее это никак не влияет на само исполнение. Таким образом, машина Голдберга – идеальный представитель линейной, а соответственно и простейшей алгоритмической логики.

Источник