Сказки для инженеров школьного возраста

Материал из Wiki
Перейти к: навигация, поиск

Автор: Манаенков Андрей Викторович, педагог дополнительного образования МБУ ДО «ЦТТ «Интеграл» г.о.Самара

Общий инструктаж к решению задач

Инженеру в своей повседневной профессиональной деятельности приходится решать различные технические задачи, связанные с реальными процессами. Отличие этих задач от «школьных из учебника» заключается в следующем.


1. Практические задачи плохо алгоритмизируются. У них нет четкого «Дано: ….», также как и нет спасительного ответа в конце учебника. При решении одной и той же задачи можно воспользоваться различными данными (об этом п. 2) и получить разные значения параметров в решении. Поэтому инженеру важно, как правило, не абсолютное значение какого-либо расчётного параметра, а порядок цифр. Каков диаметр воздушного шара, на котором летал Винни Пух (задача 1.2)? Полметра, пять или 50м? Представляется, что половина метра – очень мало, 50м – явный перебор, наверное – ближе к пяти. Посчитаете – узнаем точно.


Так и в инженерной практике: ошибка в 3-5% и даже больше вполне допустима, она закладывается в запасы прочности конструкции. Для устранения всех этих неточностей существуют испытания, в ходе которых выясняются все особенности работы конструкции, собираются все недостающие данные, уточняются результаты расчета, устраняются излишние запасы и т.д.


2. Исходные данные для решения… Это вечная проблема при решении технических задач. На что опереться при расчёте? Это постоянная головная боль любого проектанта. Сложить-поделить числа, подставив их в формулу, сможет каждый. А откуда их взять – эти числа? Вот основной вопрос проектной деятельности в технических организациях.


И за эти исходные данные надо бороться, их надо искать, а найдя – не сдаваться – всё как завещал великий путешественник Роберт Скотт, пропавший на бескрайних про-сторах Антарктики. И вот инженер-расчётчик борется с коллегами, заваливая тех служеб-ными записками с требованием предоставить нужные значения для расчёта параметров, ищет цифры в нормативной документации или справочной литературе, и, вконец отчаявшись, задаёт их сам, обосновав свой выбор той или иной логикой.


В наших задачах также много чего недостаёт. Примерьте на себя шкуру инженера-проектировщика. Постройте последовательность решения задачи и просмотрите, каких данных не хватает. Попробуйте их найти (например, плотность воздуха на различных высотах - изи в Интернете, как принято сейчас говорить), или примите свои значения, обосновав их. Пример такого обоснования в шуточной форме можно увидеть в п. 4.1.


Поэтому, решая приведённые ниже задачи, не надейтесь, что вы назовёте число, а вам скажут: «правильно» или «неправильно». Главное – показать логику решения и ход вашей мысли. А если ещё и число получите, похожее на правду – вообще замечательно, жюри это оценит!

Успехов!


Задача 1

Problem 1.jpg

Как известно, Винни Пух для добычи мёда из дупла дерева пытался использовать аэростатический метод – подъём на воздушном шарике.


И эта попытка ему не удалась, наверное, потому что он не был авиационным инженером. Если бы Пух серьёзно отнёсся к подготовке операции по похищению мёда таким способом, то ему, как и вам, друзья, пришлось бы ответить на некоторые технические вопросы.


1.1 Какие газы можно использовать для заполнения шарика? Какой газ выберете вы и почему?

1.2 Каким должен быть диаметр шара?

1.3 На какую максимальную высоту можно подняться на шаре определённого вами диаметра?

1.4 Как регулировать высоту подъёма шара и обеспечить плавную посадку? Не стрелять же каждый раз по оболочке шара с риском промазать и попасть в известное место главного героя.


Для ответа на эти вопросы давайте условимся, что масса Винни Пуха равна 50 кг.

Задача 2

Разогревшись на воздушных шарах мультяшных героев, давайте выступим экспертами по аэростатам и дадим свою техническую оценку следующему сообщению.

Problem 2-1.jpg

«Компания Wild View вместе со своими партнерами Paradox Space Development Corp. (названия изменены) предоставляют 5-6 часовой полет в капсуле, прикрепленной к шару, заполненному гелием, на высоту 30 км. В капсуле имеется место для 6 комических туристов и 2 членов экипажа. После приезда путешественников на место запуска команда техников наполняет высокотехнологичный шар гелием и тщательно проверяет все перед отправкой.

Капсула поднимается в течение полутора-двух часов на высоту 30 километров, где 99% земной атмосферы остаются под вами. В течение 2-х часов вы находитесь на пиковой высоте, наслаждаясь захватывающими дух панорамами сквозь огромные окна. На борту имеется бар, на случай, если вы заскучаете.

На высоте тридцати километров ветра могут достигать скорости в 200 км/ч, но это будет совсем незаметно в капсуле. Среднее расстояние от точки взлета до точки посадки — 300 км (0-600км). Пилот начинает выпускать гелий из шара, постепенно снижая корабль, далее капсула отцепляется от шара, и опускается на парашюте, а шар летит дальше. В компании уверяют, что гелий абсолютно безопасен и никак не загрязняет окружающую среду. Материал, из которого сделан шар — тоже. Среднее время полета от взлета до посадки может составлять 5-6 часов.

Цена полета — 75 000 $»

Problem 2-2.png

Как вам? Готовы сделать инвестиции в столь сомнительное мероприятие? Или что-то настораживает? Или это очередное фейковое сообщение, которыми полон Интернет?


Чтобы сформировать своё экспертное мнение, давайте сделаем следующее.

2.1 Опять посчитаем диаметр аэростата. Каков он? Не многовато ли?

2.2 Посчитайте стоимость оболочки шара. Для расчёта примем, что стоимость единицы площади оболочки шара аналогична такому же параметру современного спортивного парашюта-крыла.

2.3 Сформулируйте технические риски этого проекта.


Задача 3

Problem 3-1.jpg
Problem 3-2.jpg

Карлсон, который живёт на крыше...


Кто из нас не мечтает вот так легко и непринуждённо перемещаться в пространстве. Возможно ли такое в жизни, или такие полёты – удел сказочных героев?


Давайте проведём минимальный проектировочный расчёт Карлсона как летательного аппарата.


3.1 Какова потребная мощность двигателя (в л.с.) Карлсона в режиме вертикального взлёта и висения? Напомним, что Карлсон – небольшого роста «в меру упитанный мужчина в самом расцвете сил», поэтому его массу определим в 75 кг.


3.2 Каким должен быть диаметр винта Карлсона?


3.3 Какое физическое явление служит основным препятствием при создании летательного аппарата с одним подъёмным винтом?


3.4 Какие технические устройства, кроме винта и двигателя, требуются ещё для полета аппарата однороторной схемы?


3.5 Или, всё-таки, можно обойтись без этих технических устройств?


3.6 Как изменится ответ на вопрос 3.1, если учесть, что Карлсон может переносить не только самого себя, но и выступать в качестве транспортного средства?


Массу мальчика и банки варенья задайте сами. Кстати, как зовут мальчика, и какое у него варенье?


3.7 Какие летательные аппараты созданы для осуществления полёта одного человека? Перечислите, желательно проиллюстрировав этот ответ фотографиями.

Задача 4

Problem 4.jpg

«Щенячий патруль» - популярный среди детей 3-5 лет компьютерный мультсериал, в котором команда щенков во главе с их предводителем – мальчиком по имени Райдер, вооружившись хитроумными техническими устройствами, выполняет различные спасательные операции.


Оставив в стороне моменты, связанные с нежелательностью долгого пребывания малолетних детей у экранов компьютеров и телевизоров, отметим, что сериал, хотя бы, демонстрирует и культивирует победу технического прогресса над неприятными жизненными обстоятельствами. Но дальше наш инженерный кругозор нам подсказывает, что в жизни, как всегда, всё сложнее, чем в кино. Давайте в этом убедимся.


Раз мы тут занимается практической аэродинамикой, рассмотрим летающего героя – собачку по имени Скай.


Судя по всему, это – болонка, в жизни – достаточно миниатюрный щенок. Но из фильма следует, что мультяшные щенки – довольно крупные существа, это видно, например, когда они находятся рядом с Райдером, мальчиком лет 10-12. Создатели сериала решили не мельчить, да и мы не будем. Зададимся, что длина Скай в вытянутом полётном положении составит 1 м, а её масса – 10 кг, и ответим на вопросы.


4.1 Каким должен быть размах крыла? Помимо прочих параметров, для ответа на этот вопрос надо задать скорость полёта. Посмотрим на картинку, и убедимся, что Скай, как и все женщины, использует средства защиты – лётные очки – лишь как декоративный элемент для собственного украшения. Поэтому, исходя из условия слезотечения из глаз под действием скоростного напора, ограничим скорость полёта 60км/ч.


4.2 Решили задачу? Великоват размах, крыло выглядит непропорционально удлинённым и, похоже, не пройдёт по прочности и жёсткости, если продолжить расчёт? Тогда решим обратную задачу: определим скорость полёта с крылом, изображённым на картинке. Может, Скай всё-таки следует воспользоваться летными очками по назначению?


Задача 5

Представим себе ситуацию: семья улетает на отдых в теплые края. И юноша, назовём его…, нет, не Райдер, пусть будет Юра – очень продвинутый молодой человек лет 14-15, любит читать журнал «Поп-механика» (это – не реклама) и занимается в авиамодель-ном кружке – попросил папу взять ему посадочный талон на место у иллюминатора. При посадке в самолёт Юра мог видеть такую картину:

снаружи

Problem 5-1.jpg

и изнутри

Problem 5-2.jpg

После выполнения взлёта, Юра, понаблюдав удаляющуюся землю и работу механизации крыла, откинулся на спинку кресла и спросил папу:

- Так сколько, пап, лошадиных сил в нашем «Хёндай-Солярисе» (это – тоже не реклама)?

- 120, сынок, 120. Наш «Солярис» - заряженная тачка.

- Пап, а знаешь, сколько таких «солярисов» запрятано под капотами нашего самолёта?

- Сколько же, сынок?


Юра наклоняется к папе, который работает офис-менеджером небольшой торговой конторы и совершенно равнодушен к авиации, и шепчет цифры ему на ухо.

- Да ну! – удивляется папа, - откуда ты это взял? Из рекламного буклетика авиакомпании, который торчит вон из кармана кресла?

- Нет, пап, - обижается Юра, - я это в уме посчитал.

- Молодец, сынок, весь в папу, - отец одобряюще хлопает сына по плечу, - умеешь быстро цифры в уме складывать…


Внимание, вопрос!


5.1 Как можно быстро в уме прикинуть мощность двигателей самолёта, не имея никаких цифр перед глазами. Какие данные для этого расчёта можно почерпнуть, осмотрев самолёт при посадке снаружи и изнутри, а какие данные пригодятся из области общей авиационно-технической эрудиции?

Приведите этот расчёт на примере любого самолёта, будь то А-320 или В-737, или наша отечественная «классика» Ту-154 или Як-42. Сравните результат этого расчёта с данными по самолёту, которые можно найти в Интернете.


И ещё вопросы на ту самую авиационно-техническую эрудицию.


5.2 Работу каких элементов конструкции крыла мог наблюдать Юра, сидя сзади от крыла. А сидя перед крылом?

5.3 Когда заканчивается взлет и начинается набор высоты.

5.4 Что вперёд убирается при взлёте: шасси или те самые элементы из вопроса 5.2?

5.5 Что-то у нас всё про взлёт получается, где же посадка? А, вот: при посадке, посмотрев на крыло, Юра увидит туже картину, что и при взлёте? Или нет? В чём разница?


И, кстати: при посадке на крыло вообще можно смотреть, или, как говорится: «Минздрав не рекомендует»?



Ответы

На страницу проекта Самара. Космос. Новый виток

На главную