Проектная работа "Парящий столик Тенсегрити"

Юные техники и изобретатели

Направление работы: Прототипирование

Тема: «Парящий столик Тенсегрити»

Автор: Решетов Ильми Асанович 5 – б класс (11 лет)

Научный руководитель: Алиева Пакизе Сервериевна

Образовательная организация: МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 3 с крымскотатарским языком обучения» городского округа Судак

2025 год

Содержание

Введение………………………………………………………………….....3

1. Теоретическая часть…………………………………………….………….4

1.1 3D-принтер………………………………………………………………….4

1.2 Принцып тенсегрити ………………………………………………………5

1.3 Тенсегрити концепция нашего тела……………………………….………5

1.4 Тенсегрити в мебели………………..………………………………….........5

1.5 Как летают столы? Раскрываем секрет фокусников!..……………..……..6

1.6 Беседа с учителем физики ………………………………………………….6

1.7 Законы физики в мебели ……………………………………………………6

2. Практическая часть. Создание модели «Парящий столик Тенсегрити»….8

Эксперимент с моим «Парящим столиком Тенсегрити» …………………18

Заключение………………………………………………………………..19

Список использованной литературы……………………………………20

Тема моей проектно-исследовательской работы «Парящий столик Тенсегрити». Тему я выбрал неслучайно. К нам в школу в рамках национального проекта «Успех каждого ребенка» привезли 3-D принтеры. Конечно, я очень ими заинтересовался. И с нетерпением ждал сентября чтобы записаться на кружок «Моделирование и лазерные технологии». Руководитель кружка Пакизе Сервериевна, мой классный руководитель. И я решил обязательно что-нибудь распечатать на 3-D принтере. Просмотрев множество источников информации, я остановил свой выбор на столике, который парит в воздухе. «Парящий столик Тенсегрити».

Поэтому поставил перед собой цель: изготовить «Парящий столик Тенсегрити».
Для реализации цели я поставил следующие задачи:

-посещать кружок;

-изучить принцип работы 3-D принтера;

-произвести расчеты деталей необходимых для модели;

-распечатать парящий столик;

-собрать его.

Объектом исследования являлась самостоятельно изготовленная модель столика, который парит в воздухе.

Методы исследования:

-анализ материалов и их физических характеристик для распечатывания на 3-D принтере;

-запуск печати на 3-D принтере;

- сбор модели «Парящий столик Тенсегрити»;

-обобщение

Структура работы:

Приступая к своей работе, я изучил теоретический материал, затем проанализировал материалы для распечатывания на 3-D принтере, узнал как работает 3-D принтер.

Актуальность темы: Тема данной работы очень актуальна для понимания  развития современной техники. Делает возможным в дальнейшем проектирование более сложных моделей и механизмов, которые можно эффективно использовать в будущем.

3D-принтер — это устройство с программным управлением, которое использует данные компьютерной трёхмерной модели для послойного создания физического объекта. 

Основные части конструкции 3D-принтера:

• открытый или закрытый корпус (камера сборки); 

• рама, на которой закреплены все механизмы и детали; 

• двигатели, приводящие в движение механизм, контролирующие точность и скорость печати; 

• печатная платформа; 

• экструдер — печатающая головка, которая отвечает за захват порции материала и подачу через нагретое сопло на платформу; 

• панель управления. 

Некоторые виды 3D-принтеров и используемые технологии:

• Фотополимерные. Основаны на принципе затвердевания смолы под воздействием УФ-излучения. Например, SLA (лазерная стереолитография), при которой лазер облучает смолу точечным воздействием, DLP (усовершенствованный аналог SLA), при котором засветка производится не точечно, а сразу послойно под воздействием проектора, LCD (засветка производится через жидкокристаллический дисплей). 

• Порошковые. В качестве расходника выступает порошок, например песок, гипс, металл, который послойно спекается. Например, MJF (многоструйный синтез), когда на каждый порошковый пласт наносится клеящее вещество, для затвердевания применяют инфракрасный свет.

• Струйные. Например, PolyJet (способ, напоминающий струйную печать), при которой полимер выстреливает на рабочую платформу через десятки мельчайших сопел, образуя слой. Затем его подвергают воздействию УФ-излучения, и он затвердевает.

По назначению 3D-принтеры бывают:

• Персональные. Обладают более широкими техническими возможностями, чем домашние. Подойдут для использования в рекламных агентствах, небольших дизайнерских студиях, инженерных и ремонтных мастерских, а также для изготовления прототипов и штучных изделий. 

• Профессиональные. Модели крупных габаритов с повышенной производительностью, пригодные для налаживания производства. Могут работать с разными видами сырья. 

• Промышленные. Это печатающий станок с большой площадью печати, а также высоким уровнем автоматизации и контроля. 

1.2 Принцип тенсегрити

Тенсегрити (tensegrity от англ. tensionalintegrity — соединение путём натяжения) — принцип построения конструкций из стержней и тросов, в которых стержни работают на сжатие, а тросы — на растяжение. При этом стержни не соприкасаются друг с другом, но висят в пространстве, а их относительное положение фиксируется растянутыми тросами, в результате чего ни один из стержней не работает на изгиб.

Термин был придуман учёным и архитектором Ричардом Бакминстером Фуллером. В России подобные конструкции называются напряжённосвязанными. В России изучением тенсегрити занимался ученый Карл Иогансон (1890—1929). Он, еще за четверть столетия до создания этого термина Фуллером, восхищал посетителей технических выставок своими «самонапряженными конструкциями».

Тенсегрити — способность каркасных конструкций использовать взаимодействия работающих на сжатие цельных элементов с работающими на растяжение составными элементами для того, чтобы каждый элемент действовал с максимальной эффективностью и экономичностью.И хотя конструкция выглядит хрупкой и эфемерной, она удивительно устойчива.

1.3 Тенсегрити концепция нашего тела

Наше тело построено по тому же принципу «баланса сжатия и напряжения». Твердые стержни – наши кости, эластичные тросы – связки, мышцы, фасции и другие мягкие ткани.

Когда мы даем чрезмерную нагрузку на определенную часть системы, то получаем ответ от всей системы – ее перестройку и повреждение, но совсем не обязательно в том месте, куда была приложена сила. Именно поэтому, когда у нас болит плечо или поясница – проблема может лежать далеко за пределами этих областей.

Зная принцип тенсегрити, можно более грамотно подходить к коррекции нарушений опорно-двигательного аппарата. Целесообразно воздействовать на мягкие ткани (компонент натяжения), нежели на костный компонент (компонент сжатия).

В системе нашего «биологического тенсегрити» имеются цепи (линии), которые делятся на поверхностные и глубокие. Первые отвечают за выполнение амплитудных движений, а глубокие – за стабилизацию тела, когда оно совершает движение.

1.4 Тенсегрити в мебели — это концепция, основанная на идее о сбалансированном взаимодействии твердых и гибких элементов для создания устойчивых и эстетичных конструкций. Тенсегрити в мебели часто используется для создания уникальных и креативных дизайнов, позволяющих создавать сложные формы и структуры, которые могут быть легкими и прочными одновременно. Этот подход также позволяет дизайнерам создавать мебель, которая выглядит по-настоящему современной и инновационной.

Применение тенсегрити в мебели требует тщательного расчета и инженерных навыков для создания устойчивых и функциональных дизайнов.

Этот подход может быть особенно интересен для создания легких и прочных мебельных конструкций, таких как стулья, столы, шкафы и диваны.

1.5 Как летают столы? Раскрываем секрет фокусников!

Практически в каждой программе иллюзионистов можно встретить фокус с использованием летающего стола. Это настоящее чудо, изумляющее детей и взрослых. Парящая в воздухе мебель заставляет нас поверить в чудеса, удостовериться в том, что мастерство фокусников не знает границ. Но не обман ли это? Или человек действительно может «приручить» предметы, используя силу мысли, другие скрытые возможности?

Волшебство левитации используется фокусниками в отношении разных предметов. Например, в воздухе во время представления может зависнуть шар или трость. Или – сам чародей!

Кажущийся довольно массивным и тяжелым стол на самом деле – очень легкий по весу. Но не только в этом заключается магия его полетов.

Как оказалось, иллюзионист поднимает в воздух предмет при помощи тончайших прочных нитей. Естественно, нити закрепляются специальным образом, чтобы можно было без проблем производить манипуляции. Притом фокусник не касается самого столика руками.

1.6 Беседа с учителем физики

Перед тем как приступить к изготовлению модели, я побеседовал с учителем физики Алиевой Пакизе Сервериевной. Она сказала, что «Самонапряженные конструкции» в школьном курсе физики не изучаются. Учитель дал мне советы по изготовлению моделей и обратил внимание, что один из тросов должен проходить под геометрическими центрами столешницы и ножек. Это для того, чтобы центр тяжести стола не сместился и модель получилась устойчивой.

Еще Алиева П.С. объяснила, как работает тенсегрити:

Жесткие сжатые элементы (стержни) удерживаются друг от друга непрерывной сетью гибких натяжных элементов (тросов).

Жесткие детали передают сжимающие усилия, а тросы образуют непрерывные линии натяжения.

Этот баланс стабилизирует всю форму без необходимости каких-либо жестких соединений между сжатыми элементами.

Силы распределяются по всей конструкции посредством растяжения и сжатия в равновесии.

1.7 Законы физики в мебели

За последнее время в интернете появилось множество изображений конструкций «левитирующих» столов, которые на первый взгляд нарушают законы физики. Тем не менее, такие столы можно описать с помощью законов механики.

Законы физики в тенсегрити-мебели заключаются в том, что жёсткие сжатые элементы (стержни) удерживаются друг от друга непрерывной сетью гибких натяжных элементов (тросов). Жёсткие детали передают сжимающие усилия, а тросы образуют непрерывные линии натяжения. Этот баланс стабилизирует всю форму без необходимости каких-либо жёстких соединений между сжатыми элементами. Силы распределяются по всей конструкции посредством растяжения и сжатия в равновесии. 

Практически все модели мебели, изготовленные по принципу тенсегрити, состоят из двух симметричных деталей, соединением и опорой служат натянутые тросы. При изготовлении моделей тенсегрити один из тросов должен проходить под геометрическими центрами столешницы и ножек, чтобы центр тяжести не сместился и модель получилась устойчивой. 

На рисунке мы видим схематическое изображение одной из моделей стола «тенсегрити». Сила притяжения Земли (красная стрелка) компенсируется силой упругости Т (зелёная стрелка) возникающая при деформации. Момент силы тяжести компенсируется силами упругости Т2 (зелёная стрелка) в одной из боковых нитей.

В классической механике говорится о том, что твердое тело находится в равновесии тогда, когда

1. Сумма действующих на него сил равна нулю;

2. Сумма моментов действующих на него сил равна нулю.

Из рисунка видно, что сила тяжести, действующая на «парящую» с грузом часть стола, компенсируется силой упругости Т, то есть сумма сил равна нулю. Таким образом, выполняется первое условие равновесия.

Теперь посмотрим на точки приложения сил. Видно, что сила тяжести поворачивает столешницу по часовой стрелке относительно геометрического центра стола. Что ей мешает? Видно, что ей мешают силы упругости на веревочках, прикреплённых к краям и ножке стола. Условие выполнения моментов сил пока сложно для меня, учитель физики сказала, что объяснит мне данное условие в старших классах.

Основная часть. Создание модели «Парящий столик Тенсегрити»

Эксперимент с моим «Парящим столиком Тенсегрити»

Я решил испытать свой стол на устойчивость. По порядку складывал на стол предметы различной массы. Для этого в начале взвешивал предметы с помощью весов. Данные занес в таблицу.

Моя модель столика распечатанная на 3 D принтере оказалась устойчивой и выдержала предметы, которые я на ней испытывал. Конечно если натянуть детали столика металлической цепочкой или нитью потолще, стол будет более устойчивым.

Заключение

Закончена работа над проектом, модель «Парящего столика Тенсегрити» готова. Выполнение работы над проектом было очень интересным. Это моя первая работа на 3D – принтере. При создании проекта я узнал много нового и интересного. Из источников информации узнал, что в современном мире люди хотят видеть в своем интерьере новые детали и модели мебели.

В какой-то степени раскрыл секреты фокусников с парящими столами. Немного узнал о науке «физика» и законах механики. Как мы видим, никаких чудес и магии при создании столика нет – всё может быть описано с точки зрения физики. Испытал свой столик на устойчивость. Он получился очень устойчивый.

Самое главное я научился запускать 3 D – принтер MAESTRO DUET (Маэстро) Технический паспорт 26.20.16-001-15406877-2017 ПС). Узнал какие материалы используют для печати.

В дальнейшем буду продолжать посещать кружок «Моделирование и лазерные технологии» в нашей школе, хочу научиться моделировать детали сам. Впереди меня ждет много нового и интересного.

Я уверен, что справился с поставленными задачами.

Список использованной литературы

1. Физика. 9 класс. Перышкин. Учебник

2. Физика. 10 класс. Учебник Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев

• https://yandex.ru/turbo/usamodelkina.ru/s/17661-nastolnyj-antistress-ili-antigravitacionnaja-struktura-tensegriti.html

• https://zen.yandex.ru/media/id/5e42ff779c43973fad05a34e/tensegriti-s-tochki-zreniia-fiziki-ili-chudes-ne-byvaet-5ee4f26bb0200314ab9818e4

• https://3dtoday.ru/.

• https://www.thingiverse.com/