Тема: Математическое обеспечение прогнозирования физических параметров на отдельных этапах работы МГ.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МУРМАНСКИЙ АРКТИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО «МАГУ»)
ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ, ЭКОНОМИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА МАТЕМАТИКИ, ФИЗИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Современные технологии арктических исследований
ОТЧЁТ О ВЫПОЛНЕНИИ ЭТАПА НИОКР
на тему:
Технологии создания и применения машин Гольдберга
Выполнил:
Починок Игорь Олегович,
Студент 1 курса направления подготовки 01.03.02 «Прикладная математика и информатика» очной формы обучения
Научный руководитель:
Шуньгина Ирина Владимировна,
старший преподаватель кафедры МФиИТ
Консультант
(преподаватель дисциплины):
Запорожцев Иван Федорович,
к.т.н., доцент кафедры МФиИТ
Мурманск
2018 г.
Содержание
Содержание. 2
Введение. 3
Библиография. 5
Тема: Математическое обеспечение прогнозирования физических параметров на отдельных этапах работы МГ. 12
Введение
Машина Гольдберга (МГ) – это устройство, которое выполняет простое действие сложным образом. По условию выполняемое действие должно быть полезным, однако процесс, приводящий к полезному результату, должен быть организован максимально сложным образом. Можно сказать, что МГ является воплощением инженерного искусства, предназначенного для ценителей технического творчества, для которых больше важна красота процесса, а не полезность результата – удовлетворение прикладных потребностей является вторичным. Таким образом, в настоящее время образцы МГ выступают в качестве средств гимнастики для ума и провоцируют интерес к их инженерному анализу.
|
|
|
Исследование и конструирование МГ относится к теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). ТРИЗ – это наука об общих законах развития искусственных систем. Она является междисциплинарной наукой, призванной объединить и систематизировать знания тех областей, которые до сих пор было принято считать различными и несовместимыми. Данная цель достигается в ТРИЗ за счёт анализа и выявления общих принципов, подходов, законов, закономерностей и тенденций развития в процессе научного познания.
Основная цель развития МГ заключается в минимизации идеальности[1] выполнения главной функции (ГФ) устройства, при сохранении функциональности системы выше нуля.
При этом МГ со всех точек зрения является типичной технической системой, сохраняющей все её признаки:
|
|
|
1) степень сложности элементов по их внутренней структуре;
2) иерархическая упорядоченность элементов;
3) развитость функций элементов;
4) преимущественное функциональное назначение элементов;
5) интенсивность и качественный уровень связей ТС
Известны попытки анализа МГ с точки морфологической, структурной и конструкторской точек зрения.
При этом системный и функциональный анализы до сих пор не применялись для этого важного класса технических систем.
В частности, любая действующая МГ должна подчиняться закону полноты частей системы: каждая ТС должна включать четыре части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления.
Тема работы особенно интересна для детей школьного возраста и студентов, она позволяет популяризировать знания физики и математики, развивать алгоритмическое, а также инженерное мышление через творческие и соревновательные мероприятия. Проведение исследований, практических работ по данной теме позволит получить навыки 3D моделирования, давая возможность использовать их в дальнейшем в профессиональных целях. Этими аспектами определяется актуальность выбранной темы НИОКР.
Объект исследования: машина Гольдберга.
|
|
|
Предмет: особенности создания и применения машин Гольдберга.
Практическая значимость: МГ могут стать промышленными образцами с избыточной функциональностью – стартовыми звеньями нескольких конвейеров, модульных конструкций, функции которых постепенно уточняются, а не заданы одномоментно.
Теоретическая значимость: повешение уровня абстракции некого решения в условиях неполной или варьируемой постановки задачи.
Цель: познакомиться с технологиями создания МГ и применения объектов виртуальной/дополненной реальности для разработки машин Гольдберга.
Задачи:
1. Познакомиться с научными и научно-популярными источниками по проблематике МГ.
2. Получить навыки программирования на языке C# и использования среды Unity.
3. Получить опыт применения технологий 3D-графики для решения прикладных задач на примере конструирования цифровой модели МГ.
Методы исследования: общенаучные методы анализа и синтеза, системный анализ, 3D-моделирование, компьютерный эксперимент, имитационное моделирование.
Библиография
1) Горковенко Р. В., Савельева Е. М. Машина Голдберга для демонстрации превращений механической энергии // Юный ученый. – 2018. – №3. – С. 76-78. URL: http://yun.moluch.ru/archive/17/1251/ (дата обращения: 27.12.2018).
|
|
|
Ключевые слова:
Машина Голдберга; обучение; физика; конструирование;
Исходные данные:
В данной статье нам предлагают экспериментальные данные полученные в следствии создания группой людей машины Руби Голдберга. Источником исходных данных являются испытания разных, систематически полных частей теоретически продуманной и точно сконструированной машины Голдберга, на разных этапах её разработки. Вследствие анализа данных, полученных в результате практического использования данной технической системы авторами статьи для демонстрации детям школьного возраста, можно отметь то, что информация, представленная в данной статье, является: полной, актуальной, достоверной, точной и полезной для данного направления исследования. Также можно выделить то, что информация не имеет пространственной, временной или иной привязки.
Применяемые методы и технологии:
Можно предположить, что для получения представленных в статье данных, авторы воспользовались эмпирико-теоретическим методом получения информации. Эмпирико-теоретические методы (смешанные) – это методы построения теорий на основе полученных эмпирических данных об объекте, процессе, явлении. К эмпирическим методам сбора данных относят: наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент, также относят и опрос, интервью, тестирование (но конкретно эти методы не уместны в данной ситуации). Методом эвристики были получены данные о целой функциональности Машины Голдберга путём анализа полученных данных о составляющих её частей. Эвристика, использование эвристических процедур – получение знания о целом по знаниям о частях и по наблюдениям, опыту, интуиции, предвидению. Методом моделирования были составлены модели взаимодействия частей системы. Моделирование (простое моделирование), использование приборов – получение знания о целом или о его частях с помощью модели или приборов. Не стоит исключать того, что возможно были использованы и другие методы получения данных (измерение, логический метод, визуализация, виртуализация т.п.).
Результаты:
Данная статья имеет информативную ценность для исследовательской работы в направлении изучения машин Голдберга. Из неё была получена информация о применении Голдберговых машин для демонстрации детям школьного возраста превращений механической энергии нестандартным способом. Также была получена информация о целостном построении представленной технической системы, и о процессе работы её компонентов как отдельных систем. Не следует опускать того, что была получена информация о способе стилизации МГ, и о вариативности способов применения законов физики и физических процессов при построении данной конструкции.
Аннотац ия:
Статья посвящена созданию машины Руби Голдберга для демонстрации превращений механической энергии нестандартным способом. Присутствует общее описание такой исторической персоны как Рубен Люциус Голдберг и его пути к становлению известным. Также значимую часть занимает перечень составляющих частей машины, детальное описания процесса работы и функций отдельных частей МГ, также присутствует описание конечного результата. Представлены выводы и заключение, что подтверждают выполнение не только первоначально поставленной цели, но и второстепенно появившихся.
2) Умнов, А.Е. Методы математического моделирования [Текст]/А.Е. Умнов; Редактор В.А. Дружинина. Корректор Л.В. Себова.– 3-е издание испр. и доп.– Москва: Московский физико-технический институт, 2012. – 289 с.
Ключевые слова:
Математическое моделирование; Лекции; Задачи;
Исходные данные:
В данном учебном пособии представлена расширенная версия курса лекций по основам методологии математического моделирования в условиях неполного информационного обеспечения. Тут предоставлены теоретические, лекционные данные про язык программирования L, разнообразные примеры практического использования неполных математических моделей, линейные модели и принципы их использования. Также предоставлены списки задач, сводящихся к задачам математического программирования. Анализируя составляющие части предоставленного источника информации, можно сказать, что данное учебное пособие обладает большим количеством актуальной, полной и полезной информации. Что непосредственно повышает его ценность как источника для исследовательской работы.
Применяемые методы и технологии:
В основном используются теоретические методы получения информации. Многочисленные математические вычисления, формулы, модели - всё это используется в данном учебном пособии. Сам сборник лекционного материала посвящён изучению методов математического моделирования. Отсюда можно сделать вывод, что к применяемым методам можно отнести сравнение и индукцию, как эмпирико-теоретические методы. По поводу визуализации, нет однозначных доказательств её использования при получении информации, но это не исключает возможность её присутствия как одного из второстепенных (параллельных) методов, которые отчасти представляют собой часть другого, более масштабного, метода получения данных. Также можно припустить, что при разработке данного учебного пособия использовалась аксиоматизация – получение знаний о целом или его частях с помощью некоторых аксиом (не доказываемых в данной теории утверждений) и правил получения из них (и из ранее полученных утверждений) новых верных утверждений.; Формализация – получение знаний о целом или его частях с помощью языков искусственного происхождения (формальное описание, представление). В заключение, можно сказать, что при создании данного пособия были использованы разнообразные методы и технологии получения данных, а это в свою очередь гарантирует достоверность и актуальность полученной информации.
Результаты:
В результате ознакомления с приведённым теоретическим материалом, были получены необходимые для продолжения исследовательской работы знания: числовые данные, методы создания математических моделей, технические решения и большой объём других не менее полезных знаний. Также, при более углублённом изучении данного источника, присутствует возможность получение дополнительных сведений, данных, технических решений и методических разработок, что позволят значительно ускорить и облегчить выполнение исследовательской работы. Будет уместным сказать, что данное учебное пособие предназначено специально для студентов высших учебных заведений, в соответствие с этим, все данные изложены так, что бы при прочтении они легко воспринимались.
Аннотац ия:
Данное учебное пособие вмещает в себе расширенный курс лекций по основам методологии математического моделирования. Оно будет полезно для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области менеджмента наукоёмких и инновационных технологий. Также не будет лишним упомянуть то, что понятное объяснение и раскрытие каждой из тем сопровождается наглядными примерами и практическими задачами для лучшего освоения материала. Также при использовании данного источника можно будет расширить свои познания в сфере математического моделирования (прогнозирования).
3) Машины Голдберга [Электронный ресурс]: массовые открытые онлайн-курсы/Лекториум.–массовые открытые онлайн-курсы. – Режим доступа: https://www.lektorium.tv/mooc2/32128 .
Ключевые слова:
Лекции; Машина Голдберга; Курсы; Физика; Инженерия;
Исходные данные:
В предлагаемых онлайн-курсах посвящённых Машинам Голдберга, предоставляют большое количество теоретической информации, касаемо инженерно-конструкторских и дизайнерских решений, экспериментальных и модельных данных, которые являются актуальными и ценными, особенно для темы этой исследовательской работы. Источниками данных тут является опыт работы и исследований в данном направлении разных преподавателей, а также предлагаемые ими пособия и книги по строению и теории МГ, также будет уместным назвать источником – процесс и результаты практических экспериментов.
Применяемые методы и технологии:
Среди использованных методов получения данных можно выделить как эмпирические, так и теоретические.
В этом случае к эмпирическим будут относиться:
· Наблюдение – сбор первичной информации об объекте, процессе, явлении;
· Сравнение – обнаружение и соотнесение общего и различного;
· Измерение – поиск с помощью измерительных приборов эмпирических фактов;
· Эксперимент – преобразование, рассмотрение объекта, процесса, явления с целью выявления каких-то новых свойств;
К теоретическим:
· Аксиоматизация – получение знаний о целом или его частях с помощью некоторых аксиом (не доказываемых в данной теории утверждений) и правил получения из них (и из ранее полученных утверждений) новых верных утверждений;
· Идеализация – получение знаний о целом или его частях путем представления в мышлении целого или частей, не существующих в действительности;
· Виртуализация – получение знаний о целом или его частях с помощью искусственной среды, ситуации.
Результаты:
В результате прохождения курса, одержаны большие объёмы полезной информации, и ценных данных. Также были получены новые знания о технологиях структуризации, основах строительства и планирования Машин Голдберга. были обновлены познания в физике. В заключение, можно сказать, что прохождение данного курса инженерного творчества предоставило много новых данных, методов и технологий, относящихся к теме исследовательской работы, что в свою очередь будет иметь большое значение в продвижении развития последней.
Будет уместным упомянуть то, что данный онлайн-ресурс снабдил нас бесценным опытом работы с людьми работающими в направлении исследования и применения машин Руба Голдберга, что несомненно будет иметь свой внос в развитие исследовательской работы.
Аннотация:
Данный курс об одном из форматов инженерного творчества, машинах Голдберга – абсурдно сложных механизмах из самых простых материалов, которые используются нестандартным способом.
В основной части курса вы узнаете:
· как появились такие машины и какими они бывают
· какие шаги и способы передачи взаимодействия существуют
· почему важен сценарий машины и как его продумать
А самое главное – сможете сразу попробовать себя в деле! Вы будете искать необычные приемы, придумывать отдельные шаги, спроектируете собственный заумный механизм и потренируетесь в подготовке к соревнованиям. В основе курса – практический опыт, полученный при работе над обучающими программами инженерного развития, мастерскими и соревнованиями по строительству машин Голдберга. Берите и используйте! На фотографиях в описании курса показаны реальные машины Голдберга, построенные участниками хакатонов «Мастерская Голдберга» и соревнований «Кубок Голдберга 2017».
Этот курс будет интересен как Школьника старших классов и студентам колледжей и вузов, так и преподавателям школ, колледжей и вузов, а также фаблабов, ЦМИТов и Кванториумов.
Сравнение:
Для сравнения использованных трёх источников будут использованы такие критерии как важность, точность и значимость приведённой в них информации.
Несомненно любая информация связанная с темой – важна и значима, но степени важности и значимости информации представленной в данных источниках – разные. В учебном пособии по методам математического моделирования представлена информация непосредственно о математических моделях и способах их использования для решения разнообразных задач, но для основной темы исследовательской работы, а именно «Технологии создания и применения машин Голдберга», данный источник можно считать не более чем дополнительным, нежели основным.
Что по поводу других, по степени важности статья на тему машин Голдберга уступает лекционным онлайн-курсам, так как в статье представлена информация касательно одной технической системы, против многочисленных примеров разнообразных машин требуемого нами типа, представленных в лекциях данного курса. Со значимостью статьи ситуация – аналогичная.. Вследствие этого, можно сказать, что по сравнении со статьёй, лекция представляет собой источник более важной и значимой информации. Итого: онлайн-курсы обладают более важной и значимой информацией касательно темы исследовательской работы.
Что до точности информации представленной в используемых источниках:
Нет никаких сомнений в том, что данные, предоставленные нам учебным пособием – точны, так как при их получении были использованы разнообразные методы и технологии. Также имеет значения и то, что эти данные собирались под руководством высшего образовательного учреждения, это – тоже является неким аргументом в пользу данного пособия как источника точной информации.
Что по поводу статьи, при сравнении с учебным пособием и онлайн-курсами, она – уступает по своей точности, так как преимущество других источников по количеству используемых при получении данных методов – не нуждается в доказательстве.
При сравнивании онлайн-курсов и учебного пособия, можно сказать что точность представленной ими информации – почти равны, так как подтверждённые математическими фактами данные сравниваются с данными, процесс получения которых визуально представлен нам от начала до логического конца.
Как заключение можно сказать, что источником с наиболее значимой и важной информацией связанной с темой исследовательской работы являются лекционные онлайн-курсы по машинам Голдберга.
Тема: Математическое обеспечение прогнозирования физических параметров на отдельных этапах работы МГ.
Никакое определение не может в полном объёме охватить реально существующую деятельность по математическому моделированию. Несмотря на это, определения полезны тем, что в них делается попытка выделить наиболее существенные черты.
Определение модели по А. А. Ляпунову: Моделирование — это опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, при котором непосредственно изучается не сам интересующий нас объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система (модель)
Модель в широком смысле - это любой образ, аналог мысленный или установленный изображение, описание, схема, чертеж, карта и т. п. какого либо объема, процесса или явления, используемый в качестве его заменителя или представителя. Сам объект, процесс или явление называется оригиналом данной модели.
Физическая наука неразрывно связана с математическим моделированием со времен Исаака Ньютона.
Можно сказать, что решение любой физической задачи теоретическим путем есть математическое моделирование. Однако возможность теоретического решения задачи ограничивается степенью сложности ее математической модели. Математическая модель тем сложнее, чем сложнее описываемый с ее помощью физический процесс, и тем проблематичнее становится использование такой модели для расчетов.
В простейшей ситуации решение задачи можно получить "вручную" аналитически. В большинстве же практически важных ситуаций найти аналитическое решение не удается из-за математической сложности модели. В таком случае используются численные методы решения задачи, эффективная реализация которых возможна только на компьютере.
Иначе говоря, физические исследования на основе сложных математических моделей производятся путем компьютерного математического моделирования.
В МГ используется, как правило, только механическая энергия и разные типы её преобразования. Отсюда можно сделать вывод, что математическое моделирование (прогнозирование) – имеет место быть в процессе как изучения, так и непосредственно в разработке и конструирования. Математическая модель минимизирует количество неудач при конструировании, если её придерживаться.
[1] По определению Г. С. Альтшуллера, « идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется».
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 69; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!