Išbandyk tai – inžinerinis iššūkis „Rūšiavimo mašina”

Ar gali sukurti mašiną, kuri rūšiuoja objektus pati?

Ar kada nors teko rūšiuoti monetas? O gal LEGO™ detales pagal dydį ar spalvą? Kai turime vos kelis daiktus, tai padaryti nesunku – galime tiesiog atsirinkti rankomis. Tačiau kai daiktų yra šimtai ar tūkstančiai, rankinis rūšiavimas tampa lėtas ir varginantis. Būtent čia praverčia mechaninės rūšiavimo mašinos – jos sukurtos tam, kad greitai ir efektyviai atskirtų daiktus pagal dydį ar formą, naudodamos paprastus fizikos dėsnius, tokius kaip gravitacija, svoris, slydimas ir kritimas. 

Mašinos, kurios rūšiuoja vaisius… ir uolienas

Dideliuose ūkiuose, pavyzdžiui, mandarinų ar bulvių fermose, ūkininkai naudoja rūšiavimo įrenginius, kad vaisiai ar daržovės būtų paskirstyti pagal dydį. Didesni vaisiai patenka į vieną dėžę, mažesni – į kitą. Kiekviena grupė paskui parduodama arba apdorojama skirtingai – juk kartais svarbu, kad obuolys būtų telpantis į delną, o kartais – kad jis tilptų į konservavimo indelį.

Kita vertus, žemės išteklių pramonė – tokia kaip kasyba – rūšiuoja medžiagas tam, kad būtų lengviau atskirti vertingus mineralus nuo akmenų ar smėlio. Tai vadinama agregatų rūšiavimu. Pavyzdžiui, rūda yra mišinys: akmenys, žvyras, smėlis, metalų dalelės. Jei visa tai būtų perdirbama kartu – reikėtų labai daug energijos. Todėl viskas pirmiausia išrūšiuojama pagal dalelių dydį.

Kaip tai veikia?

Vienas iš paprasčiausių būdų rūšiuoti – naudoti sijojimą. Gal esi matęs virtuvinį sietelį, kuris atskiria didesnius miltų gumulėlius nuo smulkesnių grūdelių? Pramonėje ta pati idėja pritaikoma milžiniškam kiekiui medžiagų – nuo vaisių iki žvyro.

Svarbiausia – judesys ir dydžio skirtumai. Kamuoliukai ar karoliukai, riedėdami ar krisdami per nuolydžius, kiaurymes ar barjerus, patenka į skirtingus kelius pagal savo dydį. Rūšiavimo mašinos – tai inžinerijos sprendimai, taupantys laiką, energiją ir pinigus. Jos pritaikomos visur: nuo žemės ūkio iki statybų, nuo perdirbimo iki robotikos.

Pradėkime. Tavo inžinerinis iššūkis. 

Tavo užduotis – suprojektuoti ir pastatyti gravitacijos varomą rūšiavimo mašiną, kuri atskiria du skirtingų dydžių rutuliukų tipus. Tai gali būti karoliukai, stalo žaidimo kamuoliukai, stikliukai ar kiti panašūs objektai.

Tavo tikslas:

? Tikslumas – mašina turi teisingai išrūšiuoti po 25 mažesnius ir didesnius rutuliukus – iš viso 50 vienetų.
? Efektyvumas –  kuo greičiau tai padarysi – tuo geriau!
? Sąlyga – mašina turi veikti be jokios elektrinės ar rankinės pagalbos – tik su gravitacijos jėga. Tai reiškia – be motorų, be purtymo, be rankų stumdymo.

Ką gali naudoti?

✔️ Gali naudoti bet kokias medžiagas (galimą sąrašą skaityk apačioje)
✔️ Mašina turi atskirti rutuliukus į dvi visiškai atskiras talpas
✔️ Ji turi veikti vien tik gravitacijos principu – rutuliukai turi kristi, riedėti ar slysti savo eiga

Pavyzdys. Įsivaizduok, kad tavo mašina prasideda nuo nuožulnaus paviršiaus, per kurį rutuliukai rieda žemyn. Pakeliui jie gali susidurti su barjerais, skylutėmis ar latakais, kurie nukreipia juos į skirtingas kryptis pagal jų dydį. Skamba kaip žaidimas? Gal ir taip – bet tai tikra inžinerija!

Prisimink

– Tau reikės planuoti, testuoti, perdaryti ir tobulinti.
– Kartais geriausi sprendimai gimsta ne iš pirmo karto.
– Nesvarbu, ar tavo mašina bus tobula – svarbu, kad mąstytum kaip inžinierius.

Statybų startas!

? 1. Suprask problemą ir sugalvok sprendimą

Pirmiausia pagalvok:
– Ar rūšiuosi kamuoliukus pagal dydį, ar pagal svorį?
– Kaip veiks tavo sistema – ar tai bus tunelis su skylutėmis, rampa su barjerais, sietelis ar pasvirusios plokštumos?

? Nupiešk savo idėją – suprojektuok mašinos veikimo kelią nuo pradžios iki galo.
? Surink medžiagas, kurių gali prireikti – nuo popieriaus, kartono iki plastikinių šiaudelių ar buteliukų kamštelių.

2. Statyk, eksperimentuok, tobulink

Kai pradėsi statyti, prisimink – leidžiama testuoti atskiras dalis:
– Kaip rutuliukas krenta ant svirties?
– Ar tinkamai rieda nuo rampos?
– Ar telpa pro angą?

Jei matai, kad kažkas neveikia – modifikuok konstrukciją. Tai inžinerijos esmė! 

⏱️ 3. Išbandyk savo rūšiavimo mašiną!

? Supilk visą rutuliukų mišinį (25 + 25 = 50 vnt.) į viršutinį rezervuarą.
? Paleisk laikmatį ir stebėk:
– Kaip greitai rutuliukai nusileidžia?
– Ar visi teisingai pateko į tinkamas talpas?
– Ar sistema veikia sklandžiai be tavo įsikišimo?

? Naudingi patarimai

– Tavo mašina turi veikti nuo gravitacijos – neleidžiama purtyti, pūsti ar stumdyti rutuliukų rankomis.
– Pagalvok apie formą ir trajektoriją – mažesni daiktai gali kristi žemiau, didesni – užstrigti anksčiau.
– Gali eksperimentuoti su svoriu, jei naudoji skirtingų medžiagų rutuliukus – tai irgi veikia!

Iš ko gaminti?

• 1. Kartonas, popierius, tualetinio popieriaus ritinėliai
• 2. Šiaudeliai, mediniai pagaliukai
• 3. Kamšteliai, dangteliai, lipni juosta
• 4. Vienkartiniai puodeliai, plastikinės lėkštutės
• 5. Skaidrūs buteliai, dėžutės, žirklės, klijai

Rutuliukų pavyzdžiai:

– Karoliukai, stalo žaidimų kamuoliukai
– Stikliniai rutuliukai, kramtomos gumos kamuoliukai
– Maži saldainiai ar net pupelės 

Įkvėpimo šaltinis –  iš kartono pagaminta paprasta monetų rūšiavimo mašina. Ją galima pritaikyti kaip automatinę monetų rūšiavimo mašiną, pridėjus nedidelį varikliuką, kuris sukelia vibraciją, kad monetos judėtų – https://www.youtube.com/watch?v=JBdQS_LuwJE

Galima suprojektuoti stiklinių kamuoliukų rūšiavimo mašiną, pagamintą vien tik iš popieriaus! Šiame vaizdo įraše parodyta, kaip popierių galima suvynioti, kad būtų sukurtos sijos, galinčios išlaikyti kitas dalis – https://www.youtube.com/watch?v=F4IBq_gWRU8

Pabandyk dar! Jei tau patiko kurti rūšiavimo mašiną – pats metas pakelti kartelę aukščiau. Tikri inžinieriai visada ieško, ką patobulinti, ką padaryti greičiau, tvirčiau, išmaniau. Štai keletas iššūkių, kurie leis tau kurti dar įspūdingesnius sprendimus.

? Iššūkis –  rūšiuok 4 ar daugiau dydžių. Ar tavo mašina galėtų išrūšiuoti ne tik 2, bet net 4 skirtingus rutuliukų dydžius?

– Kiek papildomų detalių reikėtų pridėti prie tavo konstrukcijos?
– Kaip užtikrintum, kad visi 100 rutuliukų (25 kiekvieno dydžio) būtų rūšiuojami tiksliai?
– Ar tavo mašina vis dar veikia greitai? Kaip ją patobulintum, kad pagreitintum procesą?

? Pabandyk sukurti monetų rūšiavimo mašiną. Monetos skiriasi ne tik dydžiu, bet ir storiu bei mase – tad tai puiki proga eksperimentuoti.

– Kaip galėtum išdėstyti skyles, rampas ar kanalus taip, kad jos atitiktų tik vienos rūšies monetas?
– Ar tavo sistema galėtų veikti su monetomis iš skirtingų šalių?

? Stambiųjų daiktų rūšiavimo iššūkis. Užteks karoliukų – o kaip dėl ping-pong kamuoliukų ar teniso kamuolių?

– Kokios medžiagos tiktų tokiai didesnio masto sistemai?
– Ar tavo dabartinis dizainas gali būti padidintas?
– Kaip išspręstum atramų stiprumo, medžiagų lankstumo ar kritimo trajektorijos klausimus?

⚙️ Rūšiavimas su motoriuku. Kas, jei tavo mašina veiktų ne tik nuo gravitacijos? Pabandyk pridėti mažą variklį ar vibracijos šaltinį, kuris padėtų objektams judėti per sistemą.

– Ką paliktum taip, kaip yra, o ką pertvarkytum visiškai?
– Kokią galią turėtų turėti variklis, kad jis netrukdytų rūšiavimui, bet padėtų judėjimui?

? Rutuliukų dydžiai – vienas dalykas, bet o kaip dėl spalvų?

– Sukurk sistemą, kuri gali atskirti spalvotus saldainius ar rutuliukus (pvz., raudonus, žalius, mėlynus).
– Kaip tai padaryti be jutiklių? Gal naudosi skirtingus paviršius, nuo kurių skirtingos spalvos atšoks ar pasuks skirtingai?  Pagal spalvas rūšiuojančios mašinos pavyzdį rasite šioje nuorodoje.- https://howtomechatronics.com/projects/arduino-color-sorter-project/

Atmink – kiekvienas iššūkis – tai galimybė mąstyti kaip tikras inžinierius: planuoti, bandyti, stebėti, tobulinti ir džiaugtis rezultatais!

Naudinga mokytojui:

Darbo lapas mokiniams – Išbandyk tai rūšiavimo mašinos iššūkis

Iššūkio refleksijos darbo lapas – Išbandyk tai rūšiavimo mašinos iššūkis_refleksijos lapas