Изучение технологии создания водной игрушки – катамарана

Как-то раз, выбросив очередные «севшие» батарейки от игрушки, я задумался. А какую еще можно использовать энергию для приведения в движение своих игрушек? Электричество? Энергию при сжигании бензина или угля? Нет. Все это дорого стоит либо малодоступно, сложно изготовить такую игрушку, да и небезопасно.

И тут мне пришла в голову идея: использовать энергию воды. Я давно интересовался различными игрушками самоделками. Как и все мальчишки, я люблю разбирать игрушки и различные механизмы и собирать их заново. Но одно дело – игрушка, купленная в магазине, и совсем другое – сделанная своими руками, такая игрушка гораздо интереснее. Поэтому я захотел сделать игрушку сам.

Мои мама и папа, видя мой интерес к всевозможным опытам, подарили мне замечательный набор для создания лодок "Лодочки с мотором" Познакомившись с этим набором, я поверил, можно легко сделать своими руками игрушку, например кораблик, который будет двигаться при использовании энергии водяной струи. Можно использовать принцип устройства водометного катера. Но мой кораблик должен быть легким и устойчивым на поверхности воды. Для этого больше подойдет катамаран.

Изучая, литературу и различные источники , я обнаружил много единомышленников:

Правда, пришлось еще много прочитать книг, попросить дедушку, чтобы он научил меня многим хитростям, найти необходимые детали, помучиться, переделывая все заново, пока собранная схема действительно заработала. Это было очень увлекательно!

Я думаю, что приобретенные во время этого исследования знания и опыт очень помогут мне и дальше в жизни, потому что каждый мужчина должен разбираться в техники, уметь починить вышедшую из строя бытовую технику и аппаратуру. Кроме того, этот первый опыт послужит основой для моих дальнейших экспериментов, создания других более сложных работ.

Теоретические предпосылки. История водного транспорта

Во все времена человек стремился покорить водную стихию, чтобы путешествовать, исследовать новые земли, перевозить грузы и пассажиров, добывать себе пропитание. Неизвестно, когда был построен первый корабль, но люди плавают по морям уже несколько тысяч лет. Со временем люди понимали, что кораблям нужна защита и корабли преобразовывали в боевые. В архаический период (XII-VIII вв. до н. э. ) наиболее распространенными типами греческих боевых кораблей были триаконтор и пентеконтор.

Пентеконтор представлял собой одноярусное гребное судно, приводимое в движение пятью десятками весел – по 25 с каждой стороны. Исходя из того, что расстояние между гребцами не может быть меньше 1 м, следует оценить длину гребной секции в 25 м. К этому имеет смысл добавить также приблизительно по 3 м на носовую и кормовую секции. Таким образом, общая длина пентеконтора может быть оценена в 28-33 м. Ширина пентеконтора приблизительно 4 м, макс. скорость – ок. 9. 5 узлов (17. 5 км/ч).

Пентеконторы были в основном беспалубными (греч. афракта), открытыми судами. Первоначально пентеконтор предназначался в основном для "самоперевозки" войск. Иными словами, пентеконтор не был кораблем, специально предназначенным для уничтожения других кораблей, а являлся скорее быстроходным войсковым транспортом. (Точно так же как дракары викингов и лодьи славян, на веслах которых сидели обычные дружинники. )

Появление на пентеконторах тарана означает, что в определенный момент противоборствующие города-государства и коалиции Эгейского бассейна приходят к мысли, что хорошо бы топить неприятельские корабли вместе с войсками до того, как те высадятся на берег и начнут разорять родные нивы.

Для боевых кораблей, рассчитанных на ведение морских сражений с использованием тарана в качестве главного противокорабельного оружия, критическими являются следующие факторы:

– маневренность, от которой зависит быстрый выход в борт неприятельского корабля и стремительный уход из-под ответного удара;

– максимальная скорость, от которой зависит кинетическая энергия корабля и, соответственно, мощь таранного удара;

– защищенность от неприятельских таранных ударов.

Чтобы повысить скорость, нужно увеличить количество гребцов и улучшить гидродинамику судна. Однако на одноярусном корабле, каким являлся пентеконтор, увеличение количества гребцов на 2 (по одному на каждый борт) ведет к тому, что длина корабля возрастает на 1 м. Каждый лишний метр длины в отсутствие качественных материалов ведет к резкому повышению вероятности того, что корабль сломается на волнах. Так, согласно расчетам, длина в 35 м весьма критична для кораблей, построенных по тем технологиям, которые могли себе позволить средиземноморские цивилизации XII-VII вв. до н. э.

Таким образом, удлиняя корабль, необходимо усиливать его конструкцию все новыми элементами, что утяжеляет его и тем самым сводит на нет преимущества от размещения дополнительных гребцов. С другой стороны, чем корабль длиннее, тем больше радиус его циркуляции, то есть тем ниже маневренность. И, наконец, с третьей стороны, чем корабль длиннее в целом, тем длиннее, в частности, и его подводная часть, которая является наиболее уязвимым местом для удара неприятельских таранов.

До конца ХIХ века моря и океаны бороздили парусные суда. Парусные корабли двигались, только если в парус дул ветер, в безветренную погоду (штиль) они стояли. Паровой двигатель и гребной винт избавили суда от этой зависимости.

БОЕВЫЕ КОРАБЛИ

Дромоны: византийский и североевропейский

Первое упоминание о дромоне встречается в жизнеописании короля остготов (540-е гг. н. э. ).

Русская боевая лодья (ладья)

Восточные славяне стали совершать свои плавания по Черному и Средиземному морям уже в VI-VIII веках.

Ганзейский когг

Когги – основной тип судов Ганзейского союза. Это высокобортное, палубное, одномачтовое судно с мощным набором корпуса.

Датский военный корабль

Приблизительно на таком корабле, принц Датский, по замыслу Клавдия, должен был плыть из Эльсинора в Англию.

Гокштадский корабль (дракар)

Викинги нежно называли свои корабли "конями дороги китов".

Корабль Вильгельма Завоевателя (дракар)

Викинги нежно называли свои корабли "конями дороги китов".

Корабль Ричарда III

Постройка корабля относится к началу XV века, подробное изображение его дается по личной печати короля.

Норманнский шнеккер

Термин "шнека" впервые встречается в новгородской летописи 1284 года.

ТОРГОВЫЕ И ДВУХЦЕЛЕВЫЕ СУДА

Средиземноморское судно

Венецианские нефы (навы)

Судно не отличалось изяществом архитектурных форм

Генуэзский торговый корабль

Изображенный на рисунке торговый корабль относится к классу каботажных судов XIV века.

Новгородское судно

Норманнский кнорр

Кроме боевых судов, мореходы Скандинавии и Северной Европы применяли грузовые суда – кнорры.

Французский торговый корабль

Суда этого типа называли нефы (Nef, Nave), бузы (Buza), килсы (Ceeles), хулки (Hulk).

Торговое судно Северной Европы

Реконструкция этого корабля выполнена по изображению на старинной печати английского города Бостона.

Английский купеческий корабль

Изображение обнаружено на печати графа Эд. Рутланда (1395 г. ).

Древняя китайская джонка

Судостроение Китая, по мнению многих историков, зародилось раньше, чем в Египте.

Из века в век люди пытались усовершенствовать свои плавательные средства. Выдвигались требования по дальности путешествия, безопасности, экономичности, скорости морских и речных судов, а так же их грузоподъемности. Весь ХХ век конструкторы боролись с недостатками гребного винта. За это время вместо паровых машин на кораблях появились не только турбины, но и дизели, даже атомные реакторы, но гребной винт упорно не хотел сдавать свои позиции.

А между тем, он, как и паровая машина, весьма далек от идеала. Гребной винт большую часть энергии тратит понапрасну на разбрасывание потока воды в стороны под воздействием центробежной силы.

Гребно́й винт — наиболее распространённый движитель судов, представляет собой тело, напоминающее по форме крылья ветряных мельниц. Винт состоит из муфты и прикрепленных к ней лопастей числом от 2 и более и насаживается на конец гребного вала, приводимого во вращение судовым двигателем. При вращении винта каждая лопасть вследствие своего уклона будет отбрасывать воду назад; реакция этой отбрасываемой воды и заставляет корабль двигаться вперед или назад, смотря по направлению вращения винта.

Правда, в последние годы на некоторых судах появилось нововведение: винт стали помещать в широкое обтекаемое кольцо – дюзу. Из нее поток выходит упорядоченным, повышая коэффициент полезного действия, но не намного.

Поэтому все чаще на реках и морях можно увидеть гидрореактивные суда. В основу их конструкции положено движение кальмара. Вы знаете, как двигается это чудище морских глубин? Набирает в специальный мешок воду, а потом, сокращая мускулы, с силой выбрасывает ее назад. Отработанный природой на протяжении сотен миллионов лет, доведенный до самой высокой степени совершенства, гидрореактивный движитель позволяет кальмару легко совершать тысячемильные переходы. Гидрореактивный движитель, несомненно, куда совершенней гребного винта. Нам подсказывает сама природа: чтобы будущие корабли были и быстроходными и экономичными, на них надо ставить движители по образцу кальмаровых.

Водомет катера устроен подобным образом. Ближе к носовой части в днище сделано отверстие с защитной решеткой, в которое вставлена всасывающая труба. В ней, в свою очередь, стоит крыльчатка, вращаемая от двигателя. Всасывая воду на носу, водомет с силой выбрасывает ее за корму, создавая реактивную тягу. Причем обычно на катер ставят два водомета. Во-первых, для надежности – если выйдет из строя один, до берега можно добраться на другом. Во-вторых, такая конструкция позволяет легко маневрировать – если, скажем, в левый водомет гнать воду, как обычно от носа к корме, а в правом повернуть струю наоборот, то катер развернется.

Боевой катер Глиссер

Кораблю с гидрореактивным движителем не страшны ни мели, ни водоросли, ни рыбацкие сети, для него необязательны причалы, так как он может приткнуться едва ли не к любому берегу, если нет волны или прибоя. Такие корабли имеют хорошую проходимость, безопасность, более широкую географию использования судна. Гидрореактивный движитель уже сейчас применяется на небольших пассажирских судах, тракторах-амфибиях, на небольших подводных лодках.

Катамара́н — (от тамильского каттумарам, буквально — связанные брёвна)

Плот у народов, проживающих на азиатском побережье Индийского океана. Двухкорпусное судно. Корпуса судна соединяются сверху мостом (ферменного или палубного типа). Разновидность катамарана с вынесенным за борт балансирным поплавком называется проа. Не редко катамаран еще называют многокорпусник, так как он имеет 2 корпуса.

Данный тип судна известен с древних времен и наибольшее распространение получил у народов Океании. По данным этнографии и археологии, катамаран, подобный тому что продолжает использоваться в Полинезии, был основным средством расселения ее народов уже ко 2 тысячелетию до н. э.

В Европе соединенные вместе суда, к примеру, использовались римлянами при осаде Сиракуз, на них располагались штурмовые лестницы.

Однако в целом катамараны не получили распространения в судостроении ввиду проблем с обеспечением прочности соединительного моста и сложности постройки. Внедрение железного судостроения и новых более эффективных методов постройки корпусов позволили по-иному оценить перспективы катамаранов, и они стали получать все большее распространение.

Полинезийский катамаран

Катамараны в наши дни

К преимуществам катамаранов относят большую площадь палубного пространства, большую начальную устойчивость, меньшую амплитуду качки, возможность иметь большие удлинения корпусов, что обеспечивает большую скорость хода. Катамаранная схема дает возможность разнести силовую установку, что повышает ее надежность от механических повреждений.

Вместе с тем, большая площадь смоченной поверхности делает катамараны неэффективными на малых скоростях, использование двух корпусов и соединительного моста требует большего расхода металла при постройке. Основной же проблемой катамаранов считают проблему прочности соединительного моста, который подвергается большим нагрузкам при качке, что делает использование катамаранов более привлекательным на внутренних водных путях.

HSV-1 Joint Venture, большой опытный, скоростной военный катамаран постройки Incat.

Одним из примеров морских современных катамаранов являются алюминиевые быстроходные катамараны австралийской фирмы Incat, использующиеся в качестве быстроходных морских паромов. Они принадлежат к типу "поплавковых катамаранов", у которых площадь ватерлинии, а с ней и волновое сопротивление уменьшены тем что поддерживающие силу создают два длинных торпедообразных поплавка, расположенные под водой и несущие силовую установку.

Гран-при США (2006), река Миссисипи, Миннеаполис, штат Миннесота

В водно-моторном спорте катамаранная форма также является наиболее распространённой, позволяя создавать высокоскоростные лодки, развивающие скорости до 250км/ч и выше, как например катера водномоторной Формулы 1, или морские катера Класса 1. Т. н. туннельная катамаранная схема позволяет реализовать принцип динамической воздушной подушки, весьма существенный на таких скоростях - соединительному мосту придается аэродинамический крыльевой профиль, создающий под днищем повышенное давление и подъемную силу, которая увеличивается тем, что воздух дополнительно запирается с боков корпусами, снизу водной поверхностью, а спереди - набегающим воздушным потоком. Образующаяся воздушная подушка позволяет поднимать корпуса из воды, уменьшая сопротивление, так что катеры касаются воды лишь винтами и задними концами поплавков.

Катамараны в спорте и туризме

Катамараны широко распространены в парусном спорте и туризме. Особенностью парусных катамаранов является повышенная начальная устойчивость, высокие ходовые качества. С появлением высокопрочных композитных материалов начался массовый выпуск парусных катамаранов.

В странах с развитой береговой инфраструктурой популярны спортивные и «пляжные» катамараны с жесткими корпусами. В СССР, а затем России и СНГ более широкое распространение получили удобные для хранения и транспортировки разборные надувные катамараны, используемые для отдыха, парусных туристских походов и соревнований.

Современный разборный парусный катамаран

Экспериментальное создание схемы водного устройства - катамаран

При изготовлении модели необходимо учитывать следующие факторы:

1. Возможность использовать в качестве игрушки.

2. Простоту изготовления и эксплуатации.

3. Доступность материалов.

4. Безопасность изготовления и эксплуатации.

5. Оптимальные экономические затраты.

6. Достаточную долговечность (прочность).

Итак, моя цель – изготовить своими руками игрушку, которая должна отвечать выше перечисленным требованиям.

Для движения катамарана использована энергия движения водяной струи под давлением. Вода, вытекая из емкости (расположенной выше) по трубкам сзади катамарана, создает реактивную силу и толкает судно вперед. Чтобы движение не прерывалось, можно подпитывать модель водой на расстоянии через отверстие на крыше катамарана.

Технология создания изделия (катамарана) включает в себя:

• создание чертежа;

• выбор материалов, инструментов;

• монтирование конструкции.

Чертеж катамарана – масштаб 1:2

Как уже говорилось выше, для выполнения корпуса изделия необходимы легкие, но прочные материалы, легкие в обработке. Кроме этого, все детали катамарана не должны «бояться» воды и размокать. Итак, корпус поплавков катамарана был изготовлен из полистирола, каюта – из пластика. Внутрь каюты помещен пластиковый сосуд из под моющих средств. В сосуд наливается вода. Из дна сосуда выходят две резиновые трубки, проходят внутри корпуса поплавков и выходят наружу за кормой катамарана. Вода из сосуда выливается по трубкам наружу и толкает катамаран вперед.

Данные о выбранных материалах представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Спецификация изделия

№ п/п Наименование Количество Материал Размеры

1 Поплавок 2 полистирол 270 х 60 мм

2 Корпус-каюта 5 пластик 130 х 130 мм

3 Сосуд для воды 1 пластик d=100 мм

4 Пластинка для крепления поплавков 1 алюминий 180 х 110 мм

5 Трубка 2 резина d=13 мм, L=150 мм

6 Пластинка для крепления трубок 2 алюминий 60 х 40 мм

7 Шурупы 4 сталь 3 х 20 мм

8 Трубка для мачты 1 сталь d= 3 мм, L=330 мм

9 Фонарь 1 пластик d=18 мм

10 Клей «Момент» синтетический

11 Масляная краска синтетическая

Все материалы доступны, выгодны с экономической точки зрения (в основном, бытовые отходы), просты в обработке. Из инструментов использованы нож, ножницы по металлу, отвертка, карандаш и линейка.

Этапы изготовления катамарана следующие:

1. Из полистирола вырезаются поплавки катамарана. В них делаются углубления для резиновых трубок.

2. Поплавки соединяются между собой алюминиевой пластинкой и крепятся шурупами. Предварительно в алюминиевой пластинке вырезаны ножницами по металлу два отверстия диаметром 25 мм. для резиновых трубок.

3. Берется пластиковый сосуд из под моющих средств. В днище вырезаются два отверстия, в которые вставляются и герметично закрепляются две резиновые трубки.

4. Пластиковый сосуд с резиновыми трубками крепится на поплавках. Резиновые трубки пропускаются в подготовленные отверстия алюминиевой пластинки и укладываются в углубления поплавков, затем закрепляются маленькими алюминиевыми пластинками для прочности с помощью клея «Момент».

5. Из пластика клеится каюта и крепится на поплавки, закрывая своим корпусом сосуд для воды. Крепление проводится с помощью клея «Момент».

6. На каюте крепится мачта из стальной трубки и фонарь (от сломанной игрушки) с помощью клея «Момент».

Все судно раскрашивается масляной краской.

Вывод. Заключение.

Цель достигнута. Катамаран построен. Испытания показали, что игрушка остойчива, хорошо двигается по воде и даже может нести небольшой груз. Игрушкой очень увлекательно играть. Она экономична (изготовлена из доступных бытовых отходов), не требует дополнительных дорогостоящих источников энергии для движения. Игрушка безопасна и экологична.

Работа над проектом – это полезный и увлекательный труд, способствует общему развитию, расширению кругозора, доставляет много положительных эмоций, позволяет овладеть дополнительными навыками. Приобретенный опыт поможет в дальнейшей конструкторской деятельности.