Меню

Механизм тео янсена своими руками

Искусственные формы жизни и пневматические транзисторы Тео Янсена

Если прогуливаясь по одному из многочисленных приморских пляжей Голландии, вы вдруг увидите меланхолично бредущую вдоль кромки воды исполинскую многоножку с изящными перепончатыми крыльями, не спешите звонить наркологам и психиатрам. Специфическое меню знаменитых амстердамских кафе здесь абсолютно не причём, а реальность может быть интереснее любой галлюцинации. Такие причудливые то ли механизмы, то ли существа в тамошних краях действительно встречаются, а их создатель, некто Тео Янсен, мечтает заселить как можно больше пляжей своими созданиями.

Если, прогуливаясь по одному из многочисленных приморских пляжей Голландии, вы вдруг увидите меланхолично бредущую вдоль кромки воды исполинскую многоножку с изящными перепончатыми крыльями, не спешите звонить наркологам и психиатрам. Специфическое меню знаменитых амстердамских кафе здесь абсолютно не причём, а реальность может быть интереснее любой галлюцинации. Такие причудливые то ли механизмы, то ли существа в тамошних краях действительно встречаются, а их создатель, некто Тео Янсен, мечтает заселить как можно больше пляжей своими созданиями.

Вначале была нога – пока ещё не очень сложная конструкция из трубок, которая преобразует круговое движение в шаг. Движение нескольких конечностей синхронизируется присоединением к единому валу, который Янсен сравнивает с позвоночником.

От длины каждой трубки зависит траектория движения. Геометрия конечности может быть полностью описана с помощью 13 чисел, причём из многих и многих комбинации, лишь крохотная часть подходит, создаёт нужную траекторию. Необходимо, чтобы на довольно длинном участке она была очень близка к прямой линии. Тогда «зверь» сможет двигаться правильно. В начале работы Янсен не имел понятия о том, какие именно пропорции ему нужны. Отбор параметров осуществила написанная им компьютерная программа. По его словам, вначале компьютер «породил» 1500 разных ног, но ни одна из них не дала нужную траекторию движения. Правда, некоторые из них дали кривую со сравнительно небольшим изгибом. Они были отобраны для дальнейшей работы, остальные же «вымерли». Янсен называет это первым этапом эволюции «пляжных зверей».

Затем были набраны новые 1500 комбинаций – «дети» отобранных на первом этапе и всё повторилось сначала. Так продолжалось в течение месяца. И в конце концов были найдены 13 чисел, позволяющие получить нужное движение. Эта комбинация, по мнению Янсена, является аналогом кода ДНК для его творений. Вот уже третье десятилетие они бегают благодаря ей, усложняясь в каждом поколении. Впрочем, за это время появились «мутанты», которые работают на других комбинациях.

«Пляжные звери», как можно догадаться из названия, были созданы для того, чтобы обитать на пляжах. Они гораздо более ловко пробираются по песку, чем колёсный транспорт. А ещё на морском берегу постоянно дует ветер, который приводит их в движение. Для этого у них есть крылья-паруса. То есть, сначала это были обычные паруса, довольно незамысловатые, но эволюция не стоит на месте.

Каждый год, в середине осени, Тео Янсен начинает создавать нового «зверя». Весной создание выходит на морской берег. Всё лето создатель наблюдает за «зверем», изучает его возможности и проблемы, а осенью объявляет его «вымершим», чтобы преступить к творению нового, более совершенного.

Полимерные трубки хороши, не только своей лёгкостью, прочностью и дешевизной. Они ещё и наполнены воздухом – главной движущей силой «зверей». У архаичных образцов всё просто. Ветер крутит вертушку, вал вращается, ноги шагают. Резкий порыв, внезапная смена направления ветра могли опрокинуть «зверя». Или он замирал на берегу, беспомощно хлопая тканью паруса. Более продвинутые творения обзавелись системой поршней и насосов, которые в случае чего могут привести в действие аварийные механизмы. Например, применить «лыжные палки», препятствующие опрокидыванию. Кроме трубок и ткани в конструкциях появились пластиковые бутылки из-под лимонада, которые служат своеобразными аккумуляторами энергии. «Зверь» машет крыльями и нагнетает воздух в бутылки. Рост давления в бутылке выше критического уровня может привести в действие определённый механизм. Это давление может быть использовано, для изменения характера движения.

По словам Янсена, поршни из трубок являются одновременно костью и мышцами его «зверей». Это разгибательная мышца. Если откроется клапан, внутренняя трубка выдвинется, и конечность разогнётся. Человеческая мышца приводится в движение электрическим импульсом. Здесь же нужно просто открыть клапан.

Для того, чтобы «звери» могли правильно реагировать на изменения в окружающей среде, Янсен придумал для них «нервные клетки». Это система клапанов, которая передаёт информацию, подобно тому, как это делает транзистор. В электронных системах информация кодируется с помощью прерывателей тока. В зависимости от того, проходит или нет электрический ток, процесс обозначается нулём или единицей. Таким образом, может быть получен сигнал о необходимости тех или иных действий. Тоже самое происходит и здесь, только речь идёт о прохождение не электрического тока, а воздуха. По сути, это можно назвать пневматическим транзистором.

Читайте также:  Кружевные поделки своими руками

С помощью такого «транзистора» «звери» могут принимать решения. Раньше, когда двигаясь вдоль берега по сухому песку, они вдруг натыкались на полосу влажного, им оставалось только остановиться и ждать, чтобы ветер развернулся на 180 градусов, и после этого идти назад. Сейчас они способны изменить характер и направление движения и выйти из затруднительной ситуации. Они умеют с помощью специальных рецепторов определить, что находятся в опасной близости от воды, и отойти подальше, умеют чувствовать приближение шторма, разворачиваться носом к ветру и закрепляться в таком положении. Чему они научатся в будущем, сказать трудно, но Янсен планирует развивать их «мозг» и усложнять логические схемы, обучая их новым, и новым навыкам выживания на приморском пляже.

Напоминаем Вам, что в нашем журнале «Наука и техника» Вы найдете много интересных оригинальных статей о развитии авиации, кораблестроения, бронетехники, средств связи, космонавтики, точных, естественных и социальных наук. На сайте Вы можете приобрести электронную версию журнала за символические 60 р/15 грн.

В нашем интернет-магазине Вы найдете также книги, постеры, магниты, календари с авиацией, кораблями, танками.

Источник

Математика во плоти

Что такое кинетическое искусство и как оно работает

Архитектура — застывшая музыка. Это избитое выражение, приписываемое немецкому философу и теоретику искусства Фридриху Шеллингу, касается «большой» архитектуры. Однако с середины XX века художники все больше тяготеют к особым «малым» архитектурным формам — кинетическим скульптурам, которые застывшими назвать уже нельзя. Напротив, эти скульптуры, отдельные элементы которых, взаимодействуя, перемещаются по причудливым траекториям, завораживают зрителя постоянным движением. О кинетических скульптурах пишут книги искусствоведы, спорят посетители выставок. Совместно с Музеем современного искусства «Гараж» мы попытаемся взглянуть на них под другим углом — глазами математика.

С 17 марта по 9 мая в Музее современного искусства «Гараж» проходит «Трансатлантическая альтернатива» — первая в России крупная выставка, посвященная кинетическому и оптическому искусству Восточной Европы и Латинской Америки. На ней экспонируется более сотни произведений искусства 1950–1970-х годов, в том числе кинетические скульптуры, картины, рисунки, видео и инсталляции, а также уникальные архивные материалы. Логическим продолжением выставки «Трансатлантическая альтернатива» будет открытие «Атома» Вячеслава Колейчука — реконструкции монументальной цветодинамической скульптуры, стоявшей у истоков кинетического искусства в России. Мы решили разобраться, как устроен «Атом» и другие кинетические скульптуры.

Александр Колдер (Alexander Calder)

Американский скульптор (1898–1976), в начале 1930-х годов обратился к изготовлению динамических конструкций — так называемых «мобилей». Первые «мобили» Колдера приводились в движение моторами, но впоследствии, стремясь к созданию динамических систем, способных отражать постоянную изменчивость природы, Колдер перешел к «естественным» способам динамизации формы, а именно к конструкциям с неустойчивым равновесием, способным приходить в движение от малейшего колебания воздуха.

В своих работах Колдер использовал механизмы на основе рычажных весов — вращающиеся под действием потоков воздуха конструкции из проволоки и металла. К созданию таких «мобилей» применить классическую механику и математику довольно сложно, поскольку каждый из них состоит из большого числа частей совершенно разной формы. Скорее всего, параметры элементов скульптур — плоских грузиков разнообразной формы, расположенных иерархически, — определялись опытным путем, поскольку первую свою скульптуру Александр Колдер построил еще в 1930-х годах. Кстати, многие историки искусства считают, что он был первым, кто определил контуры «мобильного» направления кинетического искусства.

Впрочем, в настоящее время для разработки подобных конструкций можно использовать компьютер и метод конечных элементов, когда виртуальную модель разбивают на отдельные очень маленькие элементы, к которым применяют известные простые физико-математические законы и правила — правило равновесия рычага, правило нахождения центра тяжести плоской фигуры и так далее. Например, центр тяжести кольцевого сектора, который встречается в работах Колдера, рассчитывается по следующей формуле:

Часто повторяющийся у Колдера мотив — сложно устроенные и вложенные друг в друга «весы». Мобили, построенные по этому принципу, породили множество подражаний, а в интернете даже появляются инструкции, как сделать такой мобиль своими руками, без привлечения сложных вычислений:

Тео Янсен (Theo Jansen)

Нидерландский художник (родился в 1948 году), известен своими «искусственными формами жизни» — скелетообразными фигурами, способными передвигаться по песчаным пляжам под воздействием силы ветра. Генетические алгоритмы Янсена способны симулировать биологическую эволюцию видов.

Читайте также:  Материал для изготовления кукол своими руками

В работах Тео Янсена находят применение идеи стопоходящей машины, основной узел которой переводит вращательное движение в поступательное. Скульптуры Янсена напоминают причудливые существа, которые ловко перебирают десятками ног и с легкостью движутся под действием ветра. Сам художник называет их «пляжными зверями», Strandbeest. Однако в действительности научить «зверей» ходить не спотыкаясь не так-то просто — необходимо не только корректно спроектировать каждую ногу, но и организовать их совместную работу. Для этого скульптору нужно решить систему нелинейных алгебраических уравнений, вытекающих из теоремы Пифагора.

Вот конкретный пример. Рассмотрим два рычага 1 и 2, соединенных шарниром в точке 5. Допустим, нам известны координаты концов 3 и 4 и мы хотим найти положение шарнира. Для решения этой задачи необходимо аналитически или численно решить систему двух нелинейных алгебраических уравнений, где L1 и L2 — это гипотенузы двух прямоугольных треугольников (длины рычагов), а x4 − x5, y4 − y5, x3 − y5 и y3 − y5 — это длины катетов. Как известно, эти величины связывает между собой теорема Пифагора: квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов.

Разумеется, каждая «нога» содержит больше двух шарниров, а потому задача, которую предстоит решить художнику перед постройкой скульптуры, гораздо сложнее. Так или иначе, она сводится к оптимизации узлов — то есть подбору таких длин рычагов, при которых конструкция будет двигаться плавно, без толчков. Наконец, после того как скульптура будет спроектирована, необходимо сделать оптимизационные прочностные расчеты и убедиться в том, что она не сломается. Тут пригодятся знания, которые аккумулирует легендарная наука под названием сопротивление материалов (или, как ее сокращенно называют студенты, «сопромат»). И только после проведения всех расчетов скульптор может браться за инструменты, чтобы собрать конструкцию из пластиковых трубочек, деревянных брусков, скотча и полиэтилена.

Кстати, первым человеком, который стал применять высшую математику для проектирования подобных конструкций, был наш соотечественник Пафнутий Чебышёв, стопоходящая машина которого получила золотую медаль на Всемирной выставке в Париже в 1878 году и сейчас хранится в Политехническом музее в Москве. Впрочем, механические «звери» Тео Янсена ушли гораздо дальше — они запасают энергию ветра, надувая упругий «желудок», состоящий из пластиковых бутылок, умеют определять тип почвы, по которой ходят, и выбрасывают якоря, если ветер дует слишком сильно. Все это удается им без привлечения сложной электроники.

Лимэн Уитакер (Lyman Whitaker)

Американский художник, чья творческая биография насчитывает уже более пятидесяти лет. Последние тридцать лет он посвящает свои усилия «ветряным скульптурам» (Wind Sculptures).

Тогда как «мобили» Александра Колдера нужно демонстрировать в закрытом помещении, работы Лимэна Уитакера требуют дуновения ветра, от которого они начинают вращаться и создавать нужный «эстетический» эффект. В его работах используются законы аэродинамики, а сами скульптуры представляют собой своеобразные приборы для замера скорости ветра (анемометры, ветромеры).

Скорее всего, на создание мобилей Уитакера натолкнуло вращение традиционного флюгера с анемометром в виде четырех полусфер, которые используют метеорологи. Впрочем, сам автор утверждает, что черпает вдохновение в природе — в раскачивании травы и деревьев под действием ветра. Современные компьютерные программы позволяют моделировать геометрию обтекания газом или жидкостью сложных статичных или подвижных конструкций, однако Уитакер работает «по наитию», определяя профили каждого из «мельничных крыльев» опытным путем.

Обтекание тела воздухом описывается законом сохранения энергии — потенциальная энергия переходит в кинетическую и обратно, но сумма энергий остается постоянной. В газодинамике потенциальная энергия определяется давлением потока, а кинетическая — скоростью потока. Вместе их связывает формула, открытая Даниилом Бернулли в начале XVIII века. На рисунке видно, что скорость потока воздуха над крылом выше скорости потока под крылом.

Перепад давлений под крылом и уравнение Бернулли

Источник

Исследование механизма Тео Янсена (презентация)

Описание разработки

Грань между искусством и инженерным сооружением существует только в нашем сознании (Тео Янсен)

Формулирование ведущей идеи: Можно ли изготовить шагающую модель в мастерской?

Как работает нога шагохода Янсена?

Цель:

разработать модель подвижного элемента механизма Тео Янсена для оценки её работоспособности при различных размерах элементов, на основе собранной информации.

Задачи:

Собрать материал по устройству шагающих механизмов.

Сделать модель для исследования движения шагающей ноги.

Исследовать поведение конечной точки ноги.

Разработать технологию изготовления деталей шагающего механизма Тео Янсена.

Содержимое разработки

Шагающие механизмы Тео Янсена

МОУ школа №5 г.Черемхово

Читайте также:  Материалы для утепления автомобиля своими руками

Грань между искусством и инженерным сооружением

существует только в нашем сознании (Тео Янсен)

Формулирование ведущей идеи:

Цель : разработать модель подвижного элемента механизма Тео Янсена для оценки её работоспособности при различных размерах элементов, на основе собранной информации

В 1994 г. Джо Кланн разработал свою модель

Механизм Тео Янсена

С 1990 г. создаются различные шагающие механизмы

Изготовленная модель «ноги» механизма Тео Янсена

Одновременно с изготовлением модели, проводился поиск более подробной информации

Лео Янсен считает существенными

11 размеров частей ноги.

Компьютерное моделирование результатов не дало из-за огромного числа вариантов.

Вставлен карандаш в отверстия стопы, закреплён лист бумаги:

Кривошип коленчатого вала сделан в виде диска с отверстиями на разном расстоянии от центра.

Два положения для центра вращения коленвала и два для неподвижной точки ноги по высоте.

График движения ноги

График движения ноги

Сплошной линией нарисован график при наименьшем радиусе кривошипа

Оси вращения кривошипа и ноги находятся на одном уровне

График движения ноги

Сплошной линией нарисован график получаемый при наименьшем размере кривошипа

Ось вращения ноги выше оси вращения кривошипа

График движения ноги

Сплошной линией нарисована траектория при наименьшем радиусе кривошипа

Ось вращения кривошипа выше оси вращения ноги

Общий график движения ноги

Синим цветом кривая движения кончика ноги при положении

центра вращения ноги выше центра кривошипа

Красным цветом кривая движения кончика ноги когда центра находятся на одной оси

Зелёным цветом кривая движения кончика ноги при положении центра вращения ноги ниже центра вращения кривошипа

Выводы из проведённых опытов

В результате проведённой работы:

Источник

Структурный анализ механизма Янсена Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Фомин Алексей Сергеевич, Киселев Сергей Валерьевич, Олексенко Александр Викторович

Текст научной работы на тему «Структурный анализ механизма Янсена»

_МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ_

А.С. Фомин, С.В. Киселев, А.В. Олексенко Сибирский государственный индустриальный университет

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ЯНСЕНА*

Работа выполнена в рамках стипендии Президента Российской Федерации (код проекта СП-3755.2016.1).

способны передвигаться по песчаным пляжам под воздействием ветра. Из других типов шагающих механизмов стоит отметить системы, разработанные Джо Кланом в 1994 г. [10] и Амандой Гассэ в 2011 г. [11] на основе плоских кинематических цепей.

В настоящей работе проведен структурный анализ механизма Янсена, а также определена траектория движения его выходного звена.

Структурный анализ механизма Янсена

Одним из преимуществ шагающих роботов, созданных на основе механизма Янсена, является возможность установки единственного привода, что позволяет иметь относительно небольшую массу конструкции при получении разных траекторий движения ноги робота. Для проведения структурного анализа механизма Янсена рассмотрим кинематическую схему (рис. 1).

Ведущее звено выполнено в виде кривошипа 1, передающего движение шатунам 2 и 3, которые, в свою очередь, соединены с трехпарным коромыслом 4 и выходным звеном 7; шатуны 5 и 6 установлены между звеньями 4 и 7. Все подвижные звенья механизма установлены на

Рис. 1. Кинематическая схема механизма Янсена

Рис. 2. Траектория движения выходного звена механизма

Янсена (обозначения звеньев те же, что и на рис. 1)

движности. Таким образом, подвижность всего механизма может быть также определена путем сложения подвижностей всех кинематических цепей, входящих в состав механизма, и подвижности ведущего звена.

Анализ траектории движения выходного звена механизма

Обратимся к нахождению траектории движения выходного звена 7 механизма. Определим все положения точки А за полный поворот кривошипа 1. На рис. 2 показана траектория движения этой точки, построенная по 12 положениям, координаты которых приведены в таблице. Полученная траектория представляет собой плоскую кривую, в которой с 4 по 9 положения вертикальная координата у неизменна, то есть в этой области траектория представляет собой прямую линию. В положениях 3 и 10 есть незначительные вертикальные смещения. Это доказывает целесообразность применения этого механизма для создания шагающих систем. При изменении длин звеньев механизма могут быть уменьшены или увеличены как вертикальное, так и горизонтальное смещения выходного звена 7.

Выводы. В результате проведенного структурного анализа механизма Янсена были определены группы Ассура, входящие в его состав, а также общая подвижность механизма. Определена траектория движения выходного звена механизма, позволяющая определить его максимальные горизонтальное и вертикальное смещения. Полученные данные могут быть использованы при решении дальнейших задач кинематического и динамического анализа, а также при расчетах по оптимизации перемещения выходного звена механизма.

Координаты точки А выходного звена 7 механизма

Источник