Будова м’яза. Модель м’яза та виготовлення пневмом’яза. Частина 2
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
| Рівень складності | Середній |  |
| Рівень небезпеки | Безпечно, але під наглядом керівника |  |
| Доступність використовуваних матеріалів | На рівні шкільного обладнання |  |
| Орієнтовний час на виконання роботи | До 1 години |  |
Блок 1. Резюме
Зазначена дослідницька робота є продовженням проекту з вивчення будови м’язової тканини. У другій частині проекту створюється механічна модель м’яза та досліджуються її властивості при нагнітанні повітря.
Мета роботи: виготовити механічну модель м’яза та дослідити її фізичні властивості.
Завдання роботи:
- Створити модель пневматичного м’яза, використовуючи покрокову інструкцію, викладену в експериментальній процедурі.
- Провести випробування створеної моделі при піднятті вантажу.
- Дослідити залежність сили, що створюється пневмом’язом, від тиску повітря, яке нагнітається в нього.
Блок 2. Попередня інформація
Пневмом’язи – це штучні пристрої, що стискаються або розтягуються під дією повітря, яке нагнітається у внутрішню розтяжну оболонку. Герметична оболонка міститься в кожусі, плетеному з нерозтяжних ниток. Такий кожух використовують для утримання разом провідників і називають ПЕТ-рукав. Властивість рукава полягає в тому, що збільшення його діаметру зсередини призводить до скорочення його довжини. Пневмом’язи були розроблені в 1950-х роках для використання в протезах. Вони широко застосовуються в робототехніці, оскільки є легкими і копіюють біологічні м’язи. Пневмом’язи є герметичними і можуть використовуватися для пристроїв, що перебувають всередині рідин.
Блок 3. Обладнання
Штатив, набірний вантаж, відрізок ПЕТ-рукава (діаметром 16 мм), повітряна кулька, відрізаний шматок одноразового шприца об’ємом 5 мл, силіконова трубка, ізоляційна стрічка, садовий дріт, кільце або рамка, виготовлена із цвяха, шприц на 50 мл, ножиці, вимірник сили та тиску, АЦП, ПК.
Блок 4. Експериментальна процедура
Відміряйте та відітніть ножицями шматок ПЕТ-рукава довжиною 10 см. Кінці рукава акуратно обпаліть на відкритому полум’ї для того, щоб надалі він не розплітався при стисканні.
Помістіть всередину рукава повітряну кульку, залишивши назовні невеликий її шматок поблизу горловини.
Помістіть у горловину кульки відрізаний шматок одноразового шприца об’ємом 5 мл так, щоб створити перехідник між кулькою та силіконовим шлангом. Щільно примотайте горловину повітряної кульки до перехідника шматком ізоляційної стрічки.
Повністю вмістіть перехідник у рукав та затисніть рукав до перехідника за допомогою садового дроту.
На протилежний край рукава одягніть кільце або рамку і, загнувши рукав, також щільно примотайте його частину садовим дротом.
Приєднайте до перехідника силіконовий шланг та до нього – шприц об’ємом 50 мл, попередньо набравши у шприц повітря.
Стискаючи повітря у шприці, перевірте дію пневмом’яза на скорочення. Водночас перевірте герметичність створеної конструкції.
Надійно закріпіть м’яз у лапці штативу, утримуючи його за перехідник, та приєднайте до кільця набірний вантаж.
Стискаючи повітря у шприці, перевірте, як м’яз підніматиме й опускатиме вантаж. Затримайте повітря всередині м’яза на декілька секунд та перевірте, чи не буде м’яз розтягатися. Це додаткова перевірка на його герметичність.
Випустіть повітря з пневмом’яза та зніміть вантаж.
Приєднайте до ПК вимірювальний комплекс, а до комплексу – вимірник тиску.
Наберіть у шприц 50 мл повітря і з’єднайте його з вимірником тиску.
У математичних таблицях Excel підготуйте таблицю, вигляд якої наведено у роботі.
Налаштуйте вимірник тиску та розпочніть запис даних.
Повільно стискаючи повітря у шприці щоразу на 5 мл, стискайте його до об’єму 25 мл. Зупиніть запис даних.
Перенесіть у математичні таблиці значення тиску, що відповідають кожному зі значень об’єму повітря.
Випустіть повітря зі шприца, від’єднавши його від вимірника тиску.
Закріпіть м’яз у лапці штативу, направивши його кільце вгору. Приєднайте до кільця вимірник сили та закріпіть його також на штативі. З’єднайте вимірник сили з АЦП.
Налаштуйте вимірник сили, наберіть у шприц 50 мл повітря і приєднайте його до м’яза.
Розпочніть запис даних. Повільно стискаючи повітря у шприці щоразу на 5 мл, стискайте його до об’єму 25 мл. Зупиніть запис даних.
Перенесіть у математичні таблиці значення сили, що відповідає кожному значенню об’єму повітря.
Блок 5. Аналіз отриманих даних
Таблиця результатів
| Об’єм повітря V (мл) | Тиск повітря p (кПа) | Сила F (Н) |
| 50 | ||
| 45 | ||
| 40 | ||
| 35 | ||
| 30 | ||
| 25 |
Інструментами математичних таблиць побудуйте графічну залежність сили, що виникає у м’язі, від тиску повітря в ньому. Зробіть висновок.
Блок 6. Напрями розвитку
- Сконструюйте м’яз, який працюватиме при нагнітанні повітря на видовження.
- Дослідіть залежність скорочення або видовження м’яза від тиску повітря в ньому за сталого навантаження.