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栄光学園物理研究部 公式ブログ

第70回栄光祭「物理部展2017」一般催し物投票 第1位!

【工学班】モーターの回転運動を上下運動に変換する 〜3Dプリンターによるラック・アンド・ピニオンの設計と見える注意点〜 稘日編>

 お久しぶりです。69k工学班のTです。体育祭も終わってもう直ぐ歩く大会!(の前に中間テストがありますね。
 ところで…… おととい(10月4日)はグッドデザイン賞2017の発表がありました。栄光学園の新校舎がグッドデザイン賞2017を受賞しましたね!

「グッドデザイン校舎(2017年賞受賞)」と3Dプリンタを備えた先端的?物理部のあるスーパーハイブリッドの栄光学園のフレンズになろう!

(補佐)

(ツイッターより抜粋)

さてスーパーハイブリッドのもう一方の車輪ズバリは…
そう、 3Dプリンター (を有する我が物理研究部)です。

 そこで今回は,個人研究の中で最も大きな課題の一つについて現在の進捗・方向性についての記事を書きたいと思います。


テーマは…
モーターの回転運動を

上下運動に変換する

 〜3Dプリンターによるラック・アンド・ピニオンの設計と注意〜

【Introduction】
 個人研究は、中1の始めから一貫して「災害ロボット」、とりわけ汚泥処理の分野について研究しています。かなり昔の研究論文ではありますが、
川島 普(1977)「汚泥の処理について-各種の機械的脱水装置による汚泥の脱水機構の解析と特性因子について-」,『環境技術』vol.6, p.187-194, 環境技術学会.
の研究論文を参考にしながら、40年経った今だからできることを活用しながら、より簡単なで一般普及可能な脱水(・ろか)機構の製作をしています。
  *詳しくは、冬合宿の直後あたりに記事を執筆する予定。来年の物理部誌ATTOも見てね!

【本題】
 で、その脱水機構を考えるときに、 熱 ・ 振動 ・ 圧力 (・ 化学的操作) とか因子は色々考えられるわけですが、「泥に圧力を加える」という因子が最も効くということが、実験によっても(感覚的にもわかりますが)わかりました。
 
 その圧力を加える作業は、泥を上から押すということ、すなわち上下運動を出力するということです。
その“モーターの回転運動(入力)を上下運動(出力)に変換する必要方法” はいくつかありますが、具体的には
 .ランク機構
  (cf)スライダークランク機構
 ▲薀奪・アンド・ピニオン
などが候補に挙がりました。

詳しく紹介すると…
.ランク機構
 利点:板棒(ユニバーサルアームなど)とモーターがあればなんとなく手軽に作れる。
 欠点:回転部の上下変位の分しか上下動できない(=制限的)
   ◎種類:スライダークランク・メカリンク
        →リンク機構を詳しく知りたい人はこのページがおすすめ(外部サイト)

IMAG0770














写真:執筆者作成のメカリンク機構



▲薀奪・アンド・ピニオン
 利点:上下動は回転数でコントロールが一定程度(=非制限的)できる。
 欠点:そもそも「ラックギア」というものがあまり流通していない
Rack_and_pinion_animation








図:ラック・アンド・ピニオンイメージ(Wikipediaより)

 はじめは製作の手軽さの面でクランク機構がいいかと思っていたのですが…そもそも汚泥処理に役立つかと言われると、上下動のコントロールが効かないのであまり役に立つかわからない。どうしてもラックアンドピニオンで試したい。

 考えた末に、4月から物理部に導入された3Dプリンターを初めて使ってみよう!という結論に至りました。(
3Dプリンターは工作のパーツを自由に小ロットで製作できる!)

<まずどうやって歯車を設計するかですが…>
さっと調べた感じ無料で手軽にできるのは以下の2つ

A.  3Dプリンタ用ギアモデル製作サイト での設計
 〇の数・
歯車直径を歯の数で割った値・大きさ・圧力角を入力する。
 △修侶舛離ぅ鵐椒螢紂璽隼車+ラックギアが出力される。
 ダウンロドをクリック。
 Fusion360(3Dデータソフト)で開く

B.  FREE CADソフト (
オープンソース3D CAD)での設計
 このソフトをダウンロードする
 Gearワークベンチを登録する
  I.    Part Design  をクリック
   II.   Involute gear... をクリック
   III.  歯の数・歯車直径を歯の数で割った値・圧力角・精度などを入力
   →基本的な作業はA. と同じ
 Fusion360にデータを移す(プリンタ出力のため)

  *Fusion360  :  CAD/CAM/CAE が統合された便利な3D ツール
当たり前ですが、どちらでやってもできるものは大して変わらない。

<プリントアウト>
昨日(10/5)データ
67kの先輩に渡してプリントをお願いしました。詳細はわかりません。(3Dプリンター自体の使い方は知りません。)

<完成品>
うまく動作しました!

IMAG0771








写真:完成品
*詳細はまた今度

<反省点・注意点>
 ・栄光物理部にある3Dプリンターは「熱溶解積層方式
  *細い樹脂を何層にも重ねていって高さのある構造品をプリントする方式。
    →上段を重ねていくときに重みで下段が広がっていくのだと推測できますが、普通に積層させると幅(高さ)に違いが生じる。
      →精密な部品を製作する際は致命的になるかもしれない。
    [ここで提案]
     3Dデータを設計する段階で、下部の幅を小さくしておくとちょうど良い幅に出力されると予想される。(*検証はしていないのでもし検証できれば更新します)

 ・積層による凹凸がラックとピニオン(ギア)でずれているとラックとピニオンがうまくかみ合わないので注意。→出来たラックとピニオンは表面を少しヤスリで削ると良さそう。

ああ











図 幅のずれのイメージ


【おわりに】
・3Dデータ設計とかは正直1回目でまだまだこれからなので、また新しいことが分かったらその都度投稿します。
・この記事に関して思ったこと・考えたことがあればOB,部員,一般の方,専門の方など問わず今後のためにもぜひコメントをお願いします。

物理研究部体験部活ソーマキューブの解答編公開!(オープンスクール)

こんにちは、69期のTです。昨日(9月9日(土))に栄光学園でオープンスクールが開催されました。御来校された小学生の皆さん、保護者の皆さん、本当にありがとうございました。
以下、68期部員より物理研究部の体験部活に参加された方にお知らせです。
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 ソーマキューブの「解答編」が出来上がりました。
  PDF(Portable Document Format)形式で公開致しますのでご確認ください。
  
こちら ←クリック
   

 *もしも、PDFで閲覧することができない場合は、以下の画像ファイルで1枚ずつ御閲覧ください。
  1枚目:こちら  2枚目:こちら  3枚目:こちら

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是非来年もオープンスクール、栄光祭に是非お越しください!

台風に恋した夏休み

皆さんこんにちは!
そしてお久しぶりです。
地学班班長のTです

栄光学園は他の中高と比べると、わりと夏休みが長い方らしいので、実はまだ夏休み中です。先日も、物理部の研究発表合宿がありました。そんな夏休みですが、今晩はもう秋のような涼しさで、過ごしやすいを越えてかなり肌寒いですね…

さて、皆さんは今年の夏いかがお過ごしでしたでしょうか?
僕は、台風の解析や気圧のこと考えてばかりの夏休みでした。
というのも、自分の研究は下図のような自作自動気圧計を使って多地点で観測した気圧データから、台風の構造を探る!というようなものなのです。
気圧計の試観測やら、解析方法考えたりやら、解析に必要な勉強したりやら…で、なかなか充実した夏休みでした。
[画像:cb2cdf2e.jpg]
気圧のこととか台風のこととか考え始めると眠れなくなったりして解析始めたり…とかもやりました。本当に楽しくて…
自分の得意技が徹夜解析なのですが、未遂も含めると4回くらいやりました。だらだら続けて逆に非効率な気しかしませんが…
試観測のなかでは、圧力鍋にいれて昇温実験してみたりとかもしましたね
[画像:f57b8522.jpg]
そんなこんなで色々なこと発表したくて、先日の合宿では一時間とか話してしまいました。完全に迷惑でしたね。すいませんでした…

台風と言えば、今も15号が小笠原諸島のあたりうろちょろしてますね。先日の5号のときのあの迷走度合いも凄かったです。
今は今年の3号,5号のデータの解析してます。まだまだ、解析方法を改良途中ですし、勉強途中ですが、10月頃までにはひとまず蹴りをつける予定です。というのもあるコンテストに挑戦しようと思っていまして…(この話はいずれ)

ともかく、これから来るであろう台風の観測結果も含めて、来年の栄光祭では良い結果を発表できるので(恐らく…)是非お楽しみにしてください!

ちなみに、直近のイベントでは、9/9のオープンスクールで、体験部活や研究発表などやる予定です。
体験部活の方はもう満席のようですね。お申込みいただきありがとうございます!
課外活動見学は誰でも来れるので、是非オープンスクールに来たら物理部の見学していってくださいね!
自分は台風のこと話してると思います!

数学の部屋2017

数学の部屋2017✈︎ 問題

はじめにー

毎年開催される、栄光祭「物理部展」では、「数学の部屋」という企画が存在し、主に小学生・受験生を対象として、算数の問題を自ら考えたり、班員と一緒に考えたりする企画です。
ここ数年は、その問題が本ブログにて公開されているので、今年も問題を公開したいと思います。
自作算数問題は、栄光学園物理研究部の数学班員の1年間の問題作成の成果物です。特に、今年は昨年比で問題数が約1.5倍!個人的な感想としては、「面白い問題」から「頭を抱えてしまうほど難しい問題」までユーモア溢れるバリエーションに富んだ問題集になっていると思います。受験生など、まだ今年数学の部屋の問題を見ていない方は是非!解いてみてください。思考力が活性化されます?!よ。



*本年度は都合により「模範解答」を作成しておりません。予めご了承ください。 
*お問い合わせは eikophys[at]gmail.comまでお願いします([at]を@に置き換えてください。スパム対策です。)

<LINK>
 数学の部屋2016
 数学の部屋2015
by 69k T

中間試験〜中1入部シーズンへ!

ご無沙汰してます
地学班Tです

気温は段々と暖かくなってきて、過ごしやすくなってきましたね。
暑すぎず寒すぎず、このくらいの時期が一番過ごしやすい気がします。
しばらくすると梅雨入りかと思うと、少し残念ですが…

さて、このblog、栄光祭終わってから更新してませんでしたね。
という事で、改めて地学班からも、物理部展にお越しいただいたみなさま、ありがとうございました!!

栄光祭終了後、物理部では非常に濃い内容の栄光祭反省会を行いました。
早くも来年の栄光祭に向けて、問題点や対策などを話し合いました。

そして現在、栄光学園は中間試験に差し掛かっています。
部展準備などで中断していた研究も、試験後には本格的に再開します。
今後の更新にもご期待ください。

さらにこの中間試験、今年入学した71期は初めての定期試験になります。
中間試験が終わると、中1は入部シーズン到来です。
今年はどんな人が物理部に来てくれるのか、そして地学班希望者はいるのか…地学班班長としてはかなり気になるところです。

また、第7回科学の甲子園や第5回科学の甲子園ジュニアにむけ、物理部ではすでに動き始めているとのこと。
校内選抜の準備が進んでいるようです。
今年も県予選突破、そして全国優勝を目指します!

さて、自分も試験勉強しなければ…
ではでは(^-^)/
秀逸な記事
日光で湯を沸かしカップ麺を食うプロジェクト

59期が物理部クオリティ全開で行ったプロジェクトを記事にしたもの。論理展開が明確で、誰もが楽しく読める記事です。

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