Исследовательский проект К 100-летию создания электрической дрели

Исследовательский проект

К 100-летию  создания электрической  дрели

Цель работы: знакомство с дрелью.

Задачи:

1. Узнать, как, где и кем  была изобретена  дрель;
2. Выяснить, как выглядели первые дрели;
3. Понять, как и для чего применялись  дрели;
4. Создать модель дрели из конструктора LEGO.
5. Рассказать одноклассникам о правилах пользования дрелью.

Объект исследования: история появления и виды  дрелей.

Предмет: дрели различных периодов времени.

Гипотеза: Мы предположили, что дрели, разработанные 100 лет  назад, актуальны  в настоящее время и продолжают совершенствоваться в современном мире.

Методы исследования:

1. Знакомство с видами  дрелей посредством изучения изображений, схем, фотографий;
2. Анализ литературы и информационных источников;
3. Обобщение полученных данных;
4. Создание модели дрели  с использованием конструктора LEGO.

Новизна исследования: мы провели опрос в 3 классах и оказалось, что среди них почти никто не знал, что такое дрель,  какие дрели бывают, из каких механизмов состоят, и  почти никто не умеет правильно пользоваться дрелью.

Практическая значимость: В связи  со 100-летием создания электрической дрели, данный проект можно будет использовать на уроках технологии (научить мальчиков правильно пользоваться дрелью)  и на уроках физики для изучения разных передач, демонстрации и пояснения принципов работы механизмов, а также на уроках истории, при изучении деятелей, внесших вклад в развитие технологий. Я  разработал и раздал памятки « Как пользоваться дрелью».

С детства я  видел,  как мой папа  на даче и дома использует  дрель на аккумуляторах. Я также замечал, что дрель используют многие  люди, и дрель есть в каждом доме.  Также меня  папа научил пользоваться дрелью и сказал, что все мужчины должны уметь ей пользоваться, и дрель самый необходимый инструмент в доме.  

 Что такое дрель? Мне стало интересно, и я решил собрать свои модели дрели из конструктора LEGO. 

Из книг и интернета  я узнал определение, что Дрель - это ручное механическое, пневматическое или электрическое устройство (инструмент), предназначенное для придачи вращательного движения сверлу или другому режущему инструменту для сверления отверстий в различных материалах.

Ручные устройства для сверления отверстий известны человечеству уже давно. Судя по археологическим раскопкам, прототипы ручных дрелей существовали даже в эпоху Неолита ( в истории Европы эпоха Неолита начинается примерно с 7-го тыс. до н. э.).

  Изготавливалось сверло, которое вращалось при помощи обёрнутой вокруг него тетивы от лука, древко которого служило рукоятью. Поступательные движения лука раскручивали сверло, благодаря чему можно было делать отверстия даже в камне, а также – добывать огонь при помощи силы трения.

Устройства для сверления постоянно совершенствовались, сначала появились буры и коловороты. Сейчас коловороты при строительных и ремонтных работах используются крайне редко. Их место прочно заняли одно- и двухскоростные ручные дрели.

Ручная дрель — механический инструмент, который применяется для придания вращательного движения с повышенным числом оборотов сверлу или другому режущему инструменту при сверлении отверстий в различных материалах.

Односкоростные дрели имеют только повышающую передачу, состоящую из двух конических шестерён. Как правило, выпускаются в малогабаритном исполнении.

Двухскоростные дрели дополнительно имеют пару цилиндрических шестерён, позволяющих выбирать низкую или высокую скорость вращения патрона со сверлом.

Большие ручные дрели имеют плечевой упор и рукоятку-держатель, облегчающие сверление.

Двухскоростные ручные дрели являются вариантом более популярным и практичным, потому как позволяют, путём перестановки ручки с одного на другой приводной вал, менять скорость вращения сверла относительно частоты вращения вала ручкой.

В настоящее время среди механических дрелей наибольшей популярностью обладает двухскоростная дрель с двухступенчатым мультипликатором, за счёт которого значительно ускоряется скорость вращения сверла, в виду чего мультипликатор ещё называется ускорителем. Сверло располагается в патроне, способном регулироваться таким образом, чтобы дрель можно было использовать со свёрлами разной толщины, при этом надёжно закрепляя их. Ускоритель связан с ручным приводом, вращая который, мы приводим сверло в движение. Наконец, остов дрели с упором помогает надёжно прижать дрель к материалу, значительно сократив время сверления и упростив его процесс.

Основное достоинство ручной дрели в том, что конструкция её очень проста. Ручная дрель этот инструмент предельно надёжный, легко ремонтируется в случае поломки, и недорого стоит. А в местах, где нет электричества, такая дрель вообще незаменима.

Электродрель - представляет собой инструмент, чаще всего, в форме пистолета, внутри которого расположены тяговый преобразователь, пусковой выключатель, реверс, реостат или тиристорный регулятор мощности, электродвигатель (УКД), а также механизм для сверления с ударом. На валу (шпинделе) дрели расположен патрон, предназначенный для установки различных слесарных и строительных насадок. У мощных дрелей в шпинделе имеется посадка «конус Морзе» для непосредственной фиксации в ней сверла.

Впервые электрическая дрель упоминается в 1868 году, благодаря механику-дантисту Джорджу Грину, применившему на практике в зубоврачебном кабинете конструкцию из двигателя, гибкого вала и наконечника. По сути это было "бормашина".

Об этой разработке Грина узнал Самуэль Уайт - американский предприниматель. И уже с 1872-го года компания Самуэля Уайта «S. S. WhiteCompany» запустила серийный выпуск таких сверлильных бормашин для стоматологии. 

Но сверление было остро востребовано при строительных и ремонтных работах.

В 1889 году, инженер Артур Джеймс Арнот смог совместить в одном устройстве сверло и электрический двигатель.

В 1895 году, братья Карл и Вильгельм из немецкого города Штутгарт запатентовали электрическую дрель, которой можно было работать, держа ее в руках.

В 1895 году Вильгельм Файн наладил серийное производство дрели с электродвигателем для строительных работ. Правда в то время это был двуручный инструмент с довольно крупногабаритной конструкцией.

В 1916 году два приятеля, Дункан Блек и АлонзоДекер (Балтимора, США), основавшие компанию «Black&Decker», вдохновившись дрелью Файна и популярным в то время пистолетом Кольт, решили объединить эти два образа в одной конструкции, и представили первую электрическую дрель с пистолетной рукояткой, выключателем куркового типа, и электромотором.

В 1917 году, Артур Джеймс Арнот, работавший в то время в компании «Black&Decker», получил патент на изобретение выключателя и удобной пистолетной рукоятки для электродрели.  

Именно, компания «Black&Decker» считается первым производителем электрической дрели со знакомым нам современным дизайном и максимально адаптированной для удобной работы конструкцией.

Предложенная компанией «Black&Decker» схема электродрели оказалась настолько практична и популярна, что выпускается многими производителями по сей день.

Пневматическая дрель – это устройство (инструмент), которое используется для сверления на конвейерных линиях в разных сферах промышленности. Пневматические дрели разделяют по мощности, исполнению, наличию реверса и максимально возможному диаметру сверления. Есть следующие виды пневмодрелей:

 - Прямые - выполняются так, что ось двигателя и ось патрона совпадают. В основном, их форма также схожа с пистолетом.

- Торцевые - внешне напоминают отвертку.

- Угловые - ось вращения патрона размещается под углом к корпусу.

Минимальная скорость вращения пневматической дрели равна 250 оборотов в минуту, а наибольшая в турбинных аппаратах доходит до 18000 оборотов в минуту.

Современный мир идёт только вперёд. Настала эра новых технологий. Появились робототехника и механизмы. Мне стало интересно, существуют дрели-роботы?

Из интернета я узнал, следующее.

Разработчики из Университета штата Юта (UniversityofUtah) создали автоматизированную машину, которая выполняет трепанацию черепа в 50 раз быстрее, чем человек с помощью стандартных процедур. Использование робота позволяет сократить время операции с двух часов с помощью традиционной медицинской  дрели до двух с половиной минут!

 Робот-дрель производит быстрые, чистые и безопасные разрезы. За счет этого сокращается время, когда рана остается открытой, а пациент находится под наркозом. В результате снижается вероятность занесения инфекций, снижаются как временные, так и денежные расходы на операцию, уменьшается влияние человеческого фактора на ход процедуры.

В последние десятилетия хирургия все более автоматизируется и роботизируется. Созданы, например, медицинские роботы, способные помочь хирургам поставить шурупы в позвоночник или помочь в проведении операции по замене тазобедренного сустава. Тем не менее, для операций на черепе и мозге роботы до сих пор не применялись.

Как работает роботизированная дрель? Во-первых, с помощью компьютерной томографии собираются данные о костной ткани пациента. Определяется точное местоположение чувствительных структур, таких как нервы и крупные вены. Хирурги используют полученную информацию для того, чтобы запрограммировать режущий путь фрезы. Для программирования используется специальное программное обеспечение, разработанное инженерами из Couldwell'steam. Линии разреза должны обойти стороной ряд важных мест, таких, например, как венозный синус, отводящий кровь от мозга. Хирург может запрограммировать барьеры безопасности вдоль траектории резания в пределах одного-двух миллиметров от этих чувствительных областей. 

Хирург наблюдает за процессом и в любой момент может выключить машину. Сверло также снабжено встроенной системой безопасности. Например, если система заметит, что фреза оказалась слишком близко к лицевому нерву, то автоматически отключится.

Сверло было протестировано на пластиковых блоках, а затем на черепах. Чтобы обеспечить наибольшую точность, команда во время тестирования работала с несколькими прототипами одновременно. Сейчас в качестве рабочей версии используется портативный вариант машины, который можно перемещать между операционными.

Сейчас команда работает над созданием коммерческой версии продукта. Он будет создан либо самостоятельно, либо в партнерстве с производителем медицинского оборудования. По оценке Couldwell, сверло появится на рынке в ближайшие 1-2 года. Ожидается, что устройство будет стоить $100.000 или меньше.

По мнению разработчиков из Университета Юты (команду разработчиков возглавляет WilliamT.Couldwell), сверло может также применяться для других хирургических процедур, таких, например, как сложное вскрытие черепа или позвоночника, а также в качестве учебного пособия. 

Это не первая роботизированная дрель. Еще пару лет назад американская компания BlueBeltTechnologies выпустила рободрельNavio, предназначенную для снижения врачебных ошибок и стоимость операций.

Современные подходы к черепной хирургии требуют кропотливой, филигранной работы при ручном сверлении и тщательной очистке сложных отверстий в черепе, чтобы получить доступ к мозгу. Исследователи из Университета штата Юта говорят, что они придумали гораздо более эффективный способ для выполнения этой работы.

Технология роботизированного сверления может существенно сократить время работы и уменьшить риск последующей инфекции.

Трепанация черепа является невероятно кропотливой процедурой из-за высокочувствительных структур, размещенных по всей голове человека. Нервы, крупные вены и артерии находятся во всех зонах, где проводится тщательная резьба кости черепа — это приводит к тому, что процесс может занять около двух часов.

На начальном этапе было необходимо учесть несколько конструктивных соображений: в первую очередь, разработать безопасное и надежное устройство, способное обеспечить повторяемость нужных движений и операций. Проектная группа также рассмотрела вопрос о необходимости упрощенной транспортировки сверлильной установки в операционную. Кроме того, была использована рабочая видеосистема для визуализации в формате 3D хирургического пространства.

В чем-то эта система напоминает управляемого компьютером промышленного робота для сверления деталей. Созданная «с нуля» хирургическая система сверления работает со специализированным программным обеспечением и опирается на данные компьютерной томографии для выявления чувствительных структур, которых следует избегать. Хирурги могут наметить через программу безопасный маршрут сверления, а также отметить барьеры безопасности в пределах 1 мм в чувствительной зоне.

Командная последовательность из отдельных шагов сверления позволяет делать отверстия на сложных участках, расположенных вокруг уха. При проведении подобных операций необходимо избегать крупных вен и нервов лица, они требуют большого опыта и мастерства, выполняются тысячи раз в год, поэтому являются наиболее подходящими для автоматизации.

Испытания прошли успешно и продемонстрировали безопасность и скорость сверления, за счет чего время процедуры может сократиться от двух часов до двух с половиной минут. Это будет большим достижением, потому что укороченная операция означает сокращение расходов, уменьшение вероятности заражения, а автоматизированный характер приводит к снижению вероятности человеческой ошибки. Отмечаются также повышенные шансы на хорошее восстановление после операции.

Более того, исследователи утверждают, что сверло может быть использовано в различных хирургических процедурах, например, подготовка костной ткани к имплантации тазобедренного сустава. В настоящее время изучается возможность массового выпуска этой достаточно универсальной хирургической системы сверления.

      Также, робот- дрель будет помогать людям работать  на  опасных объектах. Основная идея создания робота-дрели состоит в том, что позволит беречь здоровье людей, а так же может быть использована для  работы с радиоактивными веществами, что очень опасно для здоровья человечества.

Заключение

В ходе исследования мы познакомились с различными литературными  источниками и электронными сайтами по данной теме.

В ходе работы над проектом мы узнали,  что такое дрель, виды дрелей,  историю  возникновения   дрелей, создали проекты дрелей  с использованием конструктора LEGO, обобщили полученный материал и сделали выводы.

Поставленные в работе задачи выполнены, цель достигнута. Проведенные исследования позволяют нам считать гипотезу о том,что дрели, разработанные 100 лет  назад актуальны и в настоящее время. и продолжают совершенствоваться в современном мире, верной.

   Предложенная мной  индивидуальная исследовательская работа будет интересна  не только для  моих одноклассников, но и для мальчиков других классов, в т.ч. старшеклассников, чтобы научиться пользоваться дрелью, а  также может способствовать возникновению у них интереса к созданию роботов-дрелей и выбору будущей профессии.