Творчі здобутки

Науково-дослідницька діяльність наших ліцеїстів: ідеї, проекти, розробки 

I. Для комфортного середовища людини

Проект “Побутові фільтруючі елементи з підручних матеріалів”  © Петрань Віра (9 клас), 2015 р. 

Сучасне житло неможливо складно уявляти без розвиненої системи вентиляції, особливо без примусової кухонної витяжки. В процесі приготування їжі в повітря випаровується не тільки вода, а й частково жир, який при охолодженні поступово конденсується  на стінках вентиляції. Оскільки після кожного користування кухнею просто не реально очистити вентиляційні канали від сконденсованого жиру, то він там починає частково полімеризуватись, що ускладнює його відмивання навіть з використанням агресивних миючих засобів. Щоби мінімізувати конденсацію жиру в вентиляційних каналах,  кухонні витяжки оснащуються волоконними фільтрами. Однак ці фільтри є малоефективними, оскільки дуже швидко вимагають заміни. Адже фільтр, який би добре вбирав у себе жир має містити товстий шар волокна, що  дуже швидко тим самим жиром  і «замурується». 

Мета проекту. Розробка недорогого, але ефективного кухонного фільтра, який би мав розвинену поверхню для конденсації жирових випарів і при тому був би дешевим і легко замінним. Гіпотеза. Нарізане листя чаю,  розмелені зерна кави  чи інші дрібно посічені волокнисті відходи кухонного виробництва мають достатньо  розвинену поверхню, на яку міг би осідати жир з кухонних випарів.

vytyazhka-1 vytyazhka-2 vytyazhka-3 vytyazhka-4

 Хід роботи. Для початку була розроблена конструкція фільтра, в якому фільтруючим елементом було б побутове рослинне волокно, наприклад використана чайна заварка  чи кавова макуха. Такий фільтр вставлявся в короб, що імітував кухонну витяжку. Стандартний побутовий вентилятор створював потік повітря, аналогічний тому, який є в реальних кухонних витяжках. В коробі також імітувалися усі інші процеси, що теоретично могли б відбуватися на кухонній плиті, навіть процеси закипання та самозаймання олії. Тим не менше кавова макуха успішно вбирала в себе усі випари, не пропускаючи їх до вентилятора, який при всіх експериментах залишався чистим, без ознак конденсації жиру на своїх поверхнях.

                                                     vytyazhka-5    vytyazhka-7    vytyazhka-6   vytyazhka-8

Аналіз одержаних результатів. Експерименти засвідчили, що найбільш доцільною в  кухонній витяжці є конструкція з горизонтально підвішених великих плоских коробів, в якості дна яких є сітка з нержавіючої сталі, а стінки  мають висоту 3-4 см для того, щоби при встановленні, чи зніманні коробів, з них не просипалась використана чайна заварка чи кавова макуха. Фактично люди як і раніше викидатимуть використану заварку чи кавову макуху в смітник, але не одразу, а після того, як вона пробуде ще деякий час в кухонній витяжці, вбираючи в себе жирові випари.

Практичне застосування. Здійснивши мінімальну доробку вже існуючих кухонних витяжок, можна з успіхом використовувати в якості фільтруючих елементів використану чайну заварку  кавову макуху чи інші волокнисті побутові відходи. Тим самим реально подовжується ресурс роботи вентилятора та усіх вентиляційних каналів в цілому.

Проект “Театральне костюмерне дзеркало”  – © Хіраш Назар (9 клас), 2015 р.

Робота актора  перед великим  глядацьким залом сама по собі є серйозним психологічним напруженням, а іноді навіть й стресом. І якщо при цьому в митця виникають якийсь неспокій чи підозри в тому, що його зовнішній вигляд хоча у чомусь не відповідає образу  на сцені, то психологічне занепокоєння може перерости в паніку і привести навіть до акторського провалу. Тому в штаті театру є висококваліфіковані гримери і костюмери, які допомагають акторам належно формувати  сценічні образи. І попри усе це перед виходом на сцену в багатьох акторів часто мимовільно виникає певний  психологічний дискомфорт від сумнівів про можливі, але непомічені дефекти сценічного вбрання.

hirash-1hirash-2

Тому метою проекту була розробка такої системи дзеркал, яка б дозволила швидко оглянути акторський костюм одразу з усіх боків, при цьому ця система дзеркал не повинна створювати жодних незручностей іншим театральним механізмам і пристосуванням.

Робоча гіпотеза дослідження грунтувалася на припущенні,  що якщо розмістити одне дзеркало на стіні коридору, а друге дзеркало підвісити на обертовому шарнірі до поворотної консольної балки, можна одержати систему двох дзеркал, яка дасть змогу швидко оглянути весь акторський костюм. А у згорнутому стані система дзеркал повністю звільнить коридор для інших потреб театру. Було створено діючий макет такої системи дзеркал, що могла б легко вписуватися у театральний коридор.  

                                             hirash-3 hirash-4 hirash-5

При повороті консольної балки, рухоме  дзеркало відходить від стіни і отримує змогу обертатись навколо власної осі обертання. Перед виходом на сцену актор має змогу зручно і легко оглянути себе  як у звичайному дзеркалі та, розгорнувши систему дзеркал,  оглянути себе одночасно з усіх боків, і тим самим впевнитися в відповідності свого вбрання артистичному образу.

         hirash-6  hirash-7 hirash-8 hirash-9 hirash-10

Досліди на моделі показали, що  змінюючи кути поворотів  консольної балки і рухомого дзеркала, а також   положення самого актора,  можна обрати безліч ракурсів, з яких чітко буде видно весь костюм. Запропонована система дзеркал легко монтується у потрібні місця, в закритому стані практично зливається з стіною коридору, не створюючи завад іншим службам і комунікаціям, а в розкритому стані повністю задовільняє потреби актора, який знаходиться у просторі між дзеркалами, в об’єктивному контролі  за своєю зовнішністю, при чому  буквально одним поглядом оцінити цілісність і адекватність свого театрального образу.

Проект «Система дистанційного контролю побутових комунікацій» © Хацко Марія (9 клас), 2016 р. 

З екранів телевізорів не сходять повідомлення про надзвичайні події, що пов’язані з вибухом у будинках побутового газу, численні займання і пожежі через коротке замикання електроприладів і мереж, затоплення квартир, проривання каналізації  та інші надзвичайні події, що обертаються людськими трагедіями, мільйонними збитками, скаліченим життям багатьох громадян.

                                                                     dyst-2     dyst-1

Тому все більшого поширення набуває встановлення у помешканнях відповідних сигналізаторів і датчиків. Проектуються і будуються так звані «розумні будинки». Однак й ці достатньо ефективні превентивні заходи не в повній мірі захищають від негативних наслідків надзвичайних техногенних подій у побуті. Якщо датчики, наприклад, помітять протікання води і негайно проінформують про це господаря чи відповідну службу нагляду, але поки прийде фахівець, який перекриє кран, то у всіх розуміннях цього виразу, витече багато води, що може мати вкрай неприємні наслідки для будинку чи квартири,  а часто, й для житла сусідів.

При проектуванні нових будинків цілком реально передбачити монтаж автоматичних кранів чи інших захисних пристроїв, однак у вже збудованих домах, де всі системи вже змонтовані і часто задекоровані, навіть заміна звичайного крану на кран з зовнішнім приводом може стати вкрай складною і дорогою операцією. Тому завданням проекту була розробка системи автоматичного закривання газових та водопровідних кранів, яка б дозволяла просте і швидке її встановлення у наявні мережі без реконструкції.

Технологічні обмеження. При розробці механізму автоматичного закривання кранів було вирішено відмовитися від стандартної системи «електродвигун + редуктор», оскільки така  зв’язка є доволі складною і малонадійною. Адже вона потребує  гарантовано надійної роботи датчиків фіксації положення запірної арматури, а також потужного джерела електроенергії, зазвичай акумулятора великої ємності і високої вартості для автономних систем.

Робоча гіпотеза проекту припускала, що енергії, що накопичена в пружині, при переведенні крану у відкритий стан буде цілком достатньо, щоб повернути його у висхідне, закрите положення.

Після проведених експериментів автоматичний закривач кранів набув вигляду коробу, який одягається на кран. Всередині коробу знаходиться зворотна пружина, що закриває кран та електромагнітний стопор, який утримує кран в відкритому положенні. Як тільки на електромагніт стопора надійде електричний імпульс, стопор відпустить рукоятку крана, і зворотна пружина його закриє. При потребі можна реалізувати також і зворотну схему роботи, коли стопор буде утримувати кран у відкритому стані до тих пір, поки на електромагніт подається електричний струм.

                                          dyst-3    dyst-4    dyst-5

Схема дистанційного керування. Принцип дії системи полягає у тому, що коли на мобільний телефон, що знаходиться біля крана, надходить дзвінок від одного з заданих телефонів, система автоматичної комутації з’єднує його з платою акустичного дешифратора DTMF.  Дешифратор декодує  сигнал формату набраної цифри та видає команду у вигляді електричного сигналу на відповідному виході плати.

Якщо цифра кодованого сигналу співпадає із запрограмованою цифрою команди, на виконавчий механізм подається електричний імпульс, за допомогою якого розстопорюється відкритий кран, і зворотна пружина негайно його закриває.

dyst-7

  dyst-6

Подальші експерименти показали, що при потребі через ту саму плату DTMF можна здійснювати і роздільне закривання чи відкривання різних кранів, а також контролювати їхнє положення. Гіпотеза повністю підтвердилась. Система показала належну працездатність і може бути впроваджена у масове виробництво для подальшого широкого використання.

Розроблена система дистанційного закривання побутових кранів, легко монтується на будь-яких існуючих комунікаціях. Керування здійснюється через мобільний телефон з додатковим дешифратором команд або через комп’ютерні мережі «розумного будинку», до яких вона під’єднується   як виконавчий механізм. Система проста у виготовленні і надійна в експлуатації. Механізм закривання може бути пристосований до кранів різних конструкцій.

Проект «Економний дрібнодисперсний розпилювач води у побуті»  © Лозинська Анастасія (11 клас), 2016 р. 

У світі щораз більше загострюється проблема нестачі води, а тому необхідності її  раціональної витрати. При митті рук з-під крана лише маленька частка води  власне витрачається на змивання бруду,  решта ж потоку  безцільно стікає в каналізацію. При прийнятті душу ситуація ще гірша. Для запобігання цьому марнотратству використовуються   дорогі і складні розпилювачі води, що потребують високого тиску в водопровідній мережі.

Між тим, нас зацікавив так званий «ефект ложки»при митті посуду, коли навіть маленька цівочки води, потрапляючи на внутрішню поверхню ложки, миттєво розбризкується в усі сторони. Це наштовхнуло на ідею, що коли спрямувати тонку цівку води у сферичний рефлектор, до якого подібна ложка, то можна одержати  достатнє для практичного використання розпилення води у процесі миття.  Було розроблено  відповідну конструкцію розпилювача, в якому  вода   подається з опуклої сторони напівсфери через отвір в ній, а розпилюється за допомогою притискної шайби,  регулюючи притискання якої, можна досягти   потрібного  ступеня розпилення  води. На рисунках показано схеми звичайного (лівий) і вдосконаленого (правий) розпилювачів води

                                           rozpyl-1    rozpyl-2

При експериментальній перевірці роботи конструкції за допомогою поршневої помпи і насадок різної форми було  досліджено явища, що мають місце при дрібнодисперсному розпиленні води, а також вивчено умови, що спричиняють його виникнення.

Паралельно була перевірено роботу такого розпилювача, в якому  вода   подається з опуклої сторони напівсфери через отвір, а розпилюється за допомогою притискної шайби. Виявилося, що регулюючи притискання шайби, можна домогтися різного ступеню розпилення. До переваг розробки потрібно віднести простоту конструкції та відсутність сіток, що постійно забиваються і заростають твердими солями від побутової води.

Експерименти з різними пробними розпилювачами засвідчили, що при прийманні душу тіло людини добре зволожується при набагато менших витратах води, ніж при користуванні звичайним душовим розпилювачем. Запропонований пристрій виявився простим, надійним і придатним до промислового впровадження.

Проект «Напівавтоматичний пристрій для економії води при митті глибокого посуду» – © Онисько Анастасія (10 клас), 2016 р. 

При митті глибокого  посуду лише половина часу йде на власне процес миття,  а решта часу витрачається на непродуктивні маніпуляції із щіткою, яку треба постійно кудись перекладати та додатково відриватись на нанесення на неї мийного засобу. Якщо ж подавати воду лише при виконанні безпосередніх процедур миття, постійно відкриваючи та закриваючи крани, то це ускладнить процес миття, а також призведе до інтенсивного зношування запірної арматури.

Застосувавши жорстко зафіксований маніпулятор з щіткою, так звану «третю руку»,  можна  суттєво зменшити кількість непродуктивних рухів при митті посуду. Було виготовлено декілька комплектів, що складалися  з двох паралельних щіток типу «йоржик» та струбцини.Кінці ручок щіток приклеювались до струбцини за допомогою епоксидної смоли і вигинались так, щоб оптимально охоплювати  посуд. Пристрій має два варіанти кріплення:  до полички, що часто розташовується над мийкою, і  на виступі масивного штатива, який встановлюється таким чином, щоб виступ трохи звисав над мийкою. Виконані в домашніх умовах численні експерименти по всебічній перевірці ефективності роботи  виготовленої щітки показали, що миття стало більш зручним і швидшим:  на 5-15% – при митті звичайного посуду  і  на 25 – 35% – при митті глибокого посуду, при досить помітній економії мийного засобу при митті усіх видів посуду та значно меншій фізичній втомі користувачів.

                 onys-1  onys-2  onys-3  onys-4

Напівавтоматичний пристрій. Практично всі користувачі ручного  пристрою забажали наявності в ньому механічного приводу для обертання щіток під час миття. В результаті було зроблено   спочатку однощітковий пристрій, а згодом у більш досконалий, двощітковий  пристрій з електроприводом. Для економії електроенергії привід пристрою вмикається лише при доторканні посуду до щіток. 

                                   onys-5     ndl-onysko-6 ndl-onysko-5   onys-6  

Напівавтоматичний пристрій для миття посуду виявився ще більш зручним і продуктивним, ніж ручний. Він конструктивно вдалий, відповідає вимогам ергономіки, а при користуванні ним досягається істотна економія гарячої води і засобів для миття посуду, що зменшує екологічне навантаження на довкілля. Вагомим аргументом на користь конструкції є зменшення монотонних маніпуляцій та рухів рук і корпусу користувача, що спричиняють  надмірну  втомлюваність людини.

Проект «Мобільний фіксатор дверей для людей з особливими потребами»  © Котюк Володимир (11 клас), 2016 р.  Зростаючі вимоги до енергозбереження спонукають обладнувати усі двері в державних та громадських установах автоматичними закривачами дверей. Це дозволяє не тільки зберігати тепло у приміщеннях, але й запобігати неприємним протягам у довгих службових коридорах. Водночас прохід крізь такі двері в офіційних установах зазвичай чомусь доволі незручний не лише для людей з особливими потребами, але й для інших відвідувачів, серед яких можуть бути люди з велосипедами чи візком.

Наявні автозакривачі дверей особливо незручні тим, що вони крім зворотної пружини мають ще й гідравлічний демфер, який сповільнює не тільки закривання дверей пружиною, чим усуває грюкіт від удару дверного полотна об раму, але також і сам процес відкривання дверей. Людині потрібно докладати додаткових зусиль на подолання внутрішнього тертя у демпфері.

Тому при проходженні дверей з автозакривачем має місце їх постійний боковий тиск на людину без можливості легко і швидко збільшити ширину проходу, відштовхнувши дверне полотно в сторону.  Для здорових людей така незручність є маловідчутною, а тому допустимою, а от для інвалідів, які витрачають значно більше часу на проходження дверми, автозакривач стає джерелом серйозного дискомфорту, а іноді, навіть і проблем.

                                kotyuk-1       kotyuk-2 

Для розв’язання цієї проблеми було розроблено фіксатор дверей, який інтегрований з ціпком (палицею). Такий ціпок-блокувальник має підпружинений боковий виступ, який при потребі зафіксувати двері в відкритому стані знімається із стопора і підставляється під дверне полотно. Пружина притискає виступ до низу дверного полотна, а нижня опора ціпка негайно, під дією тієї самої пружини, притискається до землі. Тоді при спробі руху дверного полотна система ще сильніше заклинюється і надійно його фіксує у нерухомому стані.  Після проходу через двері з заблокованим полотном людина натискає на ціпок, пружина стискається і боковий фіксатор поворотом вбік вивільняється з-під дверного полотна, а ціпок забирається з собою і не заважає закриванню дверей. Щоб в подальшому підпружинений боковий виступ не заважав ціпку виконувати свою основну функцію, він блокується аж до подальшої в ньому потреби.

За результатами експериментів хід підпружиненого бокового виступу було встановлено у 60 міліметрів, що дало змогу фіксувати практично всі існуючі двері. А сам же боковий виступ набув форми пластинки з нержавіючої сталі товщиною у 2 міліметри, що дає змогу блокувати навіть двері, що сильно «просіли». Попри очевидні переваги розроблений і експериментально випробуваний переносний фіксатор дверей не є достатньо зручним для інвалідів, які пересуваються у візочках, оскільки їм важко було розвертатись, щоб забрати фіксатор після використання.

Тому на наступному етапі роботи над проектом було розроблено і випробувано фіксатор, що має шарнірний вузол, який дозволяє блокувати і розблоковувати двері при будь-яких кутах нахилу його рукоятки. Це дозволяє інваліду під’їхати на візочку до дверей, їх відкрити і заблокувати, виставивши фіксатор перед собою та підставивши його під двері. Шарнірний вузол при цьому дозволяє просто поставити фіксатор на підлогу, трохи його притиснути до підлоги для самоцентрування і підсунути під двері. Рукоятка фіксатора має м’який поводок, який на момент користування ним кріпиться до руки, тому людина в інвалідному візочку робить усі потрібні їй маніпуляції, не зважаючи на фіксатор. Після проїзду крізь двері інвалід просто за поводок підтягує рукоятку до своєї руки і, натиснувши кнопку, розблоковує фіксатор і виймає його з-під дверей. Після чого фіксатор вкладається у пази кріплення на інвалідному візочку, де він знаходиться до чергової у ньому потреби. Керування блокуванням фіксатора здійснюється мікрогідроприводом, що дозволяє надійно ним керувати при будь якому положенні рукоятки.

Проект «Компактний пристрій для догляду за домашніми тваринами»  © Шеремей Володимир (10 клас), 2016 р.

При утриманні домашніх тварин в умовах міста постійно виникає проблема з належним прибиранням кінцевих продуктів їх життєдіяльності. Нерозумно взагалі заборонити утримувати домашні тварини у міських квартирах, як це прийнято у деяких країнах,  але й не надто приємно стикатися з екскрементами на тротуарах.

Якщо в умовах квартири ще можна привчити домашніх тварин «до лотка», то на вулицях, парках, скверах та інших громадських місцях наші улюбленці поводяться відповідно до своєї природи та інстинктів. Цивілізовані та культурні власники домашніх тварин, особливо собак, для таких випадків мають з собою поліетиленові кульки, куди збирають продукти життєдіяльності тварин, щоби потім викинути їх в сміттєзбиральні урни. Такі, не вельми приємні процедури, тим не менш є необхідними діями, які не цураються виконувати небайдужі до питань забезпечення належного санітарного стану вулиць та інших громадських місць люди навіть дуже високого соціального статусу. Зокрема, на нижченаведеному крайньому фото справа показано, як прибирає екскременти собак її Королівська Високість принцеса Швеції Мадлен. Показовий урок для багатьох наших громадян!

                         sherem-1  sherem-7  sherem-2  sherem-3 

Винахідників  давно цікавить проблема вдосконалення та розробки нових пристроїв, які б зробили процес збирання продуктів життєдіяльності тварин більш  комфортним. Адже загальним  недоліком наявних таких пристроїв є їх відносно великі габарити. Незручно гуляти з собакою, тримаючи в одній руці поводок, а в іншій  – шухельку з віником. Тому було вирішено розробити компактний пристрій, який би можна було легко переносити у кишені чи жіночій сумочці, та легко мити його при забрудненні. При цьому конструкція повинна бути простою в експлуатації  та здатною швидко прибирати за домашніми тваринами їх природні виділення.

                                                 zbyrach-ekskrem-1  zbyrach-ekskrem-2  zbyrach-ekskrem-3

Після серії натурних експериментів (з власною собакою) такий пристрій був спроектовано. Змакетовано маніпулятор, що висувається з невеликої рукояті і збирає  екскременти не безпосередньо, а через поліетиленовий або паперовий кульок, а тому сам  маніпулятор залишатиметься чистим. Зрештою, для гарантії чистоти він після виконання процедур складається і розміщується в окремому поліетиленовому кульку, а після прогулянки з твариною, промивається гарячою водою з мийним засобом в домашніх умовах.

Пристрій виготовляється з нержавіючої сталі, що зменшує його вагу, запобігає корозії та надає йому більш естетичного вигляду. В складеному стані він відповідає габаритам розкладного ножа, є зручним у користуванні, при потребі легко обслуговується. Для великих собак пристрій в транспортному положенні може бути розміщений безпосередньо на ошийнику.

Проект «Сонячний мангал»   © Савченко Вікторія (9 клас), 2016 р.

Невпинне і всезростаюче споживання для потреб енергетики доволі обмежених природних ресурсів Землі стало однією з найбільш глобальних проблем людства. Наукові дослідження, технологічні розробки усе більше зосереджуються на пошуку альтернативних джерел енергії, частка яких постійно зростає в енергетичному балансі економіки і побуту. Зрозуміло, що у цьому плані наукова думка не може не звернути увагу на величезний ресурс сонячної енергії, що є фактично джерелом і головною передумовою існування самого життя. Не лише благодатного тепла та живильного випромінювання, якими щомиті обдаровує Сонце нашу планету і усе, що на ній росте і живе, а також й накопиченої у надрах Землі енергії, що також обумовлює існування нашого світу. Тому  цілком логічним є висновок, що більш ефективне використання енергії Сонця у вигляді безпосереднього випромінювання дозволить більш ощадно витрачати цю саму, на перший погляд невидиму,  сонячну енергію, що акумульована і зосереджена у надрах в вигляді викопного палива.

Людство знаходиться  на такому етапі свого розвитку, що економити енергоносії, воду, не забруднювати довкілля необхідно постійно і повсюдно: у виробництві, на транспорті, у сфері послуг, в побуті та забезпеченні комфорту життя. І не лише з економічних міркувань, а осмислюючи, що техногенне навантаження на середовище буття усього живого на Землі досягає критичних рівнів.Мало хто задумується, наприклад, над тим, наскільки багато енергії щоденно витрачається на приготування їжі.  І саме у цій сфері можна активніше впроваджувати ідею «сонячної кухні», тобто способи термообробки харчових продуктів і приготування їжі за допомогою концентрованої сонячної радіації.

Такі технології поки що не набули належного поширення, і не лише тому, що вони не працюють у сутінках чи вночі. Адже можливість готувати їжу без використання викопного палива навіть лише у сонячні дні є вагомим аргументом  на  їх користь.Значно суттєвішим недоліком сонячних кухонь є поки що надто висока вартість цих пристроїв, що використовують сонячне випромінювання як альтернативне і резервне джерело енергії. Дороговизна сонячних кухонь спричинена тим, що в якості дзеркального концентраторів сонячної енергії для отримання належної температури нагрівання використовуються фрагменти параболічного чи сферичного дзеркала. Сучасна ж промисловість здатна рентабельно продукує лише плоскі дзеркала, тому що для формування параболічного дзеркала плоску дзеркальну поверхню ще потрібно розрізати на окремі елементи і з них синтезувати параболоїд  обертання чи його фрагмент. Поки що це дуже затратна процедура.

У роботі над проектом було висунуто гіпотезу, що для приготування окремих, зокрема, енергозатратних страв (шашлику,  люля-кебабу тощо), цілком достатньо  буде концентратора сонячної енергії у вигляді циліндричного дзеркала,  виготовлення якого у промислових умовах є набагато простішим, а тому значно дешевшим, оскільки листове дзеркало технологічно легше згинати у вигляді фрагмента циліндра. Для перевірки  гіпотези було виготовлено декілька зразків лінійного сонячного концентратора, для якого обрано циліндричний профіль дзеркала. Хоча за своїми робочими параметрами циліндричне дзеркало дещо поступається параболічному, зокрема, за точковим фокусуванням променів,  але для зазначених цілей й не потрібно надто великої концентрації енергії «в точку», хоча заради об’єктивності потрібно зауважити, що досягти цього не можливо, оскільки кутовий розмір самого Сонця становить лише ½ градуса.

До переваг циліндричного профілю дзеркала попри його цілковиту придатність для потреб сонячної кухні  потрібно зазначити його належну технологічність  – циліндричний концентратор дуже легко виготовляється. Простота технології полягає у тому, що у виробничих умовах за допомогою розкрійного циркуля з листового пластику нарізаються поперечні дуги, на ввігнуту грань яких наклеюється плоский лист пластика, внаслідок чого конструкція набуває форми  циліндричного сегмента. Потім на пластик наклеюється дзеркальна плівка. Концентратор для сонячної кухні практично готовий. 

Тим не менше, в процесі роботи над розробкою  проведені численні експерименти показали, що лише одиниці з кількох десятків виготовлених таким чином дзеркальних плівок мають належну індикатрису відбиття, до того ж вони погано наклеюються на поверхню пластика. Якщо ж зважити на наявність значної кількості жиру, що капає з м’яса, що смажиться, то його не витримала плівка у жодному зразку. Тому на наступному етапі дослідження було вирішено замінити плівку полірованим листом  алюмінію товщиною 0,5 мм, який було додатково відполіровано пастою ГОИ аж до дзеркального блиску. Після цього цей лист наклеєно клеєм №88 на відповідно вигнутий лист пластику. В результаті одержано міцний і стійкий до зовнішніх впливів, і, найголовніше, цілком працездатний сонячний мангал. Усі виявлені подряпини і плями дуже легко і швидко можна заполірувати до дзеркального блиску.

            mangal-6 mangal-4  mangal-2  mangal-1  mangal-3

Робоча гіпотеза підтвердилася повністю. Одержано достатньо дешеву, просту в експлуатації та не громіздку «сонячну кухню» як для  закладів громадського харчування, так і для особистого користування, що відзначається належним естетичним виглядом,  оригінальністю та особливим шармом, наприклад, у заміських будинках і на дачах.  Конструкція легко розгортається у робочий стан при наявності Сонця на небосхилі.

Проект “Пристрій для впровадження роздільного збирання сміття   © Бабій Вадим (10 клас), 2016 р.

Високий  рівень, комфортні умови  життя та інші блага цивілізації мають дуже високу ціну, яку ще не усвідомлює людство. Адже інша, не парадна сторона медалі за науково-технічний прогрес проглядається у набагато темніших барвах: повсюдне забруднення землі і води непотребом після спожитих тих самих цивілізаційних благ; численні захворювання, у тому числі й невідомі раніш; потужні стреси вже у дитячому віці; мутації організмів; техногенні катастрофи тощо.

Особливо гострими є ці проблеми у містах, де переважно зосереджується усе зростаюче населення Землі. Сьогодні вже не спрацьовують старі підходи і санітарно-технічні норми у мегаполісах. У складі сміття суттєво зростає частка небезпечних відходів, причому досить широкої гами і палітри. Стає звичним, що при збиранні та транспортуванні побутового сміття в одному контейнері можуть опинитися хімічні речовини, здатні вступити у небезпечні хімічні реакції.  Скажімо, залишки розчинника для фарби можуть розчинити зовнішній корпус акумуляторної батареї і тим самим поширити  вихід солей важких металів  на весь об’єм  контейнера з побутовими відходами. Тому важливим завданням комунальних служб є організація роздільного збирання і наступної роздільної переробки сміття. Лише тоді з’являться реальні шанси суттєво механізувати та автоматизувати процеси утилізації побутових відходів.

                      vidro-1  vidro-2  vidro-4  vidro-5  vidro-3

Можна відправляти сміття без агресивних включень безпосередньо в топку електростанції,  як це роблять, наприклад, у Швеції. Але такий підхід потребує  чіткого і дуже відповідального ставлення до  самого процесу розділення сміття на відповідні категорії ще на стадії його збирання. Якщо у контейнер, скажімо, з дерев’яною  стружкою потраплять обрізки поліхлорвінілової ізоляції з електричного кабеля, то навряд чи якийсь пристрій буде здатний його знайти і  вилучити. А у процесі такого спільного спалювання з димоходу печі в атмосферу будуть такі самі газові сполуки, що застосовувалися при газових атаках часів Першої світової війни.

Власне, організувати чітку переробку побутових відходів вдалося лише тим країнам, що спроможні вкласти у цей процес величезні гроші. Наприклад, в японських містах, що  прикладом для багатьох країн світу за рівнем організації та розвитку міського господарства,   середньостатистичний домовласник платить за утилізацію кожного кілограму сміття близько 10-15 ієн.  В наших реаліях це означає, що  місто, яке бажає  налагодити роздільне збирання і переробку побутового  сміття, повинно подвоїти, а то й потроїти свій міський бюджет,  причому основна частка його витрачатиметься виключно на вивезення і переробку цих відходів.  Зрозуміло, що в наших умовах це виглядає фантастичним.

Тому було поставлено завдання розробити методику більш плавного переходу від загального до роздільного збирання побутового сміття, з урахуванням того, що у цих відходах усе більшою стає частка  пластику, і полегшує далеко непоодинокі підпали сміттєзвалищ,  які усе важче і важче  погасити. Через слабкість нашої економіки і фінансів на даному етапі можна сподіватися хоча на роздільне збирання побутового сміття не те, що по шести категоріях як у розвинених країнах світу, а хоча би по двох його групах. Контейнери у наших містах з написами: «Скло», «Пластик», Картон», «Харчові відходи» – не запорука того, що відходи будуть вивезені  та утилізовані дійсно окремо, хоча б тому, в Україні обмаль сміттєспалювальних заводів.

Тому при роботі над проектом було вирішено на початковій стадії  розпочати збір сміття за двома категоріями: «побутове сміття» та «хімічно агресивне сміття». Якщо надалі відходи вивозитимуть на полігони, то хоча б зсипатимуть на двох різних ділянках, де «агресивне» сміття  перебуватиме під більш жорстким котролем. Враховуючи, що його частка у загальній масі відходів, за різними дослідженнями, не перевищує 3-5%, забезпечити на звалищі зону підвищеного контролю розміром в 1/20 від площі всього полігону є цілком реально. При дослідженні проблеми виникло й інше питання: як організувати роздільний збір сміття безпосередньо вдома. Адже, стандартні кухонні меблі і гарнітури  пристосовані для розміщення у тумбах лише одного відра для сміття. Сучасні системи з 4-ма контейнерами для різних видів побутових відходів не лише є надто дорогими, вони геометрично просто не впишуться в наші кухонні приміщення. Тому було вирішено вдосконалити існуюче відро як контейнер для сміття, зокрема, розроблено конструкцію перегородки, що дозволяє вставляти у відро два окремі пакети і   надійно їх фіксувати додатковим стопором з вказівником, у який відсік що потрібно скидати.

                 vidro-10  vidro-6  vidro-7  vidro-8  vidro-9

Остаточна конструкція відра, що була випробувана на практиці, виявилася достатньо ефективною і зручною в користуванні. Пристрій можна впроваджувати у масове виробництво і використання. Він відповідає цілям  спрощення поступового переходу до роздільного збору сміття.

Проект “Вікно підвищеної світлопровідності”   © Сітенко Владислав (10 клас), 2013 р.

Актуальність темиСпецифіка наших будівель така, що навіть тоді, коли сонце ще знаходиться на небосхилі, його світло проникає не у всі кімнати, і це вимагає  ввімкнення джерел штучного світла. З часів, коли дзеркала подешевшали за рахунок масового виробництва, люди намагаються використати їх для переспрямування сонячного світла у потрібні місця. У світі практикується монтаж у новобудовах світлопровідних дзеркальних шахт для переспрямування природного світла у внутрішні приміщення. Не може бути прийнятним встановлення дзеркал на фасадах будівель, оскільки це псуватиме їхній архітектурний вигляд,

Було поставлено завдання розробити вікно з рухомими дзеркальними елементами, які у потрібний час відкривались би для переспрямування в приміщення того світла, що зазвичай потрапляє на стіни. Ці дзеркальні елементи повинні належно вписуватися у вікно без спотворення архітектурно-естетичного вигляду фасадів. Мета проекту – розробка простої і рентабельної конструкції вікна, що вписувалась би в наявну архітектуру, і  в той же час містила б у собі дзеркальні елементи, які при потребі розкривалися би   і перевідбивали б світло всередину приміщення.  Гіпотеза. Цілком реально зменшити споживання електроенергії на освітлення приміщень шляхом своєрідного продовження  світлового дня за рахунок висувних дзеркальних елементів на вікнах.

Матеріали та методи дослідженняРозроблено і виготовлено розрахунковий макет, на якому експериментально було визначено основні закономірності процесу. Світло Сонця імітувала лазерна указка, а паралельність сонячних променів імітувалася рухом цієї ж лазерної указки, що закріплена на ковзній каретці. Спочатку визначалося, яка частка сонячного світла потрапляє у приміщення без дзеркального рефлектора, а потім встановлювалося, наскільки вона зросте при розкритті рефлектора. Змінюючи геометрію і кут розкриття рефлектора, встановлювалося оптимальне значення світла для положення Сонця на небосхилі з урахуванням  специфіки архітектури  і розташувань приміщень.

vikno-2   vikno-3   vikno-5   vikno-4

Натурні експерименти проводилися на вікнах будинків, на яких ставилися великі дзеркальні рефлектори. Для подолання можливих випадків тимчасового засліплення перехожих чи водіїв автомобілів, що рухаються  вулицею, сонячним зайчиком від неправильно розкритого колектору було  вирішено зробити дзеркало хвилястим. Таке дзеркало виявилося кращим від прямого і для приміщень, оскільки воно відбиває світло по всьому приміщенню, а не світить лише вузькою смужкою, як пряме дзеркало. Було також проведено дослідження по оптимізації механізму розкривання і фіксації рухомого дзеркального елементу вікна.

Аналіз результатів експериментівЕксперименти на демонстраційному макеті та на реальних вікнах показали, що рахунок таких рефлекторів фактично можна подовжити світловий день в приміщеннях на декілька годин. Рухомий дзеркальний елемент в складеному стані повністю входить в габарит вікна, а в розгорнутому вигляді не спотворює архітектурно-естетичний вигляд фасадів, що особливо важливо для історичної забудови. Вітростійкість конструкції досягається двома шляхами: виготовленням більш жорсткої конструкції підвісу або автоматичним згортанням висувного дзеркала при поривах вітру.

               vikno-6  vikno-7  vikno-8  vikno-9  vikno-10

ВисновкиВікно з висувними дзеркальними елементами дозволяє реально подовжити світловий день в приміщенні. Особливості конструкції такого вікна дозволяють його монтування у будь-якому будинку, в тому числі й в будівлях історично-архітектурної спадщини.  Крім економії електроенергії таке вікно також підвищує загальний комфорт у приміщенні від світла з природнім енергетичним спектром. Також було визначено, що оптимальним матеріалом рефлектора є листова нержавіюча сталь. Спеціально розробленим гофруванням та вигином можна забезпечити її більшу жорсткість і досягти оптимального розсіяння перевідбитого світла.

Шляхи подальшого розвитку дослідження. Потрібно додатково розробити програмовану автоматику для розкриття-закриття дзеркальних елементів згідно заданої програми. Перспективним вбачається використання напівпрозорих дзеркальних плівок, які в одному положенні захищатимуть приміщення від надмірного сонячного світла, а в іншому положенні виконуватимуть функцію дзеркала для перевідбивання у приміщення того світла, що зазвичай потрапляє на стіни. Заслуговують на увагу дослідження щодо можливості використання як рефлекторів тканин, покритих дзеркальною плівкою. Це дозволить згортати неробоче дзеркало взагалі в раму, що максимально задовільнить вимоги щодо історичної архітектури.

Проект «Економне і комфортне нічне освітлення службових приміщень»  © Пічний Ростислав (9 клас), Сеньковський Володимир (9 клас), 2013 р.

З настанням сутінок у  багатьох приміщеннях припиняється робота, персонал йде додому, але тим не менше залишається необхідність підтримувати певне освітлення приміщень, зокрема, у лікарнях, аварійних та чергових службах, на складах, транспортних боксах тощо. Відповідно виникає проблема з освітленням службових кімнат відпочинку, оскільки навіть слабке світло заважає засинати тим, хто вже відпочиває, в той же час для тих,  хто входить або виходить з службової кімнати, має бути хоч якесь світло, щоб вони не блукали в темряві.

Метою проекту стала розробка такого варіанту освітлювальних приладів, який би забезпечив необхідний мінімум освітлення службових чи житлових приміщень при  споживанні мінімальної електроенергії.  Наявна практика організації службового світла зазвичай передбачає хоча економне нічне, але все ж освітлення всього приміщення, тоді як для безпечного проходу по ньому достатньо освітлювати лише підлогу. Ще більше це потрібно для житлових приміщень, які взагалі не облаштовуються нічним освітленням.

Широкий асортимент на споживчому ринку різноманітних світлодіодів за потужністю, світловим ККД та розмірами дає можливість дешево з міркувань енергозатрат при експлуатації, надійно і комфортно використати ці оптичні елементи для ефективного нічного освітлення приміщень і  монтувати їх практично у будь-якому місці. Адже розміщення світлодіодів вздовж орієнтовного маршруту руху додатково економить електроенергію ще й тому, що освітлюється лише підлога приміщення.

Матеріали та методи дослідження. Для роботи над проектом було закуплено світлодіоди білого свічення  різної потужності, що були між собою спаяні довгими дротами в гірлянди, які прив’язувалися до рейок з заданим кроком між світлодіодами. Самі ж рейки на спеціальних опорах встановлювались на заданій висоті біля стін. Регульований блок живлення світлодіодів дозволяв в широких межах змінювати їх потужність. Крім того, кут нахилу світлодіодів відносно підлоги також був змінний. Змінюючи параметри кроку, висоти, кута і потужності можна досягти оптимального  освітлення. Для мінімізації суб’єктивного фактору фотографування приміщення здійснювалося цифровим дзеркальним фотоапаратом в режимі ручної та однієї для всіх експозиції.

               nich-osv-1  nich-osv-2  nich-osv-3  nich-osv-5  nich-osv-6

Аналіз результатів експериментів. Декілька серій проведених експериментів показали, що визначальним фактором у виборі варіантів нічного чергового освітлення є психологія людей, які користуватимуться ним з відповідним комфортом. На практиці доведеться розробляти декілька варіантів нічного освітлення, в залежності від вподобань споживачів, хоча це ускладнює об’єктивний аналіз, оскільки покази приладів перестають бути визначальними. Сконструйована установка наочно дозволяла обирати оптимальні параметри і підходи до вирішення проблеми. Для додаткового аналізу фотографій було залучено незалежних експертів. Було встановлено, що при боковому освітленні всі предмети, що лежать на підлозі, починають виглядати надзвичайно контрастно. Цей експериментально встановлений факт дозволив ще зменшити потужність достатнього нічного освітлення.

Висновки. Ідея виявилася вдалою і рентабельною. Цілком реально в рази зменшити споживання електроенергії на черговому чи нічному освітленні. Оскільки оцінка нічного освітлення ґрунтується не на приладах, а на суб’єктивних відчуттях людей, то, однозначно, потрібно провести великий комплекс досліджень  і з  отриманих матеріалів  вибрати кілька варіантів освітлення, які б задовольняли якнайбільший відсоток  людей. Також необхідно створити декілька демонстраційних коридорів з різними варіантами освітлення для того, щоб потенційний споживач буквально своїми очима побачив, про що взагалі йде мова. Як показали попередні експерименти, бажано  інтенсивніше і  можливо на більшу висоту освітлювати входи-виходи в приміщення.

Проект «Дзеркальний світлопровід як засіб формування ландшафтно-паркової архітектури»    © Шеремей Володимир (8 клас), 2014 р.

У більшості парків дерева, виростаючи і розростаючись,  надмірно затіняють землю, на якій вони ростуть. Внаслідок цього у локальних, найбільш затінених місцях насаджень зникає трав’яний покрив. Декорування різними засипками таких прогалин шкодить біоценозу, а строкатість поверхні ґрунту після проростання трави через декоративні засипки лише погіршує естетику парку.

Метою проекту стала розробка пристрою для  передачі сонячного світла з того місця, де його є надлишок, у ті місця, де його бракує. Гіпотеза дослідження ґрунтувалася на припущенні, що за допомогою сучасних матеріалів і технологій можна створити функціональну і водночас естетично привабливу  дзеркальну систему,  яка   гармонійно впишеться в наявну парково-ландшафтну архітектуру. Після опрацювання літератури, патентного пошуку, вивчення зарубіжного досвіду освітлення громадських об’єктів за допомогою дзеркал було вирішено реалізувати ідею світлопроводу як дзеркальної труби.

                          svitloprovid-1 svitloprovid-2 svitloprovid-3

Виготовлено та апробовано декілька макетів різних варіантів і типів світлопроводів. Наприклад, хоча тригранна конструкція легко вписується між кронами дерев, проте, наявність у цій оптичній системі гострих кутів спричиняють великі втрати світлової енергії. Крім цього, плоскі поверхні дзеркал тригранника відбивають сонячні промені, що може засліплювати учасників дорожнього руху в зоні парку. Обох цих недоліків не має світлопровід циліндричної чи еліптичної форми. Досліди на макетах показали, що навіть у найбільш затінений закуток парку можна подати достатню кількість світла без пошкодження дерев і порушення естетики парку.

Було виявлено, що хоча статичний циліндричний світлопровід  добре передавав світло вдень, однак зранку і ввечері через незначну кутову висоту Сонця над горизонтом у світлопровід потрапляло надто мало світла. Крім цього, світло додатково втрачалося на численних перевідбиваннях від не ідеальних дзеркал. За рахунок додавання додаткових рефлекторів та конічного світлоприймача передача світла була дещо поліпшена, хоча й не суттєво.

Тому було створено систему рухомих, керованих дзеркал, положення яких можна адаптивно налаштовувати відповідно до положення Сонця на небесній сфері. Єдине перевідбиття сонячних променів  від рухомого дзеркала дає набагато  менші втрати світла у порівнянні з  статичним світлопроводом. Принципово не суттєвим є час освітлення трави, а значно важливішою є  кількість світла, що потрапить на неї. Подальші дослідження стосувалися пошуку способів налаштування руху дзеркал для оптимізації кількості сонячного світла, яке повинні одержати конкретні фрагменти газону. Водночас вирішувалося завдання, як можна оперативно вносити корективи в алгоритм руху дзеркал залежно від ситуації,  що нереально було зробити на статичному світлопроводі.

                                        svitloprovid-4 svitloprovid-5

Виготовляти світлопровід доцільно з полірованого алюмінію. Тоді конструкція матиме достатньо дзеркальну поверхню і необхідну міцність, технологічно просто монтується на відносно недорогому сталевому каркасі. У належно збалансованому пристрої рух його елементів здійснюється з малою швидкістю, тому живлення механізму приводу дзеркала можна здійснювати від сонячної батареї. Рефлектор як достатньо функціональний пристрій, оригінально і  просто забезпечує освітлення найбільш затінених ділянок землі у парках природнім світлом.  Він недорогий у виготовленні, довговічний, не потребує затрат на технічне обслуговування.  Ця  екологічно безпечна та естетично приваблива конструкція добре вписується у ландшафт парку.

Проект «Мікродемпферний захист фасадів історично-архітектурної забудови міст» –   © Лагоцька Анастасія (10 клас), 2015 р. 

Проблема збереження фасадного покриття старих будинків є актуальною  для багатьох міст, зокрема, для Львова,  центральна частина якого належить до культурної спадщини ЮНЕСКО. Фасади історичної забудови здебільш оброблені піщаником, що розтріскується від перепадів температури і вологості, а також під дією різноманітних техногенних чинників. Поширені  сьогодні технології  реставрації є малопридатними для будівель, що мають архітектурно-історичну цінність, через можливі порушення фактури після ремонту.

 Сутність проблеми полягає у тому, що при виникненні мікротріщин у фасадах дощова вода поступово проникатиме через них всередину стін. По фасаду фактично стікатиме плівка води,  і цей процес триватиме доти,  поки йде дощ (рис.1).

    m-dempfer-1m-dempfer-2m-dempfer-3        

                                    Рис. 1                                                                   Рис.2                                                                   Рис.3

При висиханні ж стіни, наявна в ній волога може як дифундувати в сторону тріщини для того, щоби випаруватися назовні, так і дифундувати вглибину стіни (рис.2). Специфіку і складність  ситуації можна представити як дуже великий гістерезис різних та взаємопов’язаних процесів намокання і висихання стін. Тому покриття фасаду повинно мати якомога більше мікроканалів, через які вода зможе вільно випаровуватись із стіни. Якщо канали зсередини покрити шаром певного мікродемпферу, то при замерзанні в них води, кристалики льоду не створюватимуть критичних руйнівних напружень в матеріалі фасаду (рис.3).

За результатами дослідження найкращим мікродемпфером виявився бензиново-олійний розчин, яким оброблялися  плитки піщанику. Після випаровування бензину як леткого розчинника, олія залишиться в мікроканалах, не заважаючи процесу гідрообміну матеріалу і середовища. При замерзанні ж води у каналах, олія демпферуватиме  розширення кристаликів льоду, і вони не вже зможуть руйнувати покриття фасаду.

Добре зарекомендував себе і парафін з бензином.  В обох випадках частка розчинника добиралася експериментально. Найкращі результати були, коли його частка складала біля 80% від загальної ваги розчину.

З просочених таким чином плиток декілька днів природно випаровувався розчинник. Потім перевірявся камінь на здатність поглинати воду і приклеюватися до фасадів будівельними клеями.

Виявилося, що просочений олією піщаник має вищу міцність приклеювання, ніж піщаник з парафіном. Тому при використанні бензиново-парафінової суміші камінь треба спочатку монтувати на фасаді, а вже потім просочувати його.

Двотижневі випробовування плиток на морозостійкість у морозильній камері показали, що не просочені (контрольні) камені легко розламувалися в руках після відтаювання, просочені ж плитки зберігали свою міцність настільки, що їх не можна було розламати навіть легкими ударами. Розламування дослідних зразків у лещатах засвідчили, що мікродемпферні розчини проникали у піщаник рівномірно  і на достатню глибину.

Такий захист добре пропускає воду в обох напрямках і запобігає відколюванню  пластів  з фасадів при замерзанні  води в тріщинах позаду водонепроникного покриття фасаду, оскільки вода зможе зі стіни зможе випаруватись. При проміжному ж замерзанні кристалики льоду не створять критичних руйнівних напружень.

Ідея мікродемпферного зміцнення фасадів належно обґрунтована, експериментально  перевірена  і  вже була використана для декору в одному з кафе Львова. Методика дозволяє суттєво подовжити міжремонтні ресурси і відчутно зменшити експлуатаційні затрати на утримання будівель.

Проект «Фільтр для паркових озер»    © Козловський Павло-Вадим (9 клас), 2016 р.

Попри усю свою привабливість і красу водойми, що розташовані в міських  чи приміських  парках, мають дуже серйозний недолік. Вода у них позбавлена природної циркуляції, а тому застоюється. Поступово рукотворне озеро перетворюється на болото. Також певну проблему становлять  водоплавні птахи чи інша звірина, що заводиться на паркових озерах. Хоча вони суттєво покращують естетику паркового озера, роблять його більш природним, але в той же час ускладнюють роботу служб догляду щодо підтримки  чистоти і санітарії у парках.

Підказка від природи. Світовий океан все ще перебуває у відносно чистому стані тільки тому, що його вода кілька раз за рік проходить через  молюски-фільтратори. Тому виникла ідея створити мобільну автономну фільтрувальну установку, що являтиме собою плоский поплавець, який вільно плаватиме по поверхні озера. У надводній частині поплавця встановлюється сонячна батарея, електроенергія з якої приводить в рух водяну помпу. У підводній частині поплавця розташовано фільтр, через який помпа прокачуватиме воду. На вході фільтра ставиться поворотний патрубок, що регулює, з яких шарів, поверхневих чи глибинних, буде братися вода для фільтрації.

                                          filtr-dod-1  filtr-dod-2   filtr-dod-3

Багаторазовий фільтруючий картридж. Більшість наявних фільтрів  є малопридатними для фільтрування води у парках, оскільки ці прилади дуже швидко будуть замулюватися і тому потребуватимуть заміни. Тому було вирішено скористатися   розробленим з структурованого ПЕТ-пластику фільтром. Такий фільтр достатньо добре затримує озерний бруд. Крім цього, конструкція фільтра дозволяє регулярно і просто його промивати, а тому й використовувати  багато разів.

На першому етапі виготовлення фільтра пластикова пляшка розрізається на довгі тонкі смужки пластику. Потім частина нарізаних смужок  додатково  ріжеться на дрібні  фрагменти. Ці дрібні пластинки розпушуються у млинку для того, щоб сформувати  розвинену поверхню. Сам по собі розпушений пластик виявився здатним відфільтровувати крупні фракції забруднення.

                         filtr-dod-4  filtr-jpg-2  filtr-3  filtr-4

А для того, щоби фільтруючі елементи могли затримувати й дрібніші фракції бруду, було розроблено технологію виготовлення фільтруючих циліндрів шляхом пресування вихідних матеріалів. Для поліпшення фільтруючих властивостей  самих спресованих циліндрів до них додавалося активоване вугілля. А щоб активоване вугілля не вимивалось з фільтра, його вихід запаковано намоткою з пластикового волокна. Після серії проведених експериментів найбільш доцільною виявилася технологія монтування фільтруючого картриджа в корпус з-під ПЕТ-пляшки з наступною температурною усадкою зовнішньої оболонки.

                      filtr-5  filtr-6  filtr-dod-5  filtr-dod-6  filtr-7  filtr-dod-7 

Ідея використати в якості фільтруючих елементів фрагменти розпушеного пластику виявилася досить вдалою. Використані фільтруючі елементи можна легко знову перемолоти, промити і  повторно спресувати, замінивши активоване вугілля на свіже. Переваги розробки полягають у тому, що проект вирішує дві проблеми: утилізацію ПЕТ-пляшок, що повсюдно забруднюють довкілля,  а також очищення води.

Проект «Спосіб захисту міста від транспортного шуму»  © Топило Марта (9 клас), 2016 р.

 Сучасне місто асоціюється з потужними транспортними потоками. Хоча транспорт вкрай необхідний для забезпечення життєдіяльності міста, він також  є потужним джерелом різних забруднень,  зокрема, акустичного навантаження на людину і середовище. Постійний шум від міського транспорту негативно діє на психіку, спричиняє різні захворювання,  сильно скорочує радіус комфортного спілкування людей.

shum-1  shum-2  shum-3  shum-4

Для боротьби з транспортним шумом використовуються різні звукозахисні екрани, що розміщуються вздовж найбільш шумних автодоріг. Такі екрани дещо знижують рівень акустичного забруднення в прилеглих до доріг будинках. Але вони є не стільки звукопоглинальними, скільки  звуковідбивальними, тому відчуття людей на самих дорогах нагадують ефект проїзду крізь цех гігантського заводу.

Тому автомобілі змушені рухатись з щільно закритими вікнами, щоб шум, який багаторазово перевідбивається між акустичними екранами, не впливав на психічне здоров’я  водіїв та пасажирів. Підвищена втома водіїв  спричиняє  додаткове зростання аварійності на  магістралях. З позицій акустики доцільніше було б цей транспортний шум не відбивати, навіть у відносно безпечні сторони, а поглинати. Відомо, що дороги, які прокладені крізь ліс,  є досить комфортними за рівнем акустичного забруднення. Однак, у містах не реально висаджувати лісопосадки достатньої ширини вздовж кожної з перевантажених транспортом вулиць. Прикладом комбінованого звукопоглинання на основі поєднання звуковідбивальних та звукопоглинальних елементів є використання пишних штор і портьєр у театрах. Коли звукопоглинальну портьєру розмістити на певній віддалі від звуковідбивальної стіни, то вона гаситиме звук як мінімум двічі – як прямий, так і відбитий сигнали. Портьєра згідно з принципом Гюйгенса теж коливатиметься від  акустичних хвиль, а за рахунок того, що відбитий від стіни звук прийде назад на штору в іншій фазі, ніж прямий звук, то на самій шторі відбуватиметься їх взаємне інтерференційне поглинання. Цим, власне, і користуються архітектори та дизайнери театрів, розміщуючи в  одних місцях комплекти звукопоглинальних портьєр, а в інших залишають голі стіни, досягаючи таким чином належної акустики.

                         shum-5  shum-6  shum-7  shum-8

Але шосе – це не театр, у якому можна використовувати портьєри як звуковідбивні екрани, та ще й  постійно слідкувати за їх належним  станом.  Проте, й  для доріг своєрідні «портьєри» можна виростити. Якщо вздовж звуковідбивних екранів розмістити клумби, то кущі, що на них будуть рости, виконуватимуть роль звукопоглиначів. Єдиною проблемою тут буде лише те, що  звукопоглинальні екрани мають в висоту 3-4 а то і 5-6 метрів, а декоративні куші реально ростуть до 1-2 метрів, а то і менше. Потрібно врахувати й те, що  декоративні кущі, що ростуть вище двох метрів, як правило, в нижній своїй, прикореневій  частині  мають вільні від бокових гілок стовбури.

Однак, якщо звуковідбивні екрани виготовити як ступінчасті  клумби, або  зробити залізобетонний корпус клумби у вигляді правильної трапеції, перекинутої коротшою стороною  донизу, тоді, ставлячи одну таку клумбу на іншу,  можна набрати потрібну висоту такого акустичного екрану і одночасно  залишати  на бокових поверхнях трапецій щілини, що будуть достатніми для проростання  там декоративних кущів. Таким чином можна одержати ідеальний акустичний екран, що складається з  надійної звуковідбивної стіни з шаром звукопоглинального ґрунту між двома звуковідбивними залізобетонними стінками,  та двох зовнішніх  звукопоглинальних  «портьєр», які проростають від нижніх клумб до верхніх. Такі звукопоглинальні клумби можна буде монтувати в захисні акустичні стінки як в самих містах, так і поза їх межами, вздовж напружених транспортних магістралей.

              shum-9  shum-10  shum-11  shum-12

За рахунок того, що клумби складаються з окремих типових елементів, тим самим нагадуючи конструктор Лего, вони будуть легко монтуватися і ремонтуватися. Слід зауважити, що такі акустичні клумби будуть декоративно привабливими конструкціями та елементами флористичного оздоблення узбіччя. З сторони прилеглих до дороги будинків на них можна буде вирощувати кущі і квіти, які  є  прийнятні не тільки  для звукопоглинальних цілей,  але  й з естетичних міркувань.

Проект «Використання явища гідростатичного парадоксу для потреб поливу міських клумб і квітників»  © Петрань Віра (10 клас), 2016 р.

Системи міського водопостачання проектуються на основі єдиної водопровідної мережі з  високим ступенем очищення води, яку без потреби використовують і для технічних потреб. Повсюдно можна спостерігати явища поливання клумб і квітників добре відфільтрованою, питною, а часто й хлорованою водою, що спричиняє згубний вплив на декоративні насадження. Набагато кориснішою  і більш потрібною для нормального росту рослин є дощова вода.

g-paradoks-1  g-paradoks-2  Метою проекту є розробка способу акумуляції дощової води для подальшого поливу нею клумб і квітників у містах, що не лише забезпечить поливання насаджень природньою водою, але й зменшить навантаження на міський водопровід. Після вивчення структури та особливостей міських комунікацій і врахування непередбачуваності самих дощів виникла ідея розміщувати підземні резервуари дощової води під самими клумбами. Адже під клумбами і квітниками зазвичай не буває мереж, мінімальним є й поверхове навантаження на землю від міського  транспорту.  Відповідно не буде потреби в особливо міцних, а тому дорогих,  силових арках та балках для перекриття підземних ємкостей. Хоча дощову воду з резервуарів до клумб можна подавати електричними або ручними насосами,  цікавішою та оригінальною є ідея використати явище гідростатичного парадоксу для подачі води з дна резервуара на поверхню.

Практично біля кожної клумби у містах є будинки, з дахів яких можна брати дощову воду. Навіть з одноповерхового будинку, висота даху якого і відповідно водостоку буде на рівні 3-4-х метрів над рівнем землі. Якщо взяти гнучкий шланг і один його кінець підняти до рівня водозбору, а інший кінець приєднати до підземного еластичного резервуару, то вода, яка під час дощу потрапляє у шланг,  створить тиск  в межах 0.3-0.4 кг/см2, що  буде вищим, ніж тиск бетонного блоку над резервуаром. Вода без перешкод заповнюватиме   резервуар. Під дією надлишкового тиску у резервуарі вода витискатиметься вгору на задану  висоту. Вага бетонного блоку братиметься з таким розрахунком, щоб створюваний ним тиск на рівні клумби становив 0.1-0.2 кг/см2. Такий надлишок тиску дозволить   без проблем подати воду на клумбу і в той же час без особливих зусиль заповнювати водою і сам резервуар. Подача води у такий резервуар здійснюватиметься, як вже було зазначено,  за допомогою явища гідростатичного парадоксу.

g-paradoks-3  g-paradoks-4  Запропонована схема поливу без особливих затрат  може бути запроваджена  на практиці. Досліди на моделях показали її повну працездатність. Полив клумб дощовою водою не лише зменшить завантаження на водопровідні мережі, але й дозволить рослинам отримувати вологу у більш природних для них формах і хімічним складом.

Проект “Дитячий майданчик-балюстрада підвищеної безпеки”  – © Федевич Роман (8 клас), 2016 р.

Неначе у нинішній день дивилися 80 років тому І.Ільф і Є.Петров у романі «Золоте теля»: «Над вулицями, що їх створили пішоходи, взяли владу автомобілісти. Бруківки стали вдвоє ширші, тротуари звузились до розмірів тютюнової бандеролі. … Життя пішоходів у великих містах – це життя мучеників». У наш час, коли автомобіль став невід’ємним атрибутом життя людей, зручним і комфортним засобом пересування, особливо небезпечним він є для дітей, які через свою рухливість і нерозсудливість постійно ризикують потрапити під колеса машини на дорогах і вулицях. Але й двори будинків,  як  звичні місця дитячих розваг, також заповнені машинами тутешніх мешканців.

                                 majd-1  majd-2  majd-3

Мета роботи – розробка дитячого майданчика, який би забезпечував підвищену безпеку дітей, що перебуватимуть на ньому. Вимоги до майданчика:  модульність: закритий  периметр; можливість розташування над місцями паркування автомобілів чи навіть на даху будинку; захист дітей від дощу і вітру; виготовлення виключно з безпечних матеріалів; зручний доступ до нього для батьків з дитячими візочками; наявність засобів активної і пасивної безпеки.

Конструктивні рішення. В процесі реалізації проекту було розроблено та виготовлено макет майданчика, який  у реальних умовах являтиме металеву каркасну конструкцію, що обшивається  дерев’яними дошками. Висота дерев’яних стін складає 0,4-0,5 метра, щоби малим дітям було зручно спостерігати за довкіллям. Від верхнього зрізу дерев’яної стіни і догори монтуються ударостійкі пластикові панелі, але не до самого даху, тому що між панелями і дахом  повинні бути прорізи  у 0,2-0,3 метра для вільного проходу повітря. Прозорі панелі мають лише захищати майданчик від вітру. Над майданчиком є дах. 

           majd-4  majd-5  majd-6  majd-9  majd-11

Передбачено доступ до майданчика по похилих естакадах, щоб туди можна було б заїхати з дитячими візочками.  На майданчику також встановлюється штучне освітлення і відеоконтроль.  Такі майданчики-балюстради завдяки своїй модульності можуть бути вписані в будь-яку архітектуру сучасних і старих міст.

Проект “Гістерезисна  схема  транспортного  руху  в  містах” – © Венчковська Анастасія (8 клас), 2016 р.

Міста, що збудовані у минулі століття сьогодні вже не витримують сучасних транспортних  потоків. Та навіть у нових кварталах сучасних міст, що спроектовані з транспортними розв’язками, також стали звичними багатогодинні ледь рухомі каравани автомобілів, працюючі двигуни яких продукують нестерпний для довкілля смог.  Громадський транспорт не тільки не вирішує проблеми, а лише затягує цю агонію на дорогах. Виключення становить лише метрополітен, але його можуть дозволити собі лише дуже великі міста. Маємо своєрідний транспортний парадокс: при більшій дистанції між автомобілями підвищується безпека, але зменшується пропускна спроможність автостради. Загальна інтенсивність руху не зросте і при зменшення відстані між машинами у потоці, оскільки часті зіткнення автомобілів можуть взагалі паралізувати рух.

У наш час фактично єдиним способом вирішення транспортної проблеми є побудова естакад. Однак естакадам притаманні певні недоліки: висока собівартість спорудження, складність монтажу, особливо у містах старої архітектури. 

                                     estak-3  estak-4  estak-5

Пропонуючи в якості робочої гіпотези проекту ідею спорудження односторонньої гістерезисної естакади для вирішення проблеми транспортного колапсу у великих містах, ми виходили з того, що в інтенсивних транспортних потоках є чимало автомобілів, яким потрібно покинути центр міста, наприклад, до місць проживання людей у приміській чи заміській зонах.  Це можуть бути також й транзитні перевезення вантажів, заїзди у промислові зони,  що зазвичай розташовані по периферії міста. В усіх цих випадках автомобілі звільняють своє місце для більш комфортного руху інших машин. Для того, щоби звільнити це місце, вони повинні разом з усіма учасниками дорожнього руху довго очікувати на світлофорах і інших транспортних розв’язках.

 estak-2       estak-1   

За наявності  односторонньої естакади між центральними вулицями міста і його околицями багато автомобілів швидше покидатимуть місто і таким чином більш оперативно звільнятимуть місце для руху міського транспорту. Головною перевагою  гістерезисної естакади є те, що вона може мати навіть одну смугу руху, що дозволить її належно вписатися у наявну архітектуру практично будь-якого міста. Вона просто проходитиме над основним транспортним потоком на висоті тролейбусних електропроводів,  не особливо затіняючи  вулицю через свою малу ширину. І шуму ця естакада створюватиме менше, ніж основна магістраль, тому що автомобілі на ній надмірно не будуть гальмувати чи розганятися як на перехрестях. В районах широких магістралей гістерезисні магістралі можуть бути і з двома-трьома смугами руху.

В процесі роботи над проектом було створено декілька макетів міста з  гістерезисними естакадами, де чітко видно, що ідея гістерезисних транспортних потоків можна відносно легко реалізувати у будь-яких містах, у тому числі у великих населених пунктах з старою архітектурою.  Гіпотеза підтвердилась. Спорудження мережі естакад з одностороннім рухом від центра міста до його околиць надасть змогу багатьом автомобілям швидко залишати перевантажений центр міста  і таким чином   звільнити достатньо  місця  для руху міського транспорту.

Проект “Оригінальний спосіб паркування автомобілів на газонних ділянках” – © Коцан Христина (8 клас), 2016 р.

 Усі міста світу мають спільну проблему – надзвичайне транспортне перевантаження. Двори багатоквартирних будинків також не розраховані на те, що в кожній квартирі проживатиме власник персонального автомобіля. З телеекранів часто можна бачити  фотографії  з паркуванням автомобілів просто на клумбах та газонах. Ніхто не виправдовує таких безвідповідальних водіїв, але не можна ігнорувати й того, що у власників машин  просто не буває іншого вибору, і не лише в екстремальних ситуаціях.

                                               avtost-1   avtost-2   avtost-3

Мета проекту полягала у розробці екологічно ощадного способу паркування автомобілів у містах. Вирішення цього завдання дозволить зробити такі прибудинкові  автостоянки доцільно та економно облаштованими, естетично привабливими і, найголовніше, екологічно ощадними до наявних зелених насаджень, і тим самим відвернути реальну загрозу неконтрольованого перетворення сучасного міста у кам’яні джунглі. 

Пропонується облаштовувати на газонах   вузькі бетоновані доріжки для заїзду і тим самим  знівелювати  традиційно стійке «протистояння»  автотранспорту з зеленими насадженнями.  Проведені спостереження за станом руху та паркування легкових автомобілів у декількох десятках дворів засвідчили, що в середньому біля багатоквартирного будинку протягом дня припарковано не більше 15-25% автомобілів від загальної кількості машин, що належать мешканцям будинку. Переважна ж більшість водіїв щоранку від’їжджає на роботу і повертається ввечері, тобто їх автомобілі лише «ночують» у дворах. Таке скупчення транспорту на ніч фактично свідомо спонукає окремих, здебільш запізнілих водіїв шукати вільного місця з вимушеним заїздом на клумбу чи газон. 

Після вивчення основних геометричних показників сучасних легкових автомобілів було створено серію макетів різних кварталів міста на яких було відпрацьовано основні елементи клумби-парковки. На таких бетонних доріжках з невеличкими боковими виступами без проблем зможуть паркуватися навіть водії-початківці. В процесі спостережень над автомобілями у дворах було встановлено, що трава на таких клумбах проростатиме як й на інших ділянках, оскільки під час сонячного дня автомобілі в основній своїй масі будуть  поза межами двора. Експерименти на макетах показали, що ідея «примирення» автомобілів і зелених насаджень є цілком продуктивною, естетичною та придатною до реалізації в будь-якому сучасному місті. Для того, щоб автомобіль не заїхав надто далеко, в кінці бетонних полос облаштовані невеличкі бруствери, які зафіксують автомобіль в крайньому положенні.

               avtost-4  avtost-5  avtost-6  avtost-7  avtost-8  avtost-0

Висновки. Запропоноване  зонування площ зелених насаджень у дворах  багатоповерхівок не тільки не спотворює загальний вигляд цих територій, але й виглядає естетично привабливішим і санітарно безпечнішим, ніж повсюдно поширені картини глибоких колій, виритих колесами машин у дворах та повсюдно розбризканого по тротуарах  ґрунту. Такі ландшафтно-ергономічні майданчики у дворах міської забудови, що не надто завантажені вдень автомобілями, є досить привабливими та екологічно доцільними,  вночі перетворюються у цивілізовану автомобільну парковку.

II. Пристрої, технології

Проект «Інструмент для викошування борщівника»   – © Петрух Марія-Анастасія (9 клас), 2015 р.

Екологічно тривожною в Україні стає проблема заростання полів, берегів річок та озер завезеним з Кавказу борщівником Сосновського, який, не маючи у нас природніх ворогів та виділяючи  вкрай небезпечний для людського здоров’я сік, буквально заполоняє всі необроблювані ділянки землі. Звідки  поширюється він і на культурні посіви. 

Винайдені способи боротьби з ним  до певної міри придатні  для використання   на  полях. Береги ж струмків, річок, озер зазвичай мають складний рельєф, що унеможливлює використання поширених методів і засобів малої механізації.  Робота ж косами, серпами, заступами містить в собі загрозу контакту падаючого стовбура борщовика  з людиною, що  його викошує. А використання гербіцидів на берегах водойм є просто неприйнятним через загрозу потрапляння їх в воду.

                            rizak-1  rizak-2  rizak-3  rizak-4  

Завданням проекту була розробка простого знаряддя для легкого та ефективного викошування борщівника Сосновського у важкодоступних місцях, у тому числі й на берегах водойм.  Головною проблемою при викошуванні  бур’яну  є  загроза його контакту з шкірою людини,  що, власне, й стримує належну боротьбу з борщівником. Тому держак інструменту було вирішено зробити значно довшим за стовбур  рослини. 

                                rizak-8      rizak-11   rizak-5  

                                       Рис 1. Утворення зони безпеки за рахунок довгої ручки

Необхідність довгого держака потребувала розробки й нестандартного ріжучого елемента, який після серії експериментів  набув форми зворотного клину.  Проте, при скошуванні задерев’янілих стовбурів іноді інструмент ламався в місці кріплення різака до ручки, тому що  бісектриса зворотного клину різака була паралельна осі держака, а сам різак фактично кріпився до нього збоку. Відповідно при зрізанні товстих стовбурів виникав суттєвий згинаючий момент, який міг переламати держак в місці, послабленому отвором для болта. Тому у подальшому різак набув форми відведеного клину, який зберігає потрібну ширину захвату, але в процесі різання самоцентрується так, що  вісь держака спрямована на стовбур бур’яну, і в місці кріплення  різака практично відсутні згинаючі моменти.

                rizak-6    rizak-13       rizak-10

                                Рис 2. Різак в формі зворотного клину                                                                                      Рис 3. Різак в формі відведеного зворотного клину

Різак добре самоцентрується на стовбурах бур’янів навіть з довгим держаком і легко підрізає найвищі стовбури без загрози контакту рослини з людиною, за рахунок  скісних ріжучих елементів, оптимальний кут нахилу яких  було підібрано експериментально. Для забезпечення можливості викошування товстих стовбурів борщівника  та підвищення безпеки у роботі,  держак було обладнано додатковою поперечиною. Перед початком роботи держак просочувався концентрованим миючим засобом, який заповнює  усі мікропори, блокуючи можливість потрапляння через нього на шкіру отруйного соку.

                                  rizak-7  rizak-9  rizak-15 rizak-12

Було виготовлено декілька варіантів інструменту, що були практично перевірені в польових умовах. Проект виявився вдалим і цілком придатним для  реалізації. Інструмент простий у виготовленні, зручний у роботі, відзначається високими експлуатаційними характеристиками. За допомогою висікача можна легко викошувати будь-які бур’яни в недоступних для звичайного інструменту місцях, особливо на берегах водойм, що виділяються своїм складним рельєфом.

Проект «Система підвісу медичних ношів»   – © Лівочка Анастасія (10 клас), 2015 р.

 

Проект «Промисловий автомат для розколювання горіхів, без пошкодження ядра плодів»   – © Лагоцька Анастасія (10 клас), 2015 р.

Проект «Високорентабельне синтезоване дзеркало для сонячної енергетики»  – © Подибайло Мирослава (11 клас), 2016 р.  

Для того, щоб сфокусувати сонячні промені у малу високоенергетичну пляму, зазвичай використовують сферичні або параболічні дзеркала, в зв’язку з чим гостро постає питання рентабельності процесу виробництва через великі затрати на виготовлення таких систем. Між тим, промисловість сьогодні здатна продукувати доволі дешеві листові дзеркальні матеріали, з яких можна відносно просто робити циліндричні дзеркала. Однак циліндричне дзеркало фокусує сонячні промені не в маленьку пляму, а в протяжну лінію, чого в принципі досить для нагрівання води, але не достатньо для потреб теплових машин.

У сонячній енергетиці потрібно концентрувати лише потоки фотонів, відповідно й вимоги до таких дзеркал є набагато нижчими, ніж до параболоїдів для оптики чи радіолокації. Тому цілком можливо обійтися дзеркалами, синтезованими з окремих фрагментів, що власне й використовується на усіх великих станціях сонячної енергетики.

Гіпотеза дослідження базувалась на припущенні, що можна з достатньою для потреб енергетики точністю сконцентрувати потік сонячного випромінювання за допомогою двох ортогональних циліндричних дзеркал.  Конструктивно це можна реалізувати таким чином, коли одне дзеркало буде збирати випромінювання у «світловий клин», а впоперек до нього стоятиме друге дзеркало з ортогональною віссю і фокусною відстанню, приблизно в два рази меншою.

Хоча циліндричне дзеркало фокусує сонячні промені гірше, ніж параболічне, все ж не слід забувати, що Сонце не є ідеальним точковим джерелом світла. Воно має кутовий розмір у ½ градуса, тому ідеальне його фокусування в точку не є реальним взагалі, а для технічних потреб цілком достатньо апроксимації параболи дугою кола.

                             s-dzerk-1  s-dzerk-2  s-dzerk-3

Вибір саме циліндричної форми зумовлений ше й тим, що його профіль легко вирізається за допомогою розкрійного циркуля, а сама дзеркальна поверхня легко формується із звичайного листа полірованого листового алюмінію.

Для експериментів було виготовлено декілька комплектів синтезованих дзеркал.

Оскільки в якості покриття використовувалась дзеркальна плівка з неідеальною оптичною індикатрисою, світлова пляма була трохи більш розмитою порівняно з розрахунками. Але й така розмита пляма миттєво запалювала папір та швидко доводила деревину до піролізу.

Гіпотеза повністю підтвердилася. За допомогою двох ортогональних циліндричних дзеркал можна сконцентрувати потік сонячної енергії в десять тисяч разів. Самі ж дзеркала легко виготовляються в умовах домашньої майстерні.

Проект «Помпа для стоків з твердими включеннями» © Сумало Марта(11 клас), 2016 р.  

При перекачування рідин з включенням твердих частинок ресурс роботи практично усіх насосів і помп падає до катастрофічно низького рівня.  Робочий елемент насоса є  своєрідним аналогом крила, а точніше плавника риби, який рухається у воді, будучи нахиленим по відношенню до напрямку руху.  Завдяки цим  нахилам створюється зусилля, яке штовхає воду. Робоче ж колесо насоса є не чим іншим, як системою таких «плавників».

 Власне, різні геометричні розміри  цих елементів робочого колеса та швидкість їх обертання і задають параметри продуктивності насоса та створюваний ним тиск.  Незалежно від того, як  геометрично сформовані робочі колеса, скільки вони мають робочих лопаток, і під якими кутами  вони розміщені, при наявності у воді  чи в іншій рідині   забруднення  передні кромки лопаток періодично вдаряються  об тверді включення.

Оскільки для створення тиску в системі робочі лопатки повинні рухатись значно швидше, ніж потік, який вони перекачують, такі зіткнення з часом призводять до серйозного зношування і навіть поламок  робочого колеса насоса.

Виготовлення робочих коліс з твердосплавних матеріалів лише відтягує час їх поламки, оскільки удари лопаток об тверді включення відбуваються у воді, яка практично не стискається, а тому тільки підсилює руйнівний ефект від таких зіткнень. Крім цього, робочі колеса з твердих сплавів є надзвичайно дорогими у виготовленні.

Усіх цих недоліків позбавлена винайдена свого часу Ніколою Тесла турбіна, що являє собою пакет дисків, які обертаються  у циліндричній камері з вхідним і вихідним патрубками. Особливістю винаходу є те, рух води у камері забезпечується не створенням реактивної сили на лопатці турбіни, а силами поверхневого натягу. Однак ця турбіна не може створити високий тиск за рахунок лише поверхневих сил, і в цьому полягає її основний недолік.

                                     tesla-1 tesla-2 tesla-3

Домогтися підвищення сумарного тиску на виході шляхом  послідовного об’єднання декількох турбін, як це, наприклад, здійснюється у вхідних контурах  авіаційних реактивних двигунів, для турбіни Тесла є неприйнятним, оскільки тоді її конструкція  стане  надто складною.

Тому виникла ідея  в декілька разів збільшити кількість дисків в турбіні Тесла, а відносно вузьку робочу камеру розмістити у вигляді кількох витків спіралі поверх дисків. На нашу думку,  така конструкція дозволяє зберегти загальний динамічний баланс турбіни, оскільки всі диски стоять симетрично на одній осі і  балансуються як єдине ціле.

Хоча на витку спіралі й будуть певні втрати тиску, але через відносний нахил руху поверхонь дисків і потоку рідини, загальний тиск поступово зросте в декілька разів  порівняно з класичною турбіною Тесла. Наявні у потоку рідини тверді включення зможуть лише по дотичній зіткнутися з дисками чи стінками, не завдавши їм шкоди. Абразивне зношування у цьому випадку, звісно, матиме місце, але воно буде на порядки меншим, ніж при ударному викришуванні.

Експерименти з виготовленою діючою моделлю модифікованої турбіни Тесла повністю підтвердили робочу гіпотезу проекту. Запропонована конструкція може успішно використовуватись для перекачування промислових, каналізаційних та інших стоків.

Проект “Імпульсний сантехнічний модуль для очищення каналізаційних колекторів  – © Подкопаєва Єлизавета (11 клас), 2016 р. 

                                                       

 

Проект “Модульна стерильна теплоізоляція” –   © Іващишин Ярина (8 клас), 2016 р. 

 Коли людина постійно переходить з зони перегрівання у зону  переохолодження, то це не лише не сприятиме якісній роботі, а навіть може стати  причиною багатьох захворювань.

В  деяких цехах підприємств харчової промисловості  досить складно забезпечити надійну теплоізоляцію мереж, оскільки практично всі теплоізоляційні матеріали є пористими, а тому мають  здатність вбирати в себе різні хімічні та біологічні матеріали, що неприпустимо з точки зору стерильності виробництва харчових продуктів. відповідно для належної стерильності практикується встановлення поверх шару утеплення додаткових ущільнюючих кожухів з нержавіючої сталі. Звісно, що такі продуктопроводи потребують регулярного обслуговування, а також постійного монтажу/демонтажу теплоізоляції, наприклад, при використанні стандартних утеплювачів практично щомісячної їх заміни.

                    t-iz-1  t-iz-2 t-iz-3

В якості робочої гіпотези дослідження стало припущення, що заміна пористих утеплювачів на шар повітря без конвективних потоків дозволить одержати не менший за ефективністю захист, але з можливістю надійної стерилізації продуктопроводів. За основу ж ідеї проекту було взято принцип роботи звичайного склопакета, товщини  повітряного зазору від 6 до 25 міліметрів у якому є достатньо для запобігання формуванню  небажаних турбулентних потоків і тим самим забезпечення   належної  теплоізоляції, навіть при тому, що самі стінки мають  високу власну теплопровідність. За цією аналогією було вирішено створити теплозахисний елемент з окремих простих елементів, що одягаються на трубопровід чи вентиль, і формують собою екрани з повітряним зазором.

    t-iz-4 t-iz-5 t-iz-6 t-iz-8

Конструктивно нижній короб дотикається до трубопроводу або вентиля лише в декількох місцях, тому практично вся теплопередача відбувається за рахунок слабкої теплопровідності повітря. Радіаційне ж випромінювання відбивається полірованою поверхнею нержавіючої сталі.

Під час сервісного обслуговування обладнання перевірка здійснюється безпосередньо розробниками теплоізоляції. В робочому режимі перевірка періодично проводиться окремо проінструктованими працівниками підприємства, які мають допуск до роботи у стерильній зоні виробництва. Заміри показали, що при температурі стінки паропроводу в 160оС, температура циліндричного короба, яким він оточений, не перевищує 35-40оС.

Висновки. Гіпотеза підтвердилася повністю. Загальний рівень теплового випромінювання зменшується в 3-4 рази, а рівень конвективного нагріву в 2-3 рази, що суттєво піднімає рівень комфортності для виробничого персоналу. Додатковим ефектом від запропонованої теплоізоляції є зменшення витрат тепла на 3-7%  (за даними конкретного цеху). у подальшій роботі над проектом потрібно розробити систему вкладених коробів з  каліброваним повітряним зазором та мінімально необхідним  контактом між   усіма металевими деталями, для запірної арматури, що монтується у мережі за допомогою фланців з  розвиненою боковою поверхнею.

5. Проект «Мультиканальна сушарка біомаси викидами низькопотенційного тепла»   © Котюк Володимир (10 клас), 2016 р.

На багатьох підприємствах викидають у довкілля величезні кількості водяної пари, енергія якої не використовується через її низький термодинамічний потенціал. В той же час на тих самих підприємствах  є потреба висушувати великі обсяги різних видів біомаси у процесі її виготовлення чи утилізації, що потребує значних затрат теплової енергії. 

Усі наявні сушарки виготовляються з так званим запасом через неможливість їх точного моделювання процесів, що відбуваються в них, відповідно й складності інженерних розрахунків. Тому конструкції є надто громіздкими,  з так званим «запасом».

При використанні для сушіння високопотенційного тепла, наприклад, енергії спалювання самої біомаси, надлишковість установок не надто впливає на економічні показники сушарки. Але ж, коли потрібно використати низькопотенційне тепло промислових викидів, то вищезгаданий «запас» втрачає будь-який сенс, оскільки розміри сушарки збільшуються у десятки разів і сам процес стає економічно нерентабельним.

Для забезпечення можливості сушіння біомаси викидами низькопотенційних теплоносіїв нами була розроблена  мультиканальна сушарка, що являє собою пакет тонкостінних труб, які ззовні обігріваються теплоносієм, а всередині них просувається біомаса.

Оскільки труб у сушарці є багато, то достатня жорсткість конструкції належно забезпечується  навіть тонкостінними трубками, що суттєво зменшить загальну металоємкість і  відповідно ціну  конструкції.

                   sush-3    sush-4

Головною перевагою розробки є те, що  можна взяти лише одну із труб і безпосередньо на території замовника змоделювати у ній процеси сушіння,   взявши, наприклад, потоки в 1% сировини і 1% теплоносія. На основі експериментального визначення параметрів сушіння конкретної біомаси у конкретних умовах легко вираховується необхідна кількість сушильних труб в майбутньому їх пакеті, без перевитрат металу на виготовлення сушарки.

Іншим вагомим аргументом на користь пропонованої конструкції є її розбірність та можливість використовувати у роботі навіть викиди забрудненого пилом теплого повітря, звичайно ж, за умов її регулярного чищення.  

       sush-2  sush-1  sush-5

На Україні  багато фірм намагаються пристосувати існуючі сушарки до своїх потреб,  що завжди призводить до величезних перевитрат енергії і матеріалів і тому часто  закінчується відмовою від самої ідеї сушити біомасу паразитними викидами власного тепла. Тому цей проект практично не має конкурентів попри те, що декілька теоретичних розробок є в Італії та Німеччині, але ці проекти мають  настільки великі ціни, що навіть гіпотетично не можна говорити про рентабельність. 

6. Проект “Вітроенергетична  установка для захисту  водойм від гіпоксії”     © Назарчук Марія (10 клас), 2016 р.

В Україні багато малих водойм, що могли б мати суттєве економічне значення  як ставки чи ферми по розведенню риби, поступово заростають рослинністю і внаслідок поганого насичення киснем перетворюються у болота. Відтак вода поступово отруюється недоокисленими продуктами життєдіяльності водних організмів і стає некомфортним середовищем для перебування у них цінних порід риб та їх кормової бази.

Причиною такого явища є відсутність вертикальних течій по перенесенню насичених киснем поверхневих шарів води в глибину водойми, а природна дифузія кисню відбувається дуже повільно.Тому було вирішено розробити пристрій для створення циркуляції води у водоймах  без використання зовнішніх джерел енергії, який був би простим і дешевим у виготовленні. 

Додатково було поставлено також завдання, щоби пристрій водночас викошував на поверхні водойми надлишкову рослинність, що створює додаткові перешкоди для водної циркуляції. Таким чином, метою проекту стала розробка автономної вітроенергетичної установки для  захисту малих водойм від гіпоксії.

Робоча гіпотеза будувалася на припущенні, що цілком реально можна створити пристрій, який функціонально складатиметься з двох з’єднаних між собою елементів – турбіни, що приводиться в дію силою вітру, та шнекового приводу, який створюватиме циркуляцію води і водночас викошуватиме надлишкову рослинність на поверхні водойми.

За основу було взято ідею виготовити монолітну турбіну, верхній кінець якої був би вітровим і обертався б під дією вітру, а нижній її кінець вільно плавав би у воді, створюючи вертикальну циркуляцію води при обертанні турбіни.

Спочатку було розроблено і випробувано на одному з озер Львівщини установку з похилим  ротором, але від неї згодом довелося відмовитись, через критичну залежність її орієнтації від швидкості вітру. Тому було вирішено виготовити пристрій на основі високого циліндра, що вертикально плаває у воді. На боковій поверхні циліндра змонтовано плоску спіраль Архімеда (шнек), що одночасно виконує дві функції: забезпечення циркуляції води знизу вгору або згори вниз, в залежності від намотки шнека; викошування боковою гранню рослинності, що проростає в зоні плавання турбіни.

Після теоретичного дослідження, розрахунків і натурного моделювання розроблено практичну конструкцію автономної вітроенергетичної установки для захисту водойм від гіпоксії. Діючу установку, виготовлення якої завершується, невдовзі буде випробувано в одному з рибних господарств Львівщини. Оскільки всі елементи установки виготовляються  з вживаних  матеріалів, то це дещо затягує час її виготовлення, але суттєво зменшує загальну собівартість.

Висновки. Результати натурних експериментів на озерах Львівщини підтвердили ефективність схеми та конструкції. За відсутності рухомих і регульованих елементів установка є максимально надійною і не потребує обслуговування в процесі експлуатації. Вдалою є ідея використати Архімедів шнек відразу для виконання двох функцій: його бокових поверхонь як водяної помпи, а бокової грані – в якості косарки для надлишкової рослинності.Пристрій екологічно безпечний і може бути виготовлений з старих бочок та інших вживаних матеріалів.

 

III. Про глобальні проблеми

Проект «Регулювання  рівня  води  в  річках»  – © Крокіс Марія (11 клас), 2013 – 2016 рр.

Людство постійно бореться з повенями, споруджуючи різні захисні греблі, хоча такий захист має суттєві недоліки, головним з яких є те, що достатньо паводковій воді прорвати греблю хоча б в одному місці, як уся ця споруда стане показовим прикладом безцільних витрат величезних матеріально-технічних, фінансових і людських ресурсів.

Мета проекту полягала у розробці системи гідротехнічних споруд, що могла би підтримувати стабільний рівень води в річках, а при загрозі паводку превентивно та автоматично  скидати паводкові води ще до того, як вони катастрофічно затоплять суходіл. Ідеальним рішенням було би змонтувати континентальну систему підземних колекторів надвеликої пропускної здатності, через які надлишкова вода стікала б прямо в океан.

        krokis-1   krokis-2   krokis-3   krokis-4

Гіпотеза дослідження. Поглиблення русла наявних річок і облаштування їх керованими перекатами дозволить підтримувати заданий рівень води практично незалежно від кількості атмосферних опадів.

Конструктивне рішення. Побудова континентальної мережі підземних колекторів є надто затратним проектом, тому виникла ідея поглибити русла існуючих річок, а для того ж, щоб  при звичайних умовах рівень води не падав на дні поглибленої річки, монтувати  штучні перекати. При загрозі паводку, штучні перекати згортаються і русло зможе пропустити через себе усю паводкову воду. Потрібно зауважити, що поглиблювати потрібно не все русло, а лише його найбільш пологі ділянки, на яких невеликий підйом рівня води призводитиме до затоплення берегів.

                                krokis-5  krokis-6  krokis-7

Перекати можуть бути повністю автономними та саморегульованими, для чого розкладний перекат анкером кріпиться до материкових порід і він стримує придонний потік води, а його поплавок задаватиме рівень розкриття перекату. Як тільки рівень води почне підвищуватись, разом з ним підніметься поплавок, який через систему важелів згорне перекат. Зробивши зв’язок поплавка і важелів керування перекатом дистанційно керованим, можна керувати рівнем води у річці. Також слід зазначити, що перекати є гідротехнічними спорудами особливого типу, яким не потрібна герметичність. Вони є чимось на зразок «гальмівного парашута», який у нашому випадку стримує течію придонних шарів води.

                                      krokis-8  krokis-9

Екологічна нейтральність проекту. У світі накопичено великий досвід суттєвого поглиблення русел річок за рахунок облаштування у них руслових кар’єрів. В процесі впровадження таких технологій було встановлено, що якщо між  поглибленнями залищати невеличкі перемички, які стримуватимуть потік води, то рівень води в річці залишиться практично стабільним. Фактично пропоновані нами керовані перекати є аналогами перемичок між русловими кар’єрами, що дозволяють зберегти усі гідрологічні та екологічні параметри річки.

                                   krokis-10        krokis-11            krokis-12

Теоретичні засади. Повінь ніколи не розпочинається миттєво, паводок спочатку поступово наростає, а потім так само поступово спадає, а за рахунок нелінійних ефектів при русі води по руслу річки  паводок ніби «розмазується» і стає довшим за часом, але меншим за інтенсивністю. Відповідно до  формули Маннінга  V = (S/L)2/3 * I1/2 / N , при зменшенні ухилу дна у 2 рази, швидкість потоку зменшується приблизно в 1.4 рази. Це чітко ілюструє  той факт, що на рівнинних ділянках річка стає глибшою і ширшою, ніж на більш похилих ділянках, до того  чи після того. А так як у річки висота сухого берега є  практично всюди однакова, то достатньо буде поглибити лише найбільш пологі відрізки дна.

                                          krokis-13       krokis-14

Експериментальна перевірка. Було проведено ряд експериментів на діючих моделях  річок. Спочатку русло моделі річки мало два послідовні фрагменти:  звичайний і поглиблений з системою перекатів. З наростанням потоку вода починає виходити з берегів, затоплюючи як звичайне, так і поглиблене русло з закритими перекатами. Та варто лише розкрити перекати, як в їх зоні вода негайно починає спадати. 

                          krokis-15  krokis-16  krokis-17

Згодом була побудована нова експериментальна модель, на якій була проведена серія експериментів з саморегульованими перекатами, які залишалися закритими при нормальному стані русла та негайно згорталися з початком паводку. Також було перевірено можливість збереження суднохідності річки  при  її обладнанні штучними перекатами, оскільки відстані між перекатами будуть задаватися в основному  потребами суднохідності.

                 krokis-18 krokis-19 krokis-20

Висновки. Гіпотеза повністю підтвердилася.  Поглиблення русла річки та встановлення у ньому системи самокерованих перекатів дозволяє підтримувати відносно стабільний рівень води та ефективно захищатися від паводкових розливів. Проект економічно доцільний.  Разові кошти  на створення інженерної системи превентивного захисту від паводків вже за кілька років повністю окупляться.

    

 

Проект «Система загальноміської вентиляції» – © Грант Максим (10 клас), Турчин Даниїл (10 клас), 2015 р.

Головною проблемою існуючих систем вентиляції є те, що при великих скупченнях виробничих і житлових приміщень, обмін повітря з атмосферою перетворюється на взаємообмін між ними. Ефективна система вентиляції повітрям, що надходить з атмосфери над певною територією, повинна забезпечувати викиди загазованого  шкідливими викидами виробництва та інших видів господарської діяльності по можливості у більш віддалених зонах цієї території.

В реальності ж вхідні та вихідні отвори вентиляційних каналів  знаходяться один біля одного, і атмосфера Землі лише злегка розчиняє  потоки взаємного газообміну. Особливо  неприємною ситуація є біля великих промислових об’єктів, усі викиди з яких рано чи пізно почнуть осідати на землю, потрапляючи при цьому у вентиляційні канали.

Метою проекту стало завдання розробити загальноміську вентиляційну систему, яка б забирала повітря з незабрудненої частини атмосфери і подавала його мешканцям міста незалежно від стану погоди та роботи промислових підприємств. Маючи декілька рознесених по території   передмістя компресорних станцій та загальноміську сітку з  розподільчих вентиляційних  каналів можна, вмикаючи лише ті компресорні станції, де в даний момент є найчистіше повітря, створити в усіх приміщеннях міста найкращий для людей мікроклімат.

Згідно нормативів вентиляції повітрообмін у житловій  кімнаті  на одну людину складає 20-40 м3 за годину, для кухні цей показник визначено у 60-90, в офісах  – 30-40, шкільних класах – 25-35, лікарнях – 30-60, магазинах – 20-30, виробничих приміщеннях – 60-120 м3 /год. Зрозуміло, що потрібні норми кількості циклів повітрообміну забезпечити  складно, але у цьому й немає особливої потреби, оскільки тут здійснюється реальна подача свіжого повітря, а не газообмін між різними приміщеннями за участі атмосфери. Потрібно врахувати й те, що наявні системи вентиляції  не тільки подають у приміщення повітря з киснем, але й видаляють шкідливі гази, особливо з виробничих приміщень.

Пропонована система не замінятиме діючі схеми вентиляції, а буде доповнювати їх. Тому у розрахунках враховувалися і норми споживання кисню людиною. За добу людина споживає орієнтовно 3-4 мкисню або 15-20 м3 повітря. Людині потрібно не тільки вдихати кисень, а й видихати вуглекислий газ, і щоб робити це комфортно, необхідно пропускати через легені в середньому   до 100 м3  повітря за добу. Тому було вирішено спроектувати систему вентиляції міста з розрахунку мінімальної подачі повітря в обсязі 1 м3/год.,  тобто в режимі «поповнення кисню», а при можливості, забезпечити й режим  «свіжого дихання»,  (5 м3/год. на одну особу),  коли людина весь час вдихає лише свіже повітря.

Сутність проекту вентиляції полягає в тому, що за містом, зокрема, в різних його сторонах, встановлюються потужні вентилятори, які вдуватимуть повітря в загальноміську мережу подачі свіжого повітря і для подальшого його надходження у різні приміщення.

    

Оскільки місто зазвичай має численні виробничі потужності, що здійснюють шкідливі викиди в атмосферу, то повітря в систему подаватимуть лише  ті компресори, які на певний момент часу знаходитимуться у навітряній стороні. Натомість при штильовій погоді достатньо високі вхідні труби компресорів не затягуватимуть у себе викиди з працюючих димоходів.

  Якщо, наприклад, для міста із стотисячним населенням потрібно буде подавати по 4 м3   повітря на годину в розрахунку на одну людину і за допомогою лише одного нагнітача, то такий насос повинен мати продуктивність у 400 тис. м3/год. Такі нагнітачі реально випускаються промисловістю. Для того щоб  подати цей об’єм повітря по вентиляційному каналу з прийнятною швидкістю у 8-12 м/с, поперечний переріз трубопроводу повинен мати до 10 м2. Виготовити його з труби діаметром 3.5 м в конструктивному плані є цілком прийнятно. А враховуючи те, що реально працюватиме одразу декілька компресорів, а система вентиляційних каналів буде досить розгалуженою, то можна буде зменшити поперечний переріз труб. Це, в свою чергу, послабить навантаження на архітектуру та економіку міста. Проект доцільно  реалізувати в одному з екологічно проблемних міст.