RED STORM – Ερπυστριοφόρο Rover · Αναδυόμενος Γεωδαιτικός Θόλος · Αμμοθυελλοθραύστης – Πανελλήνιος Διαγωνισμός STEM & Εκπαιδευτικής Ρομποτικής 2025

 

Η ομάδα “RED STORM” συστάθηκε στα πλαίσια της συμμετοχής μας στην Ανοικτή Κατηγορία Α’ – Δ’ Δημοτικού του φετινού Πανελλήνιου Διαγωνισμού Εκπαιδευτικής Ρομποτικής “STEM 2025” με θέμα τον εποικισμό του Άρη.  Αποτελείται από επτά μαθητές της Γ’ και Δ’ Δημοτικού: τον Άγγελο, τον Αλέξανδρο, τον Αναστάση, τον Θάνο, τον Θέμη, τον Ίωνα και τον Πέτρο.  Οι μαθητές καλούνται να κατασκευάσουν τουλάχιστον 3 μηχανισμούς που να αποτελούνται από τουλάχιστον 2 απλές μηχανές ο καθένας και προαιρετικά έναν αυτοματισμό με βάση τη θεματική της κατηγορίας: “Μικροί πρωτοπόροι στον Άρη χρησιμοποιούν απλές μηχανές! “.

 

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο Άρης είναι μισός περίπου σε μέγεθος και 10 φορές ελαφρύτερος από τη Γη. Έχει  ατμόσφαιρά πολύ λεπτή και αραιή, αποτελούμενη κυρίως από διοξείδιο του άνθρακα, που δεν περιέχει το απαραίτητο για τη ζωή οξυγόνο και δεν του προσφέρει επιπλέον προστασία από πτώσεις μετεωριτών, αστεροειδών ή κομητών και από την ηλιακή ακτινοβολία, όπως συμβαίνει με την πυκνή ατμόσφαιρά στη Γη. Παλιότερα επιπλέον υπήρχαν μεγάλες ποσότητες νερού πάνω και κάτω από την επιφάνειά του, τώρα όμως διαθέτει λιγοστό νερό στο υπέδαφος και τους πόλους υπό την μορφή πάγου. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Άρη παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις με μέση τιμή τους -60 περίπου βαθμούς Κελσίου. Συχνά τέλος η επιφάνεια του ταλαιπωρείται από δυνατούς ανέμους και σφοδρές αμμοθύελλες.

Αναλογιζόμενοι λοιπόν αυτές τις αντίξοες για τη ζωή συνθήκες κατανοούμε την μεγάλη πρόκληση που παρουσιάζεται για τη διαβίωση του ανθρώπου στον Κόκκινο Πλανήτη. Αποφασίσαμε λοιπόν με την ομάδα μας να κατασκευάσουμε 3 καινοτόμους μηχανισμούς, αποτελούμενους από τουλάχιστον 2 απλές μηχανές ο καθένας, με στόχο την περαιτέρω εξερεύνηση του Άρη, καθώς και την προστασία και την εξοικονόμηση ενέργειας των μελλοντικών αποικιών που θα δημιουργηθούν στο γείτονα πλανήτη.

 

1ος ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ

HERPIN I – ΕΡΠΥΣΤΡΙΟΦΟΡΟ  ΕΞΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ROVER

Οι ερπύστριες είναι ένα σύστημα κίνησης, αποτελούμενο από αρθρωτούς μεταλλικούς ή ελαστικούς συνδέσμους που σχηματίζουν έναν κλειστό βρόχο. Αποτελείται δηλ. από μικρά κομμάτια που ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν μια κλειστή, φαρδιά αλυσίδα. Η αλυσίδα αυτή κινείται γύρω από ειδικούς τροχούς που έχουν προεξοχές (οδηγούς, δόντια) για να μπορούν να σπρώχνουν την αλυσίδα και ονομάζονται οδοντωτοί τροχοί. Οι ερπύστριες στη Γη χρησιμοποιούνται κυρίως σε βαρέως τύπου οχήματα, όπως άρματα μάχης, εκσκαφείς, μπουλντόζες και γεωργικά μηχανήματα καθώς προσφέρουν μεγαλύτερη σταθερότητα και υψηλότερη πρόσφυση σε δύσβατα εδάφη σε σχέση με τις απλές ρόδες.

Ένα ερπυστριοφόρο όχημα μπορεί να κινείται εύκολα πάνω σε πετρώδη εδάφη, μπορεί να σκαρφαλώνει πάνω σε λόφους από άμμο ή να περνάει μέσα από λάσπη χωρίς να βουλιάζει ή μπορεί να κινείται με ευκολία στους πάγους και τα χιόνια χωρίς να γλιστρά.

Οι ερπύστριες αποτελούν έτσι ένα εξαιρετικό σύστημα κίνησης για οχήματα που χρειάζονται υψηλή πρόσφυση, σταθερότητα και ικανότητα κίνησης σε δύσβατα εδάφη, όπως αυτά που υπάρχουν στην επιφάνεια του Άρη. Σκεφτήκαμε λοιπόν να αξιοποιήσουμε τα πλεονεκτήματα αυτά των ερπυστριών και να αντικαταστήσουμε το παραδοσιακό σύστημα κίνησης με ρόδες που χρησιμοποιεί ως τώρα η NASA στα rover που έχει στείλει στον Άρη με ένα αντίστοιχο ερπυστριοφόρο εξερευνητικό ρόβερ.

Ο πρώτος μηχανισμός που κατασκευάσαμε λοιπόν είναι ένα μη επανδρωμένο ερπυστριοφόρο εξερευνητικό όχημα με την κωδική ονομασία “HERPIN 1“. Αποφασίσαμε για να ενισχύσουμε την πρόσφυση στο όχημα να υπερυψώσουμε τις ερπύστριες στο πίσω μέρος του οχήματος χρησιμοποιώντας δύο οδοντωτούς τροχούς τον έναν πάνω από τον άλλο σε κάθε μεριά και να κρατήσουμε ελαφρύ και χαμηλό το μπροστινό μέρος χρησιμοποιώντας ένα μόνο οδοντωτό τροχό σε κάθε μεριά για να μπορεί να ανεβαίνει στα βράχια και στα πετρώματα των μετεωριτών που υπάρχουν διάσπαρτα κατά μήκος όλης της επιφάνειας του Άρη. Έτσι οι ερπύστριες έχουν τελικά τριγωνικό σχήμα. Ο ρόλος του οχήματος είναι να κάνει εξερευνητικές αποστολές σε ανεξερεύνητες περιοχές της επιφάνειας του Κόκκινου Πλανήτη.

Ο μηχανισμός του αποτελείται από μπαταριοθήκη, διακόπτη, έναν μικρό μοχλό που διευκολύνει τον έλεγχο του διακόπτη, ερπύστριες, οδοντωτούς τροχούς, γρανάζια, κινητήρα και μία δορυφορική κεραία για την επικοινωνία του με τη βάση.

Εάν κάνω τον μοχλό μπροστά το rover θα προχωράει προς τα εμπρός, αν κάνω το μοχλό πίσω ο κινητήρας θα περιστρέφεται από την άλλη μεριά και το rover θα πηγαίνει προς τα πίσω, ενώ αν επαναφέρω τον διακόπτη στο κέντρο το rover θα σταματάει.

Οι απλές μηχανές που χρησιμοποιήσαμε στο rover είναι: τροχός με άξονα, μοχλός που ελέγχει τον διακόπτη, γρανάζια και κεκλιμένο επίπεδο (το τριγωνικό σχήμα που σχηματίζουν οι ερπύστριες).

 

2ος ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ

ΑΝΑΔΥΟΜΕΝΟΣ ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΟΣ ΘΟΛΟΣ

Οι Γεωδαιτικοί Θόλοι είναι ημισφαιρικές αρχιτεκτονικές δομές που δημιουργούνται από την ένωση πολλών μικρότερων τριγωνικών στοιχείων και διαμορφώνουν μια κατά προσέγγιση σφαιρική επιφάνεια.

• Είναι πολύ ανθεκτικοί– λόγω της δομής – τους σε ισχυρούς ανέμους, σεισμούς και άλλες φυσικές καταστροφές.
• Επιτρέπουν- λόγω της σφαιρικής μορφής τους – την καλύτερη κατανομή της θερμότητας στο εσωτερικό τους, μειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις σε ενέργεια.
• Χρειάζονται – λόγω της γεωμετρίας τους (η μεγαλύτερη δυνατή χωρητικότητα κάτω από την μικρότερη δυνατή επιφάνεια) –λιγότερα και πιο ελαφριά υλικά για την κατασκευή τους.

Οι Γεωδαιτικοί Θόλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολλά είδη κτιρίων, από σπίτια και σχολεία μέχρι θερμοκήπια και αποθηκευτικούς χώρους. Με τη βοήθεια τους λοιπόν θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε στον Άρη αυτοσυντηρούμενα περιβάλλοντα με ελεγχόμενη ατμόσφαιρα, επιτρέποντας στα φυτά να αναπτύσσονται φυσιολογικά και στους ανθρώπους να ζουν και να εργάζονται κανονικά.

Οι γεωδαιτικοί θόλοι στον Άρη θα μπορούν έτσι να προσφέρουν προστασία από:

• τις ακραίες θερμοκρασίες
• την κοσμική ακτινοβολία
• την πτώση μετεωριτών
• τις συχνές αμμοθύελλες

Μελετώντας αυτά τα δεδομένα λοιπόν η ομάδα μας προτείνει τη δημιουργία ενός γεωδαιτικού θόλου που θα βρίσκεται την ημέρα στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη και το βράδυ θα καταδύεται στο εσωτερικό του. Τέτοιοι γεωδαιτικοί θόλοι που τη νύχτα κατεβαίνουν υπόγεια και το πρωί ανεβαίνουν ξανά στην επιφάνεια θα μπορούν να προσφέρουν  ασφαλείς και ενεργειακά αποδοτικούς χώρους διαβίωσης για τις μελλοντικές  αποικίες στον Άρη.

Γιατί να καταδύεται ο θόλος τη νύχτα;

Οι θερμοκρασίες στον Άρη διαφέρουν σημαντικά μεταξύ ημέρας και νύκτας, καθώς και ανάλογα με την εποχή. Το πρωί μπορεί να φτάσει σε ηλιόλουστες περιοχές κοντά στον ισημερινό τους 20°C ή και τους 30°C. Λόγω της πολύ αραιής του ατμόσφαιρας όμως δεν συγκρατείται η θερμότητα και το το βράδυ η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Άρη πέφτει απότομα κάτω από τους -70°C και μπορεί να φτάσει και τους -140°C στις πιο κρύες περιοχές (π.χ. στους πόλους). Η υπόγεια μόνωση λοιπόν που θα προσφέρει η καταβύθιση του θόλου, θα βοηθούσε να διατηρηθεί η θερμοκρασία του σε υψηλά επίπεδα τη νύχτα.

Γιατί να αναδύεται ο θόλος  ξανά το πρωί;

• Πρόσβαση σε ηλιακή ενέργειακαι θερμότητα: Την ημέρα που η θερμοκρασία ανεβαίνει στην επιφάνεια του Άρη, ο θόλος θα θερμαίνεται με φυσικό τρόπο και τα ηλιακά πάνελ θα μπορούν να φορτίζουν τις μπαταρίες.
• Διατήρηση της ανθρώπινης ψυχολογίας:Οι κάτοικοι θα επωφελούνταν από το φυσικό φως και την ορατότητα του τοπίου, βελτιώνοντας την ψυχολογική τους κατάσταση.
• Καλλιέργεια φυτών:Τα φυτά για να συντηρηθούν και να μεγαλώσουν χρειάζονται το ηλιακό φως (φωτοσύνθεση).

Ο μηχανισμός του θόλου αποτελείται από μπαταριοθήκη με διακόπτη, κινητήρα, ένα μικρό ατέρμονα κοχλία,  γρανάζια, ένα μεγάλο ατέρμονα κοχλία, 4 βάσεις στήριξης και ένα Γεωδαιτικό Θόλο.  

Εάν κάνω τον διακόπτη δεξιά, ο Θόλος αναδύεται, αν κάνω τον διακόπτη αριστερά, ο θόλος καταδύεται και εάν επαναφέρω τον διακόπτη στο κέντρο ο θόλος ακινητοποιείται.

Οι απλές μηχανές που χρησιμοποιήσαμε στον θόλο μας είναι γρανάζια και βίδες.

Ένα τέτοιο σύστημα συνδυάζει προστασία, βιωσιμότητα και τεχνολογική καινοτομία, αποτελώντας μια έξυπνη λύση για μακροχρόνια διαβίωση στον Άρη.

 

3ος ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ

ΑΜΜΟΘΥΕΛΛΟΘΡΑΥΣΤΗΣ

Ένας συνδυασμός πολλών παραγόντων δημιουργεί αρκετά συχνά στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη πολύ ισχυρούς ανέμους, οι οποίοι προκαλούν σφοδρές αμμοθύελλες. Η μεγάλη διακύμανση της θερμοκρασίας μεταξύ ημέρας και νύχτας στον Άρη οδηγεί σε έντονες ατμοσφαιρικές ροές και δυνατούς ανέμους. Η ατμόσφαιρα του Άρη είναι πολύ πιο αραιή από της Γης (περίπου 1% της γήινης πίεσης), αλλά οι ισχυροί άνεμοι μπορούν να μετακινήσουν τα σωματίδια σκόνης λόγω της χαμηλής βαρύτητας (38% της Γήινης βαρύτητας) για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έτσι οι άνεμοι σηκώνουν σκόνη, αυτή απορροφά το ηλιακό φως και θερμαίνει την ατμόσφαιρα, δημιουργώντας ανοδικά ρεύματα που ενισχύουν τις θύελλες. Ορισμένες από αυτές τις αμμοθύελλες μπορεί να είναι τοπικές, ενώ άλλες καλύπτουν ολόκληρο τον πλανήτη, όπως συνέβη το 2018, όταν μια παγκόσμια αμμοθύελλα σταμάτησε τη λειτουργία του ρόβερ Opportunity.

Σκεφτήκαμε με την ομάδα μας λοιπόν να κατασκευάσουμε ένα μηχανισμό που να κλείνει αυτόματα, σχηματίζοντας ένα προστατευτικό τείχος για την αποικία όταν ανιχνεύεται αμμοθύελλα και να ξανά-ανοίγει όταν ο κίνδυνος απομακρύνεται, ώστε να προστατεύονται οι αποικίες από τις αμμοθύελλες και τους ισχυρούς ανέμους.

Ο μηχανισμός μας λοιπόν αποτελείται από αισθητήρα κίνησης, κεντρική μονάδα, κινητήρα, και πτερύγια που μπορούν να περιστρέφονται με τη βοήθεια γραναζιών. Η κίνηση μεταφέρεται από τον κινητήρα στα πτερύγια με ατέρμονες κοχλίες που συνδέονται μεταξύ τους με άξονες.

ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ

Όταν ο αισθητήρας κίνησης εντοπίζει αμμοθύελλα να πλησιάζει, ενημερώνει την κεντρική μονάδα και αυτή τότε έχει προγραμματιστεί να δίνει εντολή στον κινητήρα να ενεργοποιηθεί. Έτσι ο κινητήρας περιστρέφεται με ταχύτητα 10 για 2 δευτερόλεπτα και τα πτερύγια του συστήματος κλείνουν αυτόματα. Όταν η αμμοθύελλα απομακρυνθεί, ο αισθητήρας ενημερώνει και πάλι την κεντρική μονάδα και αυτή δίνει εντολή στον κινητήρα να ενεργοποιηθεί ξανά για 2 δευτερόλεπτα προς την ίδια κατεύθυνση και τα πτερύγια ανοίγουν και πάλι, επιτρέποντας την ελεύθερη επικοινωνία με τον υπόλοιπο περιβάλλον.

Οι απλές μηχανές που χρησιμοποιήσαμε στον Αμμοθυελλοθράυστη μας είναι γρανάζια και βίδες.

 

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ

ΣΚΑΡΙΦΗΜΑΤΑ

 

Η ΟΜΑΔΑ

Σκοπός τη συμμετοχής τους στον Διαγωνισμό αυτό είναι να αναπτύξουν οι μαθητές την ικανότητά τους για ενεργή συμμετοχή σε ομάδες, αναλαμβάνοντας συγκεκριμένους ρόλους, να εξοικειωθούν με τη διαδικασία επίλυσης προβλήματος και να εξερευνήσουν εμπράκτως τις έννοιες της μηχανικής και του αλγοριθμικού τρόπου σκέψης που σχετίζονται με τη δημιουργία και τον προγραμματισμό ρομποτικών κατασκευών. Εξοικειώνονται παράλληλα με το θεμελιώδες κεφάλαιο των «απλών μηχανών», εμπλουτίζοντας έτσι τους διδακτικούς στόχους του Αναλυτικού Προγράμματος Σπουδών του σχολείου.

 

Βασικοί Διδακτικοί Στόχοι του Project: σχεδιασμός και υλοποίηση project, λήψη αποφάσεων, τήρηση χρονοδιαγράμματος, επίλυση προβλήματος, έρευνα, ανάλυση,  μηχανισμοί, απλές μηχανές, παρουσίαση έργου, δημιουργικότητα, 4Cs, αισθητική, φαντασία, επικοινωνία, συμμετοχή, συνεργασία, ενίσχυση αυτοπεποίθησης