Pojďme programovat elektroniku | Programování pro děti | Fyzika

Tinkercad Sim Lab je simulátor gravitace nejen pro děti. Vytvoříme v něm smrtící kladivo

  • Tinkercad je jednoduchý webový program pro 3D modelování
  • Primárně slouží pro 3D tisk, nabízí ale i fyzikální simulátor
  • Dnes si v Sim Labu namodelujeme kladivo na Živě.cz

Pokud se chce naprostý začátečník naučit základy modelování pro 3D tisk, nejlépe udělá, když do prohlížeče vyťuká adresu tinkercad.com.

Webový Tinkercad od Autodesku sice nenabízí prakticky žádné pokročilé funkce a organizaci složitějších projektů, nicméně pro zelenáče, který na škole neprošel žádnou průpravou v klasickém parametrickém CADu, neexistuje nic intuitivnějšího. A hlavně je úplně zdarma.

Až vám Tinkercad přestane stačit, můžete sáhnout po bezplatných edicích mnohem pokročilejších programů Autodesk Fusion 360 a Onshape

Gravitační laboratoř Sim Lab

Samotným 3D modelováním to ale nekončí, Tinkercad se totiž nedávno naučil ještě jednu specialitu. Hotový projekt totiž můžete spustit v jednoduchém fyzikálním simulátoru – simulátoru gravitace s různými materiály. 

Podívejte se na video, co si dneska nasimulujeme:

Jmenuje se Sim Lab a stejně jako základní Tinkercad slouží k tomu, aby si mohla 3D model pro tisk vytvořit i vaše babička, jeho simulační nadstavba je tu pro vyzkoušení naprostých základů gravitační a materiálové fyziky nad hotovým modelem.

To vše opět maximálně intuitivním způsobem, aniž byste měli jakoukoliv předchozí zkušenost s profesionálními softwary pro inženýry a vědce.

Koule 100 mm nad základní rovinou

Co si vlastně pod takovou gravitační simulací představit? Je to prosté. Sim Lab pracuje se scénou, kterou vytvoříte v základním 3D editoru. Dejme tomu, že 100 mm nad tiskovou plochou umístíte kouli s rozměry 20 × 20 × 20 mm jako na obrázku níže.

2c93fae5-4c0b-4a7b-a125-9eee63ff4339
Koule s rozměry 20 × 20 × 20 mm a 100 mm nad povrchem

Když nyní v záhlaví stránky klepnete na ikonku padajícího balvanu, Tinkercad se přepne z návrhového prostředí do toho simulačního s časovou osou v zápatí, ve kterém můžete spustit samotnou animaci základní fyzikální simulace.

Co se po spuštění stane? Koule prostě spadne na tiskovou desku a několikrát se odrazí zpět, ve výchozím stavu má totiž vlastnosti blíže nespecifikované plastické hmoty.

5cc3469b-3829-4c22-8e9a-034ded6358fc
Po spuštění gravitační simulace koule dle očekávání spadne

Koule může být z plastu, oceli, betonu, gumy...

Stačí ale na kouli klepnout a v pravé části okna se zobrazí nastavení simulace. Jelikož je koule plastová, v přehledu vidíme základní fyzikální vlastnosti umělé hmoty včetně tření, hustoty a pružnosti.

ee8c5b09-e762-49cf-8473-b29799119bc6b7e35c74-413c-4d9a-a9bf-4adb123a2e74
Každý materiál má odlišné fyzikální vlastnosti, které se berou v úvahu i při simulaci

Když simulaci uvedeme do výchozí stavu, můžeme změnit materiál koule na některý jiný z nabídky. Máme tu lehký polystyren, pružnou pryž, dřevo, těžkou ocel nebo třeba beton. Zvolte jako materiál pružnou pryž a z koule se po spuštění simulace rázem stane stará dobrá hopskulka jako v animaci níže.

Kladivo na Živě.cz

Pojďme si zkusit postavit něco smysluplnějšího. Třeba houpačku s kladivem, které bude srážet logo našeho webu. Jak už jsme si řekli výše, Sim Lab je pouze nadstavba již stávajícího editoru, takže v Tinkercadu jednoduše nakreslíme vše, co je třeba, jako bychom to chtěli opravdu vytisknout. Pokud jste lenoši, můžete si otevřít veřejně sdílený projekt v odkazu výše.

1b5a8803-1633-4b82-a49d-074b7532ecce
Naše kladivo, které odhodí logo Živě.cz

Naše houpačka se bude skládat z tyče, která bude nehnutě viset v prostoru. Okolo týče se bude otáčet páka, na jejímž konci bude těžké závaží – válec představující naše kladivo. Čím větší bude, tím silněji (dle zvoleného materiálu a jeho hustoty) také udeří na nebohé logo na základně scény.

Složité logo nahrajeme jako SVG

Samotný Tinkercad pracuje jen s jednoduchými geometrickými tvary, respektive s těmi od komunity, takže komplexní logo bychom si museli složitě sestavit z elementárních objektů, nebo vysoustružit pomocí seskupování plných a prázdných (negativních) tvarů. Seskupením tří tvarů (kvádru, válce a trubky) jsme ostatně vytvořili i samotné kladivo.

42e5d63b-11b5-436d-b795-d045940be8ad83c594fd-166f-4bb8-8381-2f3aafd9ecf620979372-2de2-40ee-901a-5cb2aaf96a416648ca8f-cede-40d1-bfb2-f98963e249e1
Příprava složitého 2D tvaru v libovolném vektorovém editoru a jeho vložení jako SVG a automatická transformace do 3D objektu v Tinkercadu

Editor naštěstí umožňuje import již hotových tvarů ve formátu STL, OBJ a v běžném vektorovém SVG! 2D půdorys libovolného tvaru proto stačí nakreslit v libovolném vektorovém editoru, exportovat jako soubor ve formátu SVG a ten konečně nahrát do Tinkercadu stejným způsobem jako na snímcích výše. Modelační software dá tvaru dle jeho půdorysu výšku a voalá, máme 3D objekt!

Kladivo se má otočit, ale...

Naše scéna v editoru vypadá z boku jako na obrázku níže. Kladivo je nahnuté, aby se při simulaci gravitace stočilo správným směrem, a zároveň je dostatečně dlouhé, aby byl oblouk pohybu co nejdelší a nabralo co největší kinetickou energii.

fefb20cb-dc71-4f06-abb4-51beae3daa91
Kladivo by se mělo v simulaci otáčet okolo trubky a zasáhnout cíl

Všechno to spadne na zem!

Na ploše tiše stojí 3D model loga Živě.cz a čeká na smrtící úder. Jenže když se nyní přepneme do režimu simulace a spustíme ji, dopadne to všechno úplně jinak. Kladivo i s tyčí jednoduše spadnou na zemský povrch. A tak věrně, jak to jen umožňuje fyzikální motor simulace.

Musíme tyč uzamknout v prostoru

Není divu, tyč se totiž vznáší ve vzduchu a není podepřená žádnou základnou. Ale nebojte se, její stavba by sice mohla být zábavná, ale také zbytečně zdlouhavá, a tak budeme v našem malém Matrixu trošku podvádět a přikážeme mu, že tyč musí nehnutě viset ve vzduchoprázdnu jako přibitá.

b1ade30d-d401-4722-acee-2863553e955d
Objekt tyče, okolo které se otáčí kladivo, nastavíme jako statický

Stačí ji opět v režimu simulace označit a na kartě s nastavením klepnout na tlačítko Nastavit jako statické (CTRL+M). Tyč se nyní bude vznášet nehybně v prostoru.

Kladivo, ničitel světů

Když po drobné úpravě opět spustíme simulaci, náš malý Matrix se už zachová naprosto korektně. Kladivo se díky své mase začne otáčet okolo osy, zrychlovat a nabere kinetickou energii, kterou vybije po styku s nebohým logem Živě.cz.

Jelikož jsou všechny díly simulace ve výchozím stavu z umělé hmoty a kladivo má velkou masu, přenos energie bude dostatečný k tomu, aby Živě.cz zavrávoralo a hned přepadlo přes okraj našeho umělého vesmíru kamsi do nicoty. To vše s poměrně realistickou fyzikou všech dílčích pohybů.

Plastové kladivo nahradíme za ocelové

Pojďme si trošku pohrát s parametry. Tvar použitých modelů necháme v původním stavu, změníme ale materiál kladiva. Když bylo plastové, kvůli nízké hustotě (1,3 g/cm³) disponovalo hmotností pouhých 20,67 gramů.

Nastavme jej proto třeba na ocel (7,4 g/cm³) a jeho hmotnost rázem poskočí skoro šestkrát na 117 gramů a s tím i kinetická energie při pohybu. Po spuštění simulace logo Živě.cz dostane mnohem větší facku a odletí mnohem dál.

A co když bude kladivo z polystyrenu?

Opačný extrém nastane, když kladivo proměníme v lehoučký polystyren (0,08 g/cm³). V takovém případě hmotnost klesne na pouhých 1,27 gramů, zatímco plastové logo bude odolávat masou 15,51 gramů. Bude to bohatě stačit na to, aby se po vybití slaboučké kinetické energie jen otřáslo a na ploše jen mírně pootočilo.

A na závěr guma!

Pokud budeme chtít do hry zapojit i na první pohled patrnou pružnost, materiál loga změníme z plastu na hustou ocel a kladivo bude z gumy – pružné pryže.

Živě.cz se opět trošku posune (pryž má o řád vyšší hustotu než polystyren), nicméně podstatná část kinetické energie se vybije do stlačení kladívka, které se po uvolnění odrazí zpět.

Autodráha, padající domino a další příklady

V galerii veřejně sdílených modelů najdete další a mnohem komplexnější simulace včetně autodráhy, kuličkové dráhy, katapultu nebo třeba padajících kostek domina.

5b58eb29-8817-4595-9724-899d9ee1de82
Věrná simulace domina. Podívejte se na něj ve videu v úvodu článku

Fyzikální motor je přitom dostatečně věrný k tomu, aby vše neskončilo jen u kratochvíle a zábavného vzdělávání pro děti, ale dá se v něm alespoň trošku simulovat i pohyb vašich reálných modelů, které budete chtít vytisknout.

Jistě, není to žádný profesionální simulátor, ve kterém můžete nastavit stovky parametrů, nicméně pokud budete tisknout pevné i pružné díly, které mají držet pospolu, fyzikální animace může alespoň hrubě napovědět, jak se to bude chovat.

Motor s hřídelí postavíte leda z kuliček

K univerzálnější použitelnosti už chybí snad jen i nějaký umělý zdroj pohybu – třeba simulace modelářského stejnosměrného elektrického motoru, který roztočí nějaké soustrojí. Budete si jej muset postavit sami, přičemž zdrojem energie bude opět výhradně gravitace. Třeba kornout plný kuliček jako v tomto příkladu.

Díky tomu, že se opět nejedná o nic jiného než o běžný 3D model, můžete celý stroj zkopírovat a vložit do svého vlastního projektu, kde nahradí DC motorek na dvě tužkové baterie.

Lepší zábava než člověče, nezlob se!

Letní prázdniny se nám v těchto dnech přehupují do druhé poloviny, pokud se už tedy vaše děti (nebo vy samotní) začínají nudit, Sim Lab v bezplatném webovém Tinkercadu je lepší a smysluplnější zábava než celodenní turnaj v Člověče, nezlob se!

Téma: Programování pro děti

programovaniprodeti.jpgAlgoritmické myšlení, logické uvažování, dovednost analyzovat problém a najít jeho řešení… to se hodí už dnes a do budoucna budou tyto schopnosti čím dál důležitější. Zábavnou formou se k nim vyplatí vést i děti. Sledujeme pro vás dostupné nástroje, stavebnice, služby a postupy.

Doporučujeme speciál Computeru Programování pro děti. Za 99 Kč si ho můžete objednat online a během několika dnů vám dorazí do poštovní schránky.

Diskuze (3) Další článek: Jak udržet vnitřky skafandrů astronautů čisté? ESA zadala studii

Témata článku: , , , ,