פרפר ביוני — ביומימטיקה ומנגנון ארכובה

מה נלמד כאן

• מה זו ביומימטיקה
• גלגלי שיניים ומנגנון ארכובה-מוט
• להרכיב פרפר ביוני ולתכנת אותו

ללמוד מהטבע

פרפר לא רק יפה — הוא יעיל אנרגטית באופן מדהים. בכנפיים קלות משקל הוא מבצע תמרונים מורכבים: תעופה, ריחוף, פניות חדות.

מדענים שואבים השראה מהיצורים האלה כדי לתכנן רובוטים. פרק 4 מתחיל כאן — פרויקטים מורכבים עם הרכבה מכנית אמיתית.

הידע שצריך

1. ביומימטיקה

ביומימטיקה היא תחום בין-תחומי שחוקר את המבנה, התפקוד והתנועה של יצורים חיים, ומיישם את העקרונות שלהם בהנדסה ובעיצוב.

הנה חמש דוגמאות אמיתיות:

2. המנגנון המכני

הפרפר משלב שני מנגנונים מכניים קלאסיים:

תמסורת גלגלי שיניים

מעבירה תנועה סיבובית מרכיב אחד לשני, ותוך כדי משנה מהירות, כיוון או מומנט. גלגל קטן שמסובב גלגל גדול — מאט את התנועה ומגביר את הכוח.

מנגנון ארכובה-מוט

הופך תנועה סיבובית לתנועת נדנוד או תנועה קווית הלוך ושוב. הוא בנוי משלושה חלקים:

• ארכובה (AB) — מחוברת לציר המנוע ומסתובבת
• מוט מחבר (BC) — נע קדימה ואחורה
• מוט מונע (CD) — מבצע את הנדנוד

כשהארכובה AB משלימה סיבוב של 360°, המוט BC נע, והוא מניע את CD לנדנוד.

וזה בדיוק מה שקורה בפרפר: המנוע מסתובב → גלגלי השיניים מעבירים ומאטים → הארכובה הופכת את הסיבוב לנדנוד → הכנפיים מתנופפות.

שימו לב מה קרה כאן: המנוע יודע רק דבר אחד — להסתובב. כל השאר הוא מכניקה. זה שיעור חשוב בהנדסה: לפעמים הפתרון לא בקוד ולא באלקטרוניקה, אלא בצורה של החלקים.

ההרכבה

אם לא רכשתם את ערכת הבנייה — אפשר לדלג לחלק החיבור והקוד. הפרויקט יעבוד עם מנוע רגיל.

להלן שלבי ההרכבה, לפי הסדר:

הניסוי

המטרה: החיישן מזהה מרחק. מתחת ל-20 ס"מ — הכנפיים מתנופפות. מעל — נעצרות.

רשימת רכיבים

הקוד

#define trigPin 5
#define echoPin 16
#define motor1A 17
#define motor1B 18

float thresholdDistance = 20.0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  pinMode(motor1A, OUTPUT);
  pinMode(motor1B, OUTPUT);
}

void loop() {
  float distance = getDistance();
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");

  if (distance != -1 && distance < thresholdDistance) {
    analogWrite(motor1B, 255);      // מתנופף
    analogWrite(motor1A, 0);
  } else if (distance != -1 && distance >= thresholdDistance) {
    analogWrite(motor1B, 0);        // עוצר
    analogWrite(motor1A, 0);
  }

  delay(100);
}

float getDistance() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  unsigned long pulseTime = pulseIn(echoPin, HIGH, 5000);   // פסק זמן

  if (pulseTime > 0) {
    return pulseTime * 0.0343 / 2;
  } else {
    return -1;                       // אין הד — מחזירים ערך מיוחד
  }
}

שתי נקודות חשובות בקוד

1. פסק זמן ב-pulseIn:

pulseIn(echoPin, HIGH, 5000)

הפרמטר השלישי הוא פסק זמן של 5000 מיקרו-שניות. בלעדיו, אם אין הד — התוכנית תיתקע ותחכה לנצח. עם פסק זמן היא ממשיכה.

2. הערך -1:

הפונקציה מחזירה ‎-1 כשאין מדידה תקינה, ו-loop בודקת את זה (distance != -1). זו דרך מסודרת לסמן "אין תשובה" בלי לבלבל אותה עם מרחק אמיתי.

זו קפיצת מדרגה מהשיעורים הקודמים. שם החזרנו 0 כשלא היה הד וזה התנגש עם מרחק קטן. כאן יש ערך שגיאה ייעודי. ככה כותבים קוד אמין.

נסו בעצמכם

• שנו את הסף מ-20 ל-40 ס"מ. איך זה משנה את התנהגות הפרפר?
• הוסיפו מהירויות שונות: ככל שקרובים יותר, הכנפיים מהירות יותר.
• הסירו את פסק הזמן מ-pulseIn וכוונו את החיישן לחלל פתוח. מה קורה?
• שלבו עם שיעור 6: הפרפר מתנופף רק כשיש גם תנועה וגם אור.
• צפו במנגנון בפעולה והסבירו: כמה נדנודים לכל סיבוב של המנוע?