3Д модельдеудің физикалық қасиеттері

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ ОҚУ-АҒАРТУ МИНИСТРЛІГІ

ТҮРКІСТАН ОБЛЫСЫНЫҢ БІЛІМ БАСҚАРМАСЫНЫҢ

СОЗАҚ АУДАНЫНЫҢ БІЛІМ БӨЛІМІНІҢ

«НӘЗІР ТӨРЕҚҰЛОВ АТЫНДАҒЫ ІТ МЕКТЕП-ЛИЦЕЙ»

КОММУНАЛДЫҚ МЕМЛЕКЕТТІК МЕКЕМЕСІ

Орындаған: Амалбек Нұржігіт Алтынбекұлы

Сыныбы: 9

Жұмыстың атауы: 3Д модельдеудің физикалық қасиеттері

Бағыты: Ғылыми – техникалық прогресс – экономикалық

өсудің негізгі буыны

Секциясы: Физика

Жетекшісі: Абдуллаева Саера Алдашовна

Аннотация

Модельдеу. Модельдеу үдерісіне нысанның түпнұсқасын танып-білу мақсатымен нысан-үлгілер құрылады. Үлгіде зерттелу мақсатына қарай түпнұсқаның қасиеттері болуы керек. Қазіргі уақытта нысанның сипаттамасы немесе құбылстар арнайы программа арқылы компьютер жадында жазылып сақталатындықтан компьютерлік үлгі жасау кеңінен қолданылады. Басқа да модельдеу сияқты компьютерлік модельдеудің де түрлері бар. Мысалы, математикалық модельдеуде қандай да бір құбылыс немесе үдеріс математикалық формулалар арқылы сипатталса, оның нәтижесін есептеу компьютерсіз күрделі болмақ. Сондай-ақ графикалық модельдеуді алатын болсақ, онда құбылыстың немесе үдерістің көрінуі шешімін табады. Мұндай модельдеу құблысты күрделілігіне қарай икөрнекі түрде ұсыну үшін керек. Және модельденетін жүйенің нақты өмірдегі нысанмен өзара әрекеттесетінін көрсететеін нақты өмірдегі модельдеуді қолданылу аясы біршама кең(телевизия саласы, ядорлық физика және т.б.) және маңызды тәжірибеге, мағынаға ие.

Үшөлшемді графика ғылыми есептеулер, инженерлік жобалау және физикалық нысандарды компьютерде үлгілеу облыстарында кең тарлаған, жалпы қазіргі ақпараттанған уақытта үшөлшемді графика адаммен байланысты саланың барлығында қолданылады десек артық болмас.
Үшөлшемді графика құратын компьютерлік программалар өте көп. Олар: SketchUp,3D max, blender 3D, K-3D, Wings 3 D6 Panda 3 D6 Sweet Home 3D6 Maya және т.б.

Abstract

Modeling. In the process of modeling, object-models are created with the aim of recognizing the original object. The sample should have the properties of the original according to the purpose of the study. Currently, computer modeling is widely used because the characteristics of the object or the phenomena are recorded and stored in the computer memory using a special program. Like other simulations, there are different types of computer simulations. For example, in mathematical modeling, if any phenomenon or process is described by mathematical formulas, it will be difficult to calculate its result without a computer. Also, if we take graphic modeling, then the visualization of the phenomenon or process will find a solution. Such modeling is necessary to visually represent the phenomenon according to its complexity. And real-life modeling, which shows how the modeled system interacts with real-life objects, has a wide range of applications (television industry, nuclear physics, etc.) and has significant experience and meaning.

Three-dimensional graphics are widespread in the fields of scientific calculations, engineering design and computer modeling of physical objects, and in general, three-dimensional graphics are used in all spheres related to people in today's information age.

There are many computer programs that create three-dimensional graphics. They are: SketchUp, 3D max, blender 3D, K-3D, Wings 3 D6 Panda 3 D6 Sweet Home 3D6 Maya and others.

Абстрактный

Моделирование. В процессе моделирования создаются объекты-модели с целью распознавания исходного объекта. Образец должен обладать свойствами оригинала в соответствии с целью исследования. В настоящее время широко используется компьютерное моделирование, поскольку характеристики объекта или явления записываются и сохраняются в памяти компьютера с помощью специальной программы. Как и другие симуляции, существуют различные типы компьютерных симуляций. Также, если взять графическое моделирование, то решение найдет визуализация явления или процесса. Такое моделирование необходимо для визуального представления явления по степени его сложности. А реальное моделирование, показывающее, как моделируемая система взаимодействует с реальными объектами, имеет широкий спектр применения (телеиндустрия, ядерная физика и т. д.) и имеет значительный опыт и смысл.

Трехмерная графика получила широкое распространение в областях научных расчетов, инженерного проектирования и компьютерного моделирования физических объектов, и вообще трехмерная графика используется во всех сферах, связанных с человеком в современный информационный век.

Существует множество компьютерных программ, создающих трехмерную графику. Это: SketchUp, 3D max, Blender 3D, K-3D, Wings 3 D6 Panda 3 D6 Sweet Home 3D6 Maya и другие.

Пікір

8-сынып оқушысы Амалбек Нұржігіттің «3Д модельдеудің физикалық қасиеттері» тақырыбына жазылған ғылыми жұмысында,3Д модельдер жайлы толықтай мағлұмат берілген. Қазіргі таңда физика саласында 3Д модельдеудің дамуының арқасында көптеген күрделі зертханалық жұмыстарды жасап көруге, және де модельденген дүниені 3Д принтерлер арқылы шығарып қолмен ұстап көруге болатындығын көрсеткен.

Жоба барысында осы мүмкіндіктердің физикалық қасиеттеріне зерттеулер жасап,жұмысқа қорытынды жүргізілген.

I.КІРІСПЕ.

Модельдеу – дегеніміз  не?

II.НЕГІЗГІ БӨЛІМ:

1. Физикалық құбылыстар мен процестерді модельдеу.

2. Компьютерлік құралдарды физикалық бейнені көрсетуде қолдану

3. SketchUp 3D модельдеу бағдарламасы

7. 3D принтер

III.ҚОРЫТЫНДЫ.

IV.ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР.

  Технологиялық қоғамнан ақпараттық қоғамға өту, адамға жаңа талаптарды, яғни алгоритмдерді орындауды емес, оларды жасауды талап етеді.Білім берудің түпкі нәтижесі адам әрекетінің жеке түрлерін меңгерту ғана емес, үнемі жаңа әрекет түрлерін игеруге мүмкіндік беретін құралдар мен білім алу методологиясын меңгеру болып табылады. Сондай методологиялық амалдардың бірі – физикалық құбылыстар мен процестерді модельдеу екендігі белгілі.

Модельдеу:

1) білім алушы әрекетінің аса тиімді түрі ретінде;

2) жаратылыстану бойынша жаңа білім алудың өте сайма-сай методологиясы ретінде;

3) компьютерді физикада қолданудың алғашқы түрі ретіндежүзеге асырылады.

Оқу үдерісінде физикалық зандар мен құбылыстарды компьютерде модельдеу өте тиімді болып табылады. Модельдеу арқылы оқытудың ғылымилығы, көрнекілігі, жүйелілігі, белсенділігі сияқты принциптері жүзеге асырылады. Сондай-ақ, оқу әрекетінің методологиясы ғылыми-зерттеу жұмыстарының методологиясымен ұштастырылады.Орта мектепте өтілетін құбылыстар мен нысандарды модельдеуде ЭЕМ пайдаланудың маңыздылығы туралы пікір педагогика ғылымында берік орнығуда. Академик В.Г.Разумовский «оқу үдерісіне компьютерді енгізуге байланысты көптеген ғылыми дүниетаным әдістерінің, әсіресе модельдеу әдісінің мүмкіншіліктері бірден артады, модельдеу кезінде құбылыстың мәні ерекше айрықшаланып, олардың бірлігі нақтылана түсетіндіктен, бұл оқыту тиімділігін күрт көтеруге мүмкіндік туғызады», - деп көрсетеді.

Сұлба 1. Физиканы оқытуда модельдеуді пайдалану бағыттары.

Н.Л.Булаков, Д.В.Волков, В.Г.Разумовскийдің еңбектерінде келтірілген деректерге сүйене отырып, физиканы оқытуда модельдеуді пайдаланудың бірнеше бағыттарын (1-сұлба) көрсетуге болады.

М.Л.Фокин компьютерлік модельдерді сипаттайтын қасиеттерді былайша айқындайды:

1) ақпараттылық (модельденген бағдарламаның пайдаланушыға объектіні зерттеу үшін қажетті ақпаратты беру қабілеттілігі);

2) көрнекілік;

3) динамикалық;

4) ЭЕМ-сы мен пайдаланушы арасында диалогтың болуы;

5) басқарудың қарапайымдылығы.

Модель қысқа да қолайлы, сонымен бірге оқыту үшін аса маңызды нысанның, құбылыстың не процестің ерекшелігін шама келгенше толық көрсетуі тиіс.Өтілетін құбылыстар мен нысандарды модельдеу кезіндегі компьютердің мүмкіндіктері мүлдем шексіз. Қарапайым модельге таным үшін маңызы аз және қабылдау мен зерттеу барысында қиындық туғызатын кейбір қасиеттер енгізілмейді, яғни тиісінше оқушы әрекетінен де танымдық қызметі жоқ бірқатар операциялар шығып қалады. Нәтижесінде білімді игеру жеңілдейді әрі тездетіледі. Компьютер әмбебап ұқсатқыш болып табылады, ал шындығында компьютер меңгерілген әрекетті материалды түрде емес, дисплей экранында оның бейнесін бере отырып, материзацияланған түрде көрсетеді. Бірақ та, көрнекілікті қамтамасыз етумен іс бітпейді; бейнені қабылдағаннан басқа, оқушы оны жаңа жағдайға аудара (трансформациялай) отырып, онымен біршама әрекеттер атқарады. ЭЕМ арқылы мектеп жағдайында бақылау немесе модельдеу мүмкіндігі жоқ процестерді де, сондай-ақ, адамның ол процестерге нақтылы әсер ету мүмкіндігін көрсететін жағдайларды да модельдеуге болады.Компьютерлік модельдердің бірі суреттеме (иллюстрация) ретінде пайдаланылса, басқалары зерттеу объектісі ретінде қолданылады, үшіншісі – проблематикалық немесе ойын сәті жағдайында көрсетіледі. Бұл модельдер оқушының іс-әрекетін бағалауға да пайдаланылады.

Компьютерлік модельдерді әр түрлі дидактикалық мақсатта:

1) тақырып пен тарауды оқытудағы кіріспе сабақтарда;

2) физика курсын немесе тарауды оқуды толық аяқтау кезіндегі жинақтау сабақтарында;

3) жаңа материалды өту сабағында;

4) білімді бақылау сабақтарында;

5) есеп шығару сабақтарында пайдалануға болады.

Сабақтарда компьютерлік модельдерді қолдану даралап оқытуды ұйымдастыруға мүмкіндік береді. Компьютерлік модель көмегімен эксперимент жасауда оқушы тапсырманы орындау үшін ғана қажетті уақытты жұмсайды. Бұл оқытушының даралап оқыту міндеттерін орындаудағы жұмысын жеңілдетеді.

В.А.Извозчиков динамикалық компьютерлік модельдерді (ДКМ) пайдалану төмендегідей жағымды нәтиже береді деп көрсетеді:

1) практикалық сабақтарда шешілетін есептер санын арттыруға болады, есепті шынайы шарттармен, яғни, техникадан алынған параметрлермен шешуге мүмкіндік туады; әрбір оқушы үшін даралық қасиетіне қарай есепті тез шешу мүмкіндігі қамтамасыз етіледі; күрделі есептер шығаруды талап ететін есептер мен есеп шартын ауыстыру кезінде тез есептеуді шешу мүмкіндігі пайда болады;

2) физикалық экспериментті жобалау мүмкіндігі ашылады; эксперименттік мәліметтерді өңдеу уақыты қысқарады; өлшем саны артады; физикалық, техникалық және тұрмыстық мазмұндағы жобалық-конструкторлық  тапсырмаларды орындауға мүмкіндік ашылады;

3) өзіндік психологиялық көтеріңкі күй байқалады; оқушылардың шаршап-шалдығуы төмендеп, эмоциялық көтеріңкі көңіл-күй пайда болады; реакцияның шапшаңдығы артады; зерде тұрақтанып, материалдың физикалық мәні оңай меңгеріледі.

Сонымен қатар компьютерлік модельдерді (КМ) қолдану оқыту көрнекілігінің тиімділігін арттырып, мектепте тікелей бақылауға бола бермейтін микроғаламға да көз тастауға мүмкіндік береді (ядроның ыдырауы), оқушы денсаулығына зиянды тәжірибелерге жүгінбей-ақ (рентген сәулесі, уран ядросының бөліну механизмі, ядролық реакция және т.б.), кейбір құбылыстарды (радиоактивті ыдырау) айтарлықтай көрнекі түрде модельдейді.

Сабақ мақсатындағы компьютерлік модельдеуге мектеп жағдайында оқушының жасап көруіне еш мүмкіндік болмайтын немесе көп қиындық туғызатын объектілер таңдалып алынуы қажет.

Олардың қатарына:

- құны өте жоғары,

- өмірге қауіпті,

- оқушы қабылдауына қиындық туғызатын,

- аса күрделі құбылыстар мен эксперименттер жатады.

Мектеп жағдайында оқушы қабылдауына қиын (немесе түсініксіз) құбылыстар мыналар:

- ғарыштық және микроғарыштық масштабтағы құбылыстар;

- өте тез немесе өте ақырын өтетін процестер;

- өте жоғары немесе өте баяу жылдамдықтағы қозғалыстар;

- мектеп жағдайында қол жеткізу мүмкін емес параметрлермәнінде (температура, қысым, және т.б.) өтетін құбылыстар.

Компьютерлік құралдарды бейнені көрсетуде қолдану

Экрандық графика оқушылардың оқу бағдарламаларымен жұмыс барысында сабақ материалдарын түсінуі мен есте сақтауын жақсартуға мүмкіндік береді. Машина графикасын қолданудың басты бағыттарына мыналар жатады :

- оқу бағдарламасымен жұмыс барысында экранға шығарылған ақпараттың элементтерін объектілер бейнесі мен сол объектілердің ерекшеліктері арасындағы байланысты белгілеу мақсатымен таңбалау, дифференциалдау және бөліп көрсету үшін экранның түрлі-түсті мүмкіндіктерін пайдалану;

- компьютердің графикалық мүмкіндіктерін абстрактылы идеяларды көру образдары арқылы бейнелеу үшін пайдалану;

- монитордың түрлі-түсті мүмкіндіктерін пайдалану;

- қозғалмалы және қозғалмайтын суреттер, карталар, диаграммаларды пайдалану. Бұлардың барлығы бір-бірін өзара толықтырып біртұтас жүйе құруы тиіс.

Мұндай жүйені құруда оқушы тұлғасының дамуы үшін ойындардың үлкен рөл атқаратынын ескеруіміз қажет. Бақылауы бойынша, оқушылардың ойынға деген алғашқы үлкен қызығушылығы ойын бағдарламаларының алгоритмдік жағына қарай ауысады. Келесі кезеңдерде оқушылар ойын бағдарламаларын өздігінен қарап, ойындарды бағдарламалаудың мүмкін болатын әдіс-тәсілдерін талдай бастайды. Одан кейін мұндай қызығушылық өздігінен қандай да бір ойын бағдарламасын жасауға деген ниетке ауысады. Бір жыл компьютермен жұмыс істеген сыныптарда динамикалы комбинаторлық ойлауда, деректерді дұрыс сұрыптау мен ұйымдастыруда, мақсатты нақты белгілеуде көп ілгері дамушылық байқалады. Сондай-ақ, жоғары эмоционалды қызығушылық бар кезде ғана байқалатын, жұмысқа беріле орындау көрінеді. Ал мұндай жағдайда үқыптылық, дәлдік, жауапкершілік қалыптасады .

Компьютерлік құралдарды физикалық процестер мен құбылыстарды модельдеуге қолдану

Физикалық құбылыстар мен процестерді модельдеу барысында мектеп лабораториясында орындалуы қиын процестердің моделін жасауға көңіл бөлу керек. Бұған мысал ретінде әр түрлі күйдегі молекулалар мен атомдар қозғалысын, центрлік күш өрісіндегі денелер қозғалысын модельдеу мен альфа – бөлшектердің ыдырауы жөніндегі т. б. тәжірибелерді келтіруге болады.Модельдеудің зертханалық экспериментпен көп ұқсас жақтары болғандықтан, оны кейде есептеу эксперименті деп те атайды. Компьютерлік бағдарлама физикалық жүйені модельдейді және есептеу экспериментін сипаттап шығарады. Мысалы, біз ешқандай зертханалық аналогы жоқ құбылысты модельдей отырып, шын мәнісінде нақты әрі дәл нәтижелер ала аламыз. Модельдеу нәтижелерін тиісті теориялық есептеулермен салыстыру есептеу әдістерін дамытуға себепкер бола алады.

Соңғы кездегі болашағы зор бағыт ретінде арнаулы 3-DS пакеттері көмегімен компьютерде үш өлшемді модельдер құрастырыла бастады. Мұндай модельдер ең қарапайым физикалық объектілер мен құбылыстарды жаңа аспектіде көрсетуге мүмкіндік береді. 3-DS модельдері тамаша көрнекі құрал бола алады және олардың мақсаты шындықты жан-жақты, толық қайта жасау болғандықтан, сабақтың кез-келген кезеңінде қолданыла береді.

  Заманауи сандық технологиялардың дамығаны сонша, бұрындары мұндай мүмкіндіктер жайлы бұрынғылар фантастикалық оқиғалар ғана жазатын. Мұндай заттарды күнделікті қарапайым құбылыс деп санағанымызбен, бұлар ұзақ, қажырлы зерттеулер мен тәжірибелердің жемісі. Бұл озық технологияны түсіндірудің қарапайым мысалы: сізге әжеңізден ерекше қобдиша мұрагерлікке қалды, бірақ оны абайсызда сындырып алдыңыз делік. 

Тура мұндай қобдишаны сатып алу мүмкін емес, бірақ сүйікті затыңызбен қоштасқыңыз да келмейді. Алайда, соған ұқсас қаңқа сатып алып және үйіңізде 3d принтер болса, кішкене күш салып сүйікті бұйымыңызды қайта қалпына келтіре аласыз. Бұған үшөлшемді басып шығару арқылы қол жеткізуге болады. Үшөлшемді басып шығару технологиясы күнделікті өмірімізге қарқынды еніп, ажырамас бөлігіне айналып келеді. Кейбір адамдар үшін бұл қосымша табыс көзі немесе шығармашылық идеяларын іске асыруға тамаша мүмкіндік болып отыр. 

SketchUp - архитектуралық рендерингтер, анимациялар және 3D басып шығару үшін қолданылуы мүмкін танымал 3D-модельдеу бағдарламалары.

SketchUp сәулет көрсету құралы ретінде Колорадодағы @Last Software компаниясында өмір бастады. 2006 жылы Google компаниясы компанияны сатып алып, SketchUp-ді Google Жер планетасына жоспарлаған.

SketchUp және SketchUp Pro-дің екі нұсқасында келді. Әдеттегі нұсқасы тегін болатын, бірақ пайдаланушыларға тек Google Earth жүйесіне үлгілерді экспорттауға рұқсат берілді. SketchUp Pro шамамен $ 495 болды. Студенттер мен оқытушылар тексеруден кейін SketchUp Pro-ге тегін лицензия ала алады.

Google бұдан кейін 3D модельдерін ауыстыра алатын 3D Warehouse-ты орнатқан. Google кеңейтілімдермен кейбір эксперименттер жасағанымен, құрал көбінесе сәулет көріністері мен Google Earth үшін жарамды болып қалды.

2012 жылы Google SketchUp компаниясын Trimble Navigation Limited навигациялық компаниясына сатты. Trimble тегін / pro баға моделін қолдады. SketchUp Make - құралдың тегін нұсқасы, ал SketchUp Pro бұл жазылымнан бастап 695 АҚШ долларын құрайды, оқушылар мен мұғалімдерге арналған білімдік жеңілдік.

SketchUp Make SketchUp Pro-дің тегін сынақ нұсқасымен бірге келеді, сондықтан пайдаланушылар сатып алғанға дейін әрекет ете алады. SketchUp Пайдаланушылар 3D үлгілерін жасай алады, бірақ SketchUp Make үлгілерді импорттау немесе экспорттау мүмкіндігі өте шектеулі. SketchUp Make таза коммерциялық емес мақсаттарда лицензияланған.

3D Warehouse және Extension Warehouse

3D Warehouse Trimble-ның SketchUp нұсқасымен тірі және жақсы. Сіз оны 3dwarehouse.sketchup.com сайтынан таба аласыз. Сонымен қатар, Trimble SketchUp Pro функционалын кеңейтетін кеңейтімдерді жүктеу үшін кеңейтілім қоймасын орнатады.

3D қоймасында әйгілі ғимараттардан жиһаздың жеке бөліктеріне дейін бірнеше архитектуралық элементтер бар, бірақ қатысушы пайдаланушылар 3D басып шығарылатын нысандар үшін үлгілерді қотарады.

Trimble ресурстарынан басқа, SketchUp пайдаланушылары 3D принтерлерге арналған модельдер үшін танымал биржалық сайт болып табылатын Thingiverse-қа элементтерді жүктей және жүктей алады.

3d принтер дегеніміз не?
Бұл - суретті үшөлшемді етіп шығаратын құрылғы. Ол сандық үшөлшемді модельді пайдалана отыра қабаттап шығарады. Суретті жасап шығаруға пластиктің бірнеше түрі негіз болады, алайда бүгінде өндірушілер бейненің әлдеқайда шынайы болуына жаңа компоненттер қосып жатыр.

Сырт келбеті жағынан 3d принтер металл бағыттаушылар қондырылған қарапайым принтерге ұқсас, ал басып шығаруды экструдер немесе лазер жасайды. Оны күрделі суреттер мен пішіндерді, бөлшектер мен фрагменттерді, жалпы қарапайым принтермен шығаруға мүмкін емес заттарды басып шығаруға қолданады. 

Басып шығарудың қандай технологиясы қолданылады?

Үшөлшемді басып шығару жайлы алғашқы идеялар сонау 80-ші жылдары пайда болған. Дәл сол уақыттары арнайы фотополимерл пластиктің көмегімен нысаналар құрастыратын стереолитограф жасалып шығарылған. Технология фотополимерлердің қасиеті негізінде жасалған – лазердің әсерінен ол қатып қалып, пластиктің қатты пішініне айналады. Дәл осы қасиеттер болашақ приинтерге негіз болды: лазер сәуле арқылы суреттің әрбір пикселін сұйық заттектен жасап салады, ол қатқан кезде нысананың қатты бөлшегіне айналады.

Тағы бір қолданылатын технология «лазерлік біріктіру» деп аталады. Қолданылатын материал – тез балқитын пластиктің ұнтағы. Лазердің әсерінен пластик балқып, иілгіш болады, ал кейін бір қоспаға бірігеді. Пластик лазердің температурасынан тұтанып немесе қышқылданып кетпес үшін жұмыс жасалып жатқан камераға азот жібереді (оқшау газ). 

3d принтердің жұмысы былай іске асады: қызметші элемент – экструдер-бас принтерді іске қосатын пластик жіпті балқытады. Кейін балқытылған элемент шүмек арқылы беріледі, ал кейін бөлме температурасында тез қатады. 
Жұмыс істеу үшін басқа өндірістік технологиялар сияқты арнайы жағдайды қажет етпейді. Оған қоса нысаналарды жасауға кететін шығын да аса көп емес – 1 кг пластик үшін бар-жоғы 50-60 доллар. Сонымен қатар нысана ұзақ уақытқа сақталады, бұл принтерді үй жағдайында пайдаланудың құндылығын арттырады.

  3d принтер ұсынатын мүмкіндіктер

Озық технология арқылы, бүгінде үшөлшемді суреті бар қарапайым футболкалар жасап қана қоймай, ғимараттардың күрделі үшөлшемді проекциялық модельдерін 100 микронға дейінгі нақтылықпен құрастыруға болады. Бұл әсіресе ғылыми институттарға өзекті, өйткені түптұлғасын жасап қана қоймай, жасалып жатқан зерттеулерде оны ұстап көруге де болады. Бұл жаңалыққа зергерлер де қуанды – жаңа заман принтерінің арқасында ең күрделі деген заттарға құйма пішіндерін жасау оңай болатын болды. Ал археологтарға табылған эле