Юный Учёный 2022 3.1

Информатика 49

— Studying online video tutorials; all the necessary sources of information, money and
— Online courses; time resources, the necessary skills, etc.
— Visiting special schools or offline courses; 4) The next step is to tackle the design of the future
— Practice (this method is not possible without using project. Using a photo editor, constructor, or creating
a software prototype with basic elements, you need to
at least one of the above options, but is required to create a  shell for the future project and also demon-
achieve success in any chosen area). strate it to the client in order to avoid unnecessary
Monetization or how to create full-fledged businesses mistakes during the creation of the main part of the
with only a laptop in hand? project and save time.
It is certainly good to be able to do something and have 5) Next, you should start developing the software itself.
certain skills, but it is even better when they bring you at least AT this stage, a full-fledged project should be created,
some benefit. A  natural question arises here: What should taking into account all the initial requirements of the
those who have mastered software development do in case customer and also based on the preferences specified
they do not want to create their own commercial project or in the previous stages of the order.
are not interested in owning a business? 6) The last step to a successful project is testing and re-
1) First, developers should start looking for clients. flection. Ready-made software must be tested in ac-
This should not be difficult, because for these purposes cordance with the requirements and if errors or cus-
there is a huge set of freelance sites and sites with or- tomer comments are found, all these details must be
ders of completely different kinds. However, beginners improved, after which you can hand over the project
should not take on large projects right away and it is and get paid for the work done.
better to try themselves on solving easy problems in In general, the relevance and demand for software devel-
the first weeks of work to gain experience. opment skills is increasing and a huge part of the world econo-
2) Second, it is worth contacting the client and pref- my is becoming dependent on IT technologies. In this regard,
erably conducting an interview where you need to the study of information technology, as well as the develop-
find out about the customer’s preferences in terms of ment of relevant skills, which will help to become a sought-af-
design and functionality. Pre-demos, re-clarifications, ter and highly paid specialist in the future, acquires maximum
and follow-up questions will also be very helpful as relevance. That is why in a  world where technology and IT
you work on a project. knowledge will become the main «weapon» of humanity, it
3) Third, it is worth creating a plan for the implemen- would be nice to learn how to use it.
tation of the project. In it, you must take into account

REFERENCES:

1. Andy Kiersz and Madison Hoff, «The 30 best high-paying jobs of the future». https://www.businessinsider.com/best-
jobs-future-growth-2019–3

2. Trio.dev, «13 Types of Software Development». https://trio.dev/blog/types-software-development

Изучение проблемы протезирования, классификации
протезов и способов связи их с человеком. Разработка

бионического экзопротеза

Лукашов Сергей Витальевич, учащийся 8-го класса;
Плотников Алексей Алексеевич, учащийся 10-го класса

Научный руководитель: Будучин Александр Андреевич, преподаватель информатики
МОБУ Средняя общеобразовательная школа № 6 с углубленным изучением отдельных предметов г. Всеволожска

В статье проведен анализ существующих вариантов протеза кисти, способов связи человека и протеза. После
проведенного анализа был разработан бионический экзопротез, подробно описан использованный в нем принцип
связи (ЭМГ), а также алгоритм работы и созданное программного обеспечения.
Ключевые слова: протезирование, бионический протез, мышечная активность, электромиография.

Согласно статистике, опубликованной периодиче- нарушения структур организма. Причины могут быть
ским электронным изданием «Научная Россия», различны: аплазия (дефект, при котором орган или часть
12  % людей на нашей планете имеют какие-либо тела не до конца развиты) и прочие аномалии, производ-

50 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

ственная травма с  последующей ампутацией. В  любом 2. Имплантация электродов к периферическим ней-
случае, то, как человек утратил конечность, не имеет ронам мышц оставшейся части конечности, этот
значения. Потеря конечности отражается на уровне фи- способ также довольно дорогостоящий и нуждаю-
зической и  социальной активности человека, снижает щийся в серьезной работе множества профессио-
качество жизни и  становится препятствием при реали- налов.
зации профессиональной деятельности. Около 390 тысяч
людей в  год теряют кисть руки. Отсутствие части тела 3. Регистрация биоэлектрической активности го-
приводит к физическим ограничениям, а также несет со- ловного мозга датчиком электроэнцефалогра-
циальные проблемы. фии (ЭЭГ). Имеет ряд технических сложностей.
Во-первых, систему надо обучать заново при ка-
В результате перед человеком стоит выбор: быть ин- ждом перемещении электродов. Во-вторых, сиг-
валидом, который из-за потери конечности не может нал неустойчив к наводкам и помехам.
даже ухаживать за собой, или попытаться вернуть функ-
циональность своего организма. Именно это и  стало 4. Определение мышечной активности путем изме-
толчком развития такой отрасли, как протезирование. рения отклонения эластичной стенки тензоме-
Актуальность этой проблемы остра и в нынешнем време- трического датчика. Принцип непрактичен из-за
ни. Многие инвалиды, несмотря на потерю конечности, большой погрешности в показаниях.
стараются вести прежний образ жизни, быть активны-
ми. В свою очередь протезы помогают людям с ограни- 5. Регистрация напряжения на мышце, вызванное
ченными возможностями частично восполнить функции ее активностью с  помощью электромиографии
утраченной части тела, упрощая им жизнь и  позволяя (ЭМГ).
вернуться к профессиональной деятельности.
Проведя детальный анализ существующих протезов
Подводя итог, можно сказать, что нашей основной це- кисти и предплечья, их классификации и вариантов свя-
лью является разработка и  создание функционального, зи с  человеком, можно определить наиболее эффектив-
доступного и  удобного протеза кисти или предплечья, ный вариант для разработки  — протез, позволяющий
способного улучшить качество жизни людей с  ограни- вернуть людей, утративших конечность, к  привычной
ченными возможностями и вернуть к профессиональной жизни: вариант протезирования — экзопротезирование.
деятельности. Выбор обусловлен практичностью и  удобством метода.
Протез крепится снаружи, не требует сложной операции
Протезирование — замена утраченных или необра- для какого-либо вживления. Тип протеза  — биониче-
тимо поврежденных частей тела искусственными за- ский, он имеет наибольший функционал по сравнению
менителями  — протезами. Различают следующие виды с  другими возможными вариантами, частично воспол-
протезирования: эндопротезирование (имплантация няет функции утраченной конечности, следовательно,
суставов, сосудов и  т.  п.); эктопротезирование (косме- способен вернуть человека к  прежнему образу жизни.
тические протезы); экзопротезирование (закрепляемые Способ связи протеза с  человеком  — поверхностная
снаружи протезы). ЭМГ. Снятие показаний о мышечной активности с помо-
щью датчиков электромиографии не является наиболее
Сами же протезы кисти делятся на: точным методом, но данный способ доступен и устойчив
1. Косметические протезы, выполняющие лишь де- к электромагнитным помехам, благодаря специфическо-
му устройству датчика. Единственной проблемой может
коративную функцию, но не восполняющие функ- быть мышечная атрофия. Корпус протеза будет распе-
ции утраченной конечности. чатан на 3д-принтере  — это недорогая технология, ко-
2. Тяговые протезы, представляющие собой си- торая позволит нам создать свою разработанную форму
стему рычагов. Когда человек совершает работу протеза.
остатком руки, тросы натягиваются и пальцы сги-
баются. Для того чтобы разобраться с работой ЭМГ датчика
3. Рабочие протезы, внешне похожие на обычную нужно понять, как устроены клетки мышцы, плазмати-
руку, но оснащенные креплениями под специаль- ческая мембрана и  какие процессы протекают внутри.
ные насадки для выполнения определенных дей- Мембрана состоит из двух слоев липидов (билипидный
ствий. слой). Каждая такая молекула имеет две части: гидрофоб-
4. Бионические протезы  — протезы, которые вос- ный хвост, направленный внутрь мембраны, и  гидро-
полняют часть функций утраченной руки. Управ- фильную головку, направленную наружу. Слои липидов
ление происходит за счет считывания мышечной пронизаны белками, некоторые из них проходят через
активности сохранившихся мышц. оба слоя и  называются интегральными. Другие белки
Для работы бионического протеза требуется ка- расположены так, что один из их концов располагается
ким-либо путем получать показания о мышечной актив- внутри мембраны, называются полуинтегральные. Нас,
ности человека и обрабатывать их. Существуют различ- по большей части, будут интересовать интегральные бел-
ные варианты связи между человеком и протезом: ки, так как они играют важную роль в трансмембранном
1. Внедрение различных имплантов в  зоны сенсор- процессе.
ной и  моторной коры головного мозга  — очень
дорогостоящий метод, требующий персональ- Особенное значение имеют интегральные белки, ко-
ной и  длительной работы специалистов. Уместен торые образуют каналы, способные пропускать через
в  случае потери связи между центральной нерв- себя ионы Na+, Ca2+, K+, Cl–. Следовательно, каналы де-
ной системой и мышцами руки. лятся на селективные (специфические): натриевые, каль-
циевые, калиевые, хлорные. Селективность обеспечива-

Информатика 51

ется особой структурой белка, каждого из типа каналов. тенциалов, поэтому он имеет два считывающих электро-
Также в  мембране существуют неспецифические кана- да и один опорный, избавляющий от шумов.
лы, они не имеют ионного фильтра и всегда открыты для
любых ионов. В состоянии покоя все натриевые каналы По функции мышцы предплечья делятся на разгиба-
закрыты, в свою очередь, калиевые открыты. Именно это тели и сгибатели. Причем сгибать и разгибать они могут
и является одним из фактором при формировании мем- как пальцы, так и всю кисть целиком. Также есть мышцы
бранного потенциала покоя (ПП). У всех живых клеток пронаторы и супинаторы, осуществляющие соответству-
цитоплазматическая мембрана поляризованная, то есть ющие движения (поворот кисти). По своему местополо-
имеет разный потенциал между наружной и внутренней жению все мышцы предплечья делятся на две группы:
поверхностью. В  происхождении ПП играют важную заднюю, состоящую из разгибателей и супинаторов, и пе-
роль: различная концентрация ионов внутри и вне клет- реднюю, в которую входят сгибатели и пронаторы. Каждая
ки, работа натрий-калиевого насоса, разная проницае- группа состоит из глубокого и поверхностного слоя.
мость селективных каналов.
ЭМГ датчики должны распологаться над теми
Активный транспорт обусловлен работой натри-ка- мышцами передней группы, который отвечают за какое-
лиевого насоса. При этом типе транспорта расходуется либо движение, связанное с  хватом. Такими мышцами
энергия, ее источником является аденозинтрифосфор- являются (нужно иметь в  виду, что каждая из мышц
ная кислота (АТФ). При расщеплении одной молекулы имеет свой аналог-антогонист, производящий действие
АТФ из клетки выводится три иона натрия, а  вводится в  обратную сторону). Можно выявить три основых
два иона калия. Это говорит о том, что механизм актив- жеста: сгибание и отведение запястья, сгибание пальцев.
ного транспорта играет важную роль в  создании мем- Значит максимальное количество жестов для протеза,
бранного потенциала покоя. используя только мышцы предплечья — шесть. Датчики
ЭМГ могут крипиться у  длинной ладонной мышци,
Когда раздражитель (нейрон) прикладывает доста- лучевого и локтевого сгибателя запястья, поверхностного
точную по длительности пороговую силу, то есть человек и глубокого сгибателя пальцев.
хочет напрячь мышцу, мембранный потенциал изменя-
ется. Этот потенциал называется потенциал действия Проведя детальный анализ и  исследования, связан-
(ПД) и рассчитывается как сумма ПП и превышения над ные с  физиологией человеческого организма, выбрав
ним. Поверхностная ЭМГ способна показать эту мышеч- подходящие комплектующие за нами остается заставить
ную активность (ПД). Датчик показывает разность по- все это каким-то образом взаимодействовать друг с дру-
гом, то есть наладить алгоритм работы протеза:

Рис. 1. Схема логики работы протеза

Датчик считывает мышечную активность и избавля- показания (мышца в напряжении) датчика. При после-
ет сигнал от шумов, передает показания на контроллер дующем развитии в планах разработать протез, способ-
в  виде аналогового сигнала, контроллер обрабатывает ный управлять каждым пальцем отдельно, следователь-
полученный сигнал. Контроллер отправляет запрос на но имеющим возможность воспроизведения различных
хост (пользовательское приложение) с  помощь Blue- жестов. Эти жесты человек, сможет сам настраивать
tooth-модуля и ожидает ответ в виде переменной, опре- с  помощью пользовательского приложения для An-
деляющей режим работы протеза. Ниже представлены droid и Windows. В качестве платформы для разработки
режимы работы протеза. пользовательского приложения и  его интерфейса был
выбран фреймворк Qt. Qt позволяет запускать напи-
Каждый человек имеет разный потенциал действия. санное с его помощью ПО в большинстве современных
Для того, чтобы пользователь мог самостоятельно на- операционных систем путём простой перекомпиляции
страивать протез, реализован режим калибровки. программы для каждой системы без изменения исход-
Принцип прост, при калибровке выводятся минималь- ного кода.
ное (расслабленная мышца) и  среднее максимальное

ЛИТЕРАТУРА:

1. Биология: в 3-х т Т. 2 и 3. / Грин Н., Страут У., Тейлор Д. / Пер. с англ. / Под ред. Р. Сопера. — М.: Мир, 1993. —
701 с., — ил.

52 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.
2. Биология для поступающих в вузы / Г. Л. Билич, В. А. Крыжановский. — 8-е изд. — Ростов-на-Дону: Феникс,
2016. — 1088 с.: ил.
3. Посохова Анна Протезирование: от советской разработки до современных технологий. Информация взята
с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) / Посохова Анна. — Текст: электронный // Научная
Россия:  [сайт]. — URL: https://scientificrussia.ru/articles/protezirovanie-ot-sovetskoj-razrabotki-do-sovremen-
nyh-tehnologij (дата обращения: 15.01.2022).
4. Евгений Жванский Не опускайте рук: почему бионические протезы не становятся доступнее? / Жванский
Евгений. — Текст: электронный // Forbes:  [сайт]. — URL: https://www.forbes.ru/tehnologii/345329-ne-opuskay-
te-ruk-pochemu-bionicheskie-protezy-ne-stanovyatsya-dostupnee (дата обращения: 15.01.2022).
5. Бакулев, В. И. К вопросу создания активных механических протезов для инвалидов с короткими культями
верхних конечностей / В. И. Бакулев, Г. Н. Буров. — Текст: непосредственный // Вестник Гильдии протезистов-
ортопедов. — 2004. — №  16. — с. 13–20.

На страже информации. Криптография

Новиков Даниил Андреевич, учащийся 2-го класса
Научный руководитель: Харченко Светлана Александровна, учитель начальных классов

ОАНО «Физтех-начало» (г. Долгопрудный, Московская обл.)

В статье автор доказывает возможность защиты информации с  помощью криптографии. Он осуществляет
шифрование открытого сообщения двумя разными алгоритмами, используя шифровальные устройства. Один ал-
горитм — известный, другой алгоритм — самостоятельно разработанный.
Ключевые слова: криптография, шифрование.

Моя работа посвящена защите информации. Это — самостоятельно разработать алгоритм шифрова-
очень актуально в  наше время, было актуально ния и  собрать макет шифровального устройства
в  прошлом и  будет актуально всегда. «Кто вла- для данного алгоритма;
деет информацией, тот владеет и миром» — это известное
высказывание Натана Ротшильда очень точно описывает — произвести шифрование открытого текста по раз-
важность информации и ее место в развитии человечества. работанному алгоритму с  помощью собранного
устройства;
Успех предпринимателей, надежная работа банков,
политическая деятельность, развитие науки, исходы во- — проанализировать полученные результаты и  сде-
енных конфликтов, электронные услуги — всё это и мно- лать выводы о возможности защиты информации
гое другое зависит от безопасной передачи информации. с помощью криптографии.
Ведь крайне важно, чтобы информация доходила от от-
правителя к  получателю таким образом, чтобы никто Понятия и принципы
посторонний не мог её заполучить и использовать с пло- Дословно термин «криптография» означает «тайно-
хими намерениями. Но в то же время важно, чтобы ин- пись». Смысл этого термина выражает основное предна-
формацию смог получить в целостности и понять адре- значение криптографии — защитить и сохранить в тайне
сат. Этим и занимается криптография. необходимую информацию  [4]. Криптография не «пря-
чет» передаваемое сообщение, а преобразует его в фор-
Проблема му, недоступную для понимания постороннего. Процесс
— информация может быть похищена и использова- такого обратимого преобразования открытой инфор-
мации, при котором доступ к  ней может быть только
на злоумышленниками у определенных лиц — получателей информации — на-
Гипотеза зывается «шифрованием». Зашифрованная информация
— информацию можно защитить называется «шифрограмма, шифротекст». Процесс пре-
Цель проекта образования шифрограммы в открытый текст называет-
— доказать, что с помощью криптографии можно за- ся «расшифровка».
Таким образом процесс криптографической защиты
щитить информацию (рис. 1) состоит из:
Задачи проекта: — шифрования исходного сообщения с использова-
— изучить алгоритмы шифрования прошлого;
— произвести шифрование открытого текста извест- нием ключа, то есть получение шифрограммы;
— расшифровка полученной шифрограммы с  ис-
ным алгоритмом шифрования с помощью шифро-
вального инструмента; пользованием ключа.

Информатика 53

Рис. 1. Структура криптографической защиты.  [6]

Ключ шифрования передается адресату или одно- Ключ шифрования — это изменяемый параметр в ал-
временно с  самим сообщением или заранее. Также за- горитме, который позволяет получить разные результа-
ранее адресату передается информация о  выбранном ты без изменения самого алгоритма, он является важным
шифре, то есть об алгоритме преобразования исходного элементом защиты, обеспечивающем дополнительную
сообщения. стойкость шифра к взлому.

Важно четко понимать значения понятий «шифр» и Быстрый взлом шифра возможен только при усло-
«ключ шифрования». Простым языком их можно выра- вии, что известен и сам алгоритм, и ключ шифрования.
зить следующим образом: Например, в шифре Цезаря, который появился в период
около 100 лет до н. э., алгоритмом является сдвиг алфави-
Шифр  — это какой-либо алгоритм преобразования та на определенную величину.  [1] А вот эта самая вели-
исходного сообщения в  шифрованное, то есть опреде- чина сдвига и есть ключ шифрования — в данном случае
ленная последовательность действий для всех символов 3. (рис. 2)
или слов.

Рис. 2. Алгоритм шифра Цезаря.  [7]

Взлом шифра — успешная попытка раскрытия шиф- примерно 4000 тыс лет до  н.  э. В  Древней Спарте ис-
рованного сообщения без знания алгоритма и ключа. пользовалась скитала (рис.  4). Также мы знаем о  дис-
ке Энея (рис. 5). А кардинал Ришелье использовал для
Шифрование, в котором используется один ключ для шифрования решетку Кардано (рис.  6). Пустые поля
шифрования и  расшифровки, называются симметрич- текста заполнялись другим текстом для маскиров-
ным, а сам ключ называется общим. ки сообщений под обычные послания  — таким об-
разом, применение решётки является одной из форм
В асимметричном шифровании данные шифруются стеганографии.  [2]
одним ключом, а  расшифровываются другим. Первый
ключ можно держать у всех на виду, а вот второй нужно Промышленная революция не обошла вниманием
прятать. и  криптографию. Около 1790 года один из отцов  —
основателей США Томас Джефферсон создал диско-
Ассиметричное шифрование более сложное и  обыч- вый шифр, прозванный позже цилиндром Джеффер-
но осуществляется с применением компьютеров. В дан- сона (рис.  7). Этот прибор, основанный на роторной
ной работе будет рассмотрено только симметричное системе, позволил автоматизировать процесс шиф-
шифрование. рования и  стал первым криптоустройством Нового
времени.  [3]
История шифрования
Шифр Цезаря не был первым шифром в  истории. Говоря о  шифровальных машинах, нельзя не упомя-
История шифрования берет свое начало намного нуть об Энигме (рис. 8).
раньше. Нам известен папирус с  измененными иеро-
глифами времен фараона Аменемхета II (рис. 3), а это

54 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.
Рис. 3. Древнеегипетский папирус с измененными иероглифами  [8]
Рис. 4. Скитала  [9]
Рис. 5. Диск Энея  [10]
Рис. 6. Решетка Кардана  [11]

Информатика 55
Рис. 7. Цилиндр Джефферсона.  [12]

Рис. 8. Шифровальная машина «Энигма».  [13]

Взлом шифра этой немецкой шифровальной машины recta (лат.). (Приложение 1). Для работы с таблицей Ви-
способствовал победе над фашистской Германией. женера сначала необходимо преобразовать ключ. Для
этого записываем ключ циклически до тех пор, пока его
Исследование: шифрование и  дешифровка откры- длина не будет соответствовать длине исходного текста,
того сообщения. при этом ключ не обязательно должен быть записано
полностью. Таким образом получаем преобразованный
Чтобы проверить, сможет ли криптографическая ключ «ЛИЦЕЙЛИЦЕЙ». Каждому символу исходного со-
защита сделать открытую информацию недоступной общения соответствует символ преобразованного ключа
для посторонних, я  буду шифровать исходное сообще- с тем же порядковым номером.
ние «Знания — сила», используя один известный шифр
и  один, разработанный мной самостоятельно. Из этого З НАНИЯСИЛА
исходного сообщения мы уберём пробелы и знаки пре- ЛИЦ Е ЙЛИЦ Е Й
пинания. Регистр букв не имеет значения при шифро-
вании. Таким образом, исходным сообщением во всех Порядок шифрования следующий:
шифрах будет «ЗНАНИЯСИЛА». 1.  Используя таблицу Виженера определяем символы
зашифрованного сообщения. Для этого:
Шифры, которые мы будем использовать, следующие: 1.1.  Ищем в таблице Виженера строку, соответствую-
— шифр Виженера щую символу преобразованного ключа.
— шифр упорядоченного смешения 1.2.  Ищем столбец, соответствующий символу исход-
После шифрования я  проверю полученные шифро- ного сообщения с тем же порядковым номером.
граммы на стойкость к взлому и сделаю вывод о надеж- 1.3.  Символ, находящийся на пересечении этих стро-
ности криптографической защиты информации. ки и столбца, является зашифрованным символом.
Шифр Виженера 2.  Осуществляем такие замены для каждого символа
Зашифруем исходное сообщение «Знания  — сила» исходного сообщения. В  результате получается шифро-
с  использованием ключевого слова «лицей» с  помощью ванное сообщение, равное по длине и  исходному сооб-
шифра Виженера. щению и преобразованному ключу.
Впервые этот метод описал Джовани Баттиста Белла- Пример:
со (итал. Giovan Battista Bellaso) в книге в 1553 году, одна- Ищем в таблице Виженера строку, соответствующую
ко в XIX веке шифр получил имя Блеза Виженера, фран- первой букве преобразованного ключа («Л») и  столбец,
цузского дипломата. Несмотря на то, что метод прост для соответствующий первой букве исходного сообщения
понимания и реализации, он является недоступным для («З»). На пересечении этих строки и  столбца находит-
простых методов криптоанализа, то есть является труд- ся символ «У». Это первый символ зашифрованного
ным для расшифровки. На протяжении трех столетий он сообщения.
противостоял всем попыткам его взломать, чем и зарабо-
тал имя «неразгаданный шифр».  [5]
Для шифрования и  расшифровки используется та-
блица Виженера, известная также под названием tabula

56 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

Ищем строку для символа «И» и столбец для символа 2.2.  В данной строке находится символ зашифрован-
«Н». На пересечении находится второй зашифрованный ного текста с тем же порядковым номером.
символ — «Ц».
2.3. Столбец, в  котором находится данный символ,
Таким образом получается вот такое шифрованное соответствует соответствующему символу исходного
сообщения.
сообщение: У Ц Ц Т Т К Ъ Я Р Й
3.  Такие замены производятся для каждого символа
Расшифровка производится следующим образом: шифрованного сообщения.
1.  Составляется преобразованный ключ тем же спо-
собом, как и при шифровании — путем циклической за- Алгоритм шифра Виженера можно эффективно реа-
писи ключа под шифрованным сообщением. лизовать с  помощью простого в  использовании и  изго-
2.  Определяются символы исходного сообщения: товлении механического шифровального инструмента,
2.1.  В таблице Виженера находится строка, соответ- который называется линейка Сен-Сира.   [3] Образец
ствующая символу преобразованного ключа; данного устройства мы изготовили специально для мо-
его исследования. (рис. 9)

Рис. 9. Линейка Сен-Сира

Одну часть линейки  — короткую, с  нанесенным на Порядок шифрования следующий (рис. 10):
ней алфавитом, называют неподвижной шкалой. Вторую 1. Длинной частью линейки выставляется символ
часть линейки, представляющую из себя перемещающу- ключа напротив символа А короткой части.
юся длинную полосу с нанесенными на ней двумя алфа- 2.  Ищем зашифрованный символ, он тоже находит-
витами друг за другом — называют подвижной шкалой. ся тоже на длинной части. Он расположен под исходным
символом на короткой части.
При работе с линейкой символы неподвижной шкалы 3.  Проделываем данную замену для каждого символа
не должны выходить за границы символов подвижной исходного сообщения. В шаге 1 нужный символ преобра-
шкалы. зованного ключа всегда располагается напротив символа
А неподвижной шкалы. В результате получается шифро-
Для начала работы с линейкой необходимо получить ванное сообщение, равное по длине и  исходному сооб-
преобразованный ключ, как мы это уже делали ранее: щению и преобразованному ключу.

Рис. 10. Порядок шифрования линейкой Сен-Сира.

В результате также получаем шифрограмму: 3. Проделываем данную замену для каждого символа
шифрограммы.
УЦЦТ Т КЪЯР Й
Шифр упорядоченного смешения
Порядок расшифровки следующий: Я придумал этот шифр, изучив много других шифров
1. Длинной частью линейки выставляется символ и принципы их действия. Он основывается на перемеши-
вании между собой строк и столбцов с исходным текстом
ключа напротив символа А короткой части. в определенном порядке, определяемым ключом, а имен-
2. Ищем на длинной части символ шифрограммы. но, упорядочивании по алфавиту символов слов ключа,
которые являются заголовками строк и столбцов табли-
Над ним, на короткой части, расположен символ
исходного сообщения.

Информатика 57

цы с  вписанным в  неё зашифрованным текстом. Алго- лы нужны для увеличения сложности шифра. Вписывать
ритм моего шифра следующий: надо по строкам.

1.  Исходное сообщение дополняется некоторым ко- В моем случае я добавил 10 символов алфавита к ис-
личеством дополнительных символов в  алфавитном ходному сообщению ЗНАНИЯСИЛА и получил следую-
порядке, так чтобы получившуюся фразу можно было щую таблицу (рис. 11):
полностью вписать в  таблицу. Дополнительные симво-
АН
ЗН СИ
ИЯ АБ
ЛА ДЕ
ВГ ЗИ
ЁЖ

Рис. 11. Исходное сообщение, дополненное символами алфавита

2.  Устанавливается ключ шифрования. Ключ состоит рялись буквы. После этого ключи добавляются к таблице
из двух слов, длина каждого слова соответствует размеру слева вертикально и сверху горизонтально, образую за-
таблицы. Первое слово — высота таблицы, т. е. количе- головки строк и столбцов. В моем случае я выбрал ключ
ство строк; второе слово — ширина таблицы, т. е. количе-
ство столбцов. Важно, чтобы в каждом из слов не повто- Л И Ц Е Й Д Е Т И.

Получается следующая таблица (рис. 12):

Д Е ТИ
Л З НА Н
ИИ Я СИ
ЦЛААБ
ЕВ ГД Е
Й ЁЖЗИ

Рис. 12. Исходное сообщение, дополненное ключом
Переставляем строки таблицы вместе с  заголовками
таким образом, чтобы символы первого слова ключа вы-
строились по алфавиту (рис. 13):

Д Е ТИ
ЕВ ГД Е
ИИ Я СИ
Й ЁЖЗИ
Л З НА Н
ЦЛААБ

Рис. 13. Упорядочивание строк по алфавиту
Переставляем столбцы таблицы вместе с заголовками
таким образом, чтобы символы второго слова ключа вы-
строились по алфавиту(рис. 14):

58 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

Д ЕИ Т
ЕВ Г ЕД
ИИЯИС
Й ЁЖИ З
Л З ННА
Ц ЛАБ А

Рис. 14. Упорядочивание столбцов по алфавиту

Из получившейся таблицы выписываем символы по 5. Строки таблицы вместе с  заголовками меняются
столбцам, не включая заголовки (измененные ключи). таким образом, чтобы символы первого слова ключа вы-
Эти символы и будут шифрограммой. В моем случае это строились из алфавитного порядка в слово.
ВИЁЗЛГЯЖНАЕИИНБДСЗАА.
6.  Из получившейся таблицы выписываются симво-
Получатель, зная шифрограмму и  ключ, может при- лы по строкам, не включая ключи.
ступить к  расшифровке. Делается это в  следующем
порядке: 7. Символы, представляющие себя алфавит по по-
рядку, отбрасываются.
1.  Зная ключ Л И Ц Е Й Д Е Т И , по-
лучатель строит таблицу размером 5 строк х 4 столбца. Оставшиеся символы являются исходным
сообщением — ЗНАНИЯСИЛА.
2.  В таблицу по столбцам вписывается шифрограмма
ВИЁЗЛГЯЖНАЕИИНБДСЗАА. При разработке моего алгоритма целью было не толь-
ко осуществление шифрования, но и возможность реали-
3.  К таблице добавляются слева вертикально и сверху зации алгоритма на несложном шифровальном устрой-
горизонтально заголовки, представляющие из себя сло- стве. Устройство должно иметь следующие возможности:
ва ключа в  алфавитном порядке  — Е И Й Л Ц
— составление таблицы с  произвольным набором
Д Е И Т. символов (возможность замены букв);
4.  Столбцы таблицы вместе с заголовками меняются
— свободное перемещение столбцов и строк этой та-
таким образом, чтобы символы второго слова ключа вы- блицы.
строились из алфавитного порядка в слово.
Я придумал такое устройство, которое удовлетворяет
данным требованиям, а папа помог мне его изготовить.
(рис. 15–17).

Рис. 15. Изготовление кубиков

Рис. 16. Нанесение символов на сменные стикеры Рис. 17. Мое шифровальное устройство

Информатика 59

Оно состоит из кубиков, в каждом из которых проде- у  меня много времени, а  вот их расшифровка без знания
ланы сквозные перпендикулярные отверстия, короба для алгоритма, с помощью которого они получены, а также без
них и длинных палочек. Если кубики сложить в виде та- знания ключей шифрования, представляет из себя трудо-
блицы в короб, то, благодаря отверстиям, возможно па- емкий процесс и может занять длительное время.
лочками перемещать как строки таблицы, так и столбцы.
Клеящееся сменные стикеры с нарисованными буквами Заключение
позволяют использовать данное приспособление для Проведя исследование, я  получил следующие
разных фраз и  ключей. Шифрование длинных сообще- результаты:
ний требует увеличения самой таблицы или изготовле- — я понял, как строится криптографическая защита;
ние других таких же наборов. — я разработал шифр и  собрал шифровальное

Результат шифрования устройство, реализующее алгоритм данного шиф-
Используя два разных алгоритма шифрования, я по- ра;
лучил следующие варианты зашифрованного исходного — я самостоятельно зашифровал исходное сообще-
сообщения: «Знания — сила»: ние с использованием двух разных шифров с по-
УЦЦТТКЬЯРЙ мощью шифровальных устройств.
ВИЁЗЛГЯЖНАЕИИНБДСЗАА А после испытание шифрограмм на устойчивость
После получения шифрограмм я решил проверить их на к взлому я сделал вывод от том, что криптография позво-
стойкость к  взлому  — я  попросил нескольких людей раз- ляет защитить информации.
гадать две эти шифрограммы, не раскрывая им алгоритм Развитие компьютерных технологий революционно
и ключи шифрования. За несколько дней, которые я отвел изменило принципы построения криптосистем. Крипто-
на испытание, шифры не были разгаданы. Более того, рас- графия ушла далеко вперед от примитивных шифров
шифровка не удалась даже после того, как я раскрыл ключи. к  сложным алгоритмам шифрования, но будет разви-
Получение двух шифрограмм двумя способами не заняло ваться и  дальше, становясь все более совершенным ин-
струментом на страже информации.

СИМВОЛЫ КЛЮЧА Приложение 1

Таблица Виженера

СИМВОЛЫ ИСХОДНОГО СООБЩЕНИЯ

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я
А А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я
Б Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А
В В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б
Г Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В
Д Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г
Е Е Ё Ж З И Й К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д
Ё Ё Ж З И Й К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е
ЖЖ З И Й К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё
З З И Й К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж
И И Й К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З
Й Й К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И
К К Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й
Л Л МН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К
ММН О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л
Н Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М
О О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н
П П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О
Р Р С Т У Ф Х Ц ЧШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П
С С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р
Т Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С
У У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т
Ф Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У
Х Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф
Ц Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х
Ч Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц
ШШЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч
ЩЩ Ъ Ы Ь Э Ю Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш
Ъ Ъ Ы Ь ЭЮ Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ
ЫЫ Ь ЭЮ Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ
Ь Ь ЭЮ Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы
Э ЭЮ Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь
ЮЮ Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э
Я Я А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч ШЩ Ъ Ы Ь Э Ю

60 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.
ЛИТЕРАТУРА:

1. Роман Душкин: Математика и криптография. Тайны шифров и логическое мышление. 2017 г. , Издательство
АСТ, г. Москва, 190 стр.

2. Ирина Русецкая: История криптографии в Западной Европе в раннее Новое время. 2014г, Центр
гуманитарных инициатив, Университетская книга — СПб, 144 стр.

3. Шифры из прошлого: тайнопись и загадки докомпьютерной эпохи  [Электронный ресурс]: 3D News. — Режим
доступа: https://3dnews.ru/916293/shifri-iz-proshlogo-taynopis-i-zagadki-dokompyuternoy-epohi (дата обращения:
12.12.2021)

4. Криптография и защищённая связь: история первых шифров  [Электронный ресурс]: Хабр. — Режим доступа:
https://habr.com/ru/post/321338/ (дата обращения: 12.12.2021)

5. Шифр Виженера  [Электронный ресурс]: Википедия. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %A
8 %D0 %B8 %D1 %84 %D1 %80_ %D0 %92 %D0 %B8 %D0 %B6 %D0 %B5 %D0 %BD %D0 %B5 %D1 %80 %D0 %B
0 (дата обращения: 12.12.2021).

6. Структура криптографической защиты https://cdn.otus.ru/media/public/f6/7d/symmetric_encryption_graphic_ru-
20219-f67d82.png

7. Шифр Цезаря https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %A8 %D0 %B8 %D1 %84 %D1 %80_ %D0 %A6 %D0 %B5 %D0 %
B7 %D0 %B0 %D1 %80 %D1 %8F#/media/ %D0 %A4 %D0 %B0 %D0 %B9 %D0 %BB:Caesar3.svg

8. Древнеегипетский папирус с измененными иероглифами https://rostec.ru/upload/medialibrary/018/0187e7c1d1c-
5fa5f548a9bf432eea4a0.jpg

9. Скитала https://3dnews.ru/assets/external/illustrations/2015/06/27/916293/2.png
10. Диск Энея https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/4395091/pub_60d1e1225fc3481f3f417d9a_60d1ebe6d-

4596758d59a3b09/scale_1200
11. Решетка Кардано https://3dnews.ru/assets/external/illustrations/2015/06/27/916293/13.png
12. Цилиндр Джефферсона. https://spy-museum.s3.amazonaws.com/files/callouts/classic-lrg-jefferson-cipher-3.jpg
13. Энигма http://vichivisam.ru/wp-content/uploads/2019/02/d96c00eab0f265cdfe882f8edb07f183–1068x712.jpg

Сенсорные экраны: эволюция и направления развития

Стульников Ярослав Петрович, учащийся 11-го класса
Научный руководитель: Капаева Екатерина Валерьевна, учитель
МБОУ города Костромы «Гимназия №  33 имени выдающегося земляка Маршала Советского Союза, дважды Героя Советского

Союза Александра Михайловича Василевского»

В статье авторы исследуют виды сенсорных экранов, их характеристики, достоинства и недостатки, сферы при-
менения и возможные пути развития.
Ключевые слова: сенсорный экран, тип экрана.

Идея создания сенсорных экранов появилась тог- а  в 2007 Apple выпустила первый iPhone, оснащённый
да, когда использование мыши или клавиатуры проекционно-ёмкостным экраном, поддерживающим
стало нецелесообразным или затруднительным. технологию miltitouch (Рисунок 2). Именно появление
Первым устройством с таким экраном стал графический этого смартфона на рынке положило начало массовому
планшет, изобретённый в 1971 году Сэмюэлем Херстом. распространению сенсорных панелей, которые стали по-
В 1983 году компания Hewlett-Packard выпустила первый являться повсеместно: в принтерах, электронных книгах
в мире компьютер с сенсорным экраном на ИК-сетке (Ри- и др., хотя до этого они использовались лишь в термина-
сунок 1). Экран представлял собой матрицу размером 14 лах на улицах или предприятиях.  [1,2]
на 21 точку.
В данный момент времени технологии сделали огром-
В то время массовое распространение сенсорных ный шаг вперёд. Как было сказано, сенсорные экраны
экранов было невозможным, так как они были слиш- получили повсеместное распространение: мы видим их
ком дорогие в производстве и имели высокое энергопо- и  взаимодействуем с  ними почти каждый день. В  этой
требление. Лишь спустя 15 лет, в 1998 году удалось по- статье нами описаны основные технологии сенсорных
местить монохромный сенсорный экран в  компактное экранов.
устройство. Цветной экран появился в 2002 году в смарт-
фоне компании HTC и  имел резистивную технологию, В настоящее время выделяют четыре основных прин-
ципа работы экранов: резистивный, ёмкостный, с опре-

Информатика 61
Рис. 1. Моноблок HP-150

Рис. 2. iPhone первого поколения  [2]

делением поверхностно акустических волн и оптический. и соприкасается с нижней. Микроконтроллер фиксирует
На их основе разработаны другие сенсорные технологии изменение сопротивления и таким образом определяют-
и  конструкции экранов. Ниже приведены подробные ся координаты прикосновения. Плюсами данного типа
сведения об основных используемых типах. экранов является низкая стоимость производства, высо-
кая чувствительность и возможность нажимать на экран
Резистивный экран. Как следует из названия, в  ос- любым предметом. Минусами является плохое светопро-
нове технологии лежит электрическое сопротивление. пускание и отсутствие multitouch.
Экран состоит из двух прозрачных пластин, разделён-
ным слоем диэлектрика (Рисунок 3). Принцип работы Применяются в сотовых телефонах, коммуникаторах,
прост: при нажатии верхнюю пластину она прогибается терминалах, медицинском оборудовании.

Рис. 3. Резистивный сенсорный экран  [3]

Ёмкостный экран. Делятся на поверхностно-ёмкост- электроды, подающие на проводящее покрытие низ-
ные и  проекционно-ёмкостные. Поверхностно-ёмкост- ковольтное переменное напряжение. Для определения
ная технология представляет собой стекло, на которое места нажатия контролер сравнивает импульсы тока,
нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие и за- возникающие в точке касания (Рисунок 4). Плюсы: хоро-
щитный слой. По краям стекла расположены печатные шее светопропускание, малое время отклика и большой

62 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

ресурс касаний. Минусы: электроды мешают размеще- не чувствителен к  прикосновениям не проводящими
нию в  компактных устройствах, требователен к  темпе- предметами.
ратуре окружающей среды, не поддерживает multitouch,

Рис. 4. Поверхностно-емкостной сенсорный экран  [3]

Проекционно-ёмкостные экраны состоят из стекла, кости и считывает координаты (Рисунок 5). Плюсы: под-
на внутреннюю поверхность которого нанесена сетка держка multitouch, возможность сделать толщину экрана
из электродов. При касании палец и электрод образуют как относительно большой, так и  маленькой. Минусы:
конденсатор, контроллер обнаруживает изменение ём- малая толщина приводит к хрупкости.

Рис. 5. Проекционно-ёмкостный экран  [3]

Ёмкостные сенсорные панели применяют в информа- и  возможность определения силы нажатия. Минусы:
ционных киосках, охраняемых помещениях, некоторых низкая точность по сравнению с ёмкостными, сбои в ра-
банкоматах. боте при воздействии шумов, вибраций и загрязнений.

Экран с  определением поверхностно-акустических Инфракрасный экран. Относится к  оптическому
волн (ПАВ). Один из самых сложно устроенных экранов. типу экранов. Именно этот тип экрана был применён
Принцип работы: по углам экрана размещены пьезоэле- в компьютере на рисунке 1. Для определения места ка-
менты, преобразующие электрический сигнал в ультраз- сания используются расположенные по краям линейки
вуковые волны и направляющие эти волны вдоль поверх- светодиодов и фотодиодов (Рисунок 7). Любой предмет,
ности экрана. Отражатели распределяют волны по всей помещённый на пути луча, прерывает ход тока через фо-
поверхности экрана, после чего сенсоры фиксируют эти тодиод. Так и определяются координаты касания. Плю-
волны и  передают их на преобразователь (Рисунок 6). сы: самое высокое качество картинки. Минусы: реаги-
При касании пальцем экрана в любой точке происходит руют на попадания солнечных лучей, низкая точность
поглощение волн. Общая картина распространения уль- касания.
тразвуковых волн изменяется и преобразователь выдает
более слабый сигнал, который сравнивается с хранящим- Multitouch. Отдельно стоит рассказать об данной тех-
ся в памяти. Так вычисляются координаты касания экра- нологии. В нашей статье она упоминалась уже несколько
на. Плюсы: долговечность, высокая светопроводимость раз. Эта технология является не самим сенсорным экра-
ном, а дополнением к нему. Сам термин переводится на

Информатика 63

Рис. 6. Сенсорный экран ПАВ  [3]

Рис. 7. Инфракрасный экран  [3]

русский как «Множественное нажатие». Эта технология нову взят оксидом индия-олова. Он прозрачный,
позволяет экрану распознавать несколько точек сопри- с  высокой проводимостью, но слишком хрупкий.
косновения, поэтому становятся возможны жесты, на- Поэтому ученые решили добавить ему пластично-
пример: щипок (уменьшение изображения), разведение сти, а также уменьшить толщину.  [4]
пальцев (увеличение изображения) и вращение пальца- 2. Компания Atmel разработала технологию гибких
ми по экрану (поворот изображения). Для работы же- сенсорных дисплеев, которую назвала XSense. Эта
стов необходима программная поддержка. технология позволяет производить очень тон-
кие сенсорные дисплеи, не нуждающиеся в рамке
Развитие технологий. Технический прогресс не обхо- и  способные гнуться под любым углом, что от-
дит стороной и сенсорные экраны. Перечисленные выше крывает широкие перспективы перед разработ-
экраны имеют свои достоинства и  недостатки, поэтому чиками мобильных устройств, поскольку такие
учёные ищут способы от них избавиться, что приводит дисплеи могут в корне изменить наше представле-
к созданию всё новых и новых типов экранов. ние о  размерах планшетов, смартфонов и  других
устройств.  [5]
Вот несколько научных открытий, которые могут 3. LG продемонстрировала свои OLED-техноло-
прийти на замену существующим ныне технологиям. гии нового поколения на конференции Society
for Information Display (SID) 2020. В «Зоне свобо-
1. Австралийские ученые разработали новый тип ды неограниченного дизайна» (Unlimited Design
материала, который реагирует на прикосновения Freedom Zone) компании представлен 65-дюймо-
и  имеет толщину в  сто раз меньше, чем экраны вый телевизор, который сворачивается в  свиток
современных смартфонов. Возможно, однажды и убирается в подставку, когда он не использует-
он найдет применение в  мобильных устройствах ся.  [6]
следующего поколения. Из-за его невероятной
тонкости и гибкости его можно будет производить
в больших масштабах — печатать как газету. За ос-

64 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

Некоторые разработки уже могут считаться массовы- вания к ним будут различными. Все экраны объединяет
ми, но их качество пока не позволяет полностью заме- одно: они обеспечивают комфортное взаимодействие че-
нить уже устоявшиеся технологии. ловека с устройством, поэтому развитие данной техноло-
гии будет продолжаться и дальше.
Вывод. И  так, в  результате нашего исследования
можно сделать вывод, что идеального сенсорного экрана Обобщением всего сказанного в статье станет табли-
на данный момент не существует. Каждый тип экранов ца 1, в  которой представлены общие характеристики
применяется в определённых условиях, поэтому и требо- экранов и их оценка.

Таблица 1. Сравнительная характеристика сенсорных экранов

Доступность, легкость использования Резистивный Ёмкостный ПАВ Инфракрасный
Устойчивость курсора Хорошая Отличная Хорошая Отличная
Устойчивость к атмосферным явлениям Хорошая Отличная Хорошая Отличная
Точность касания Низкая Отличная Низкая Низкая
Прозрачность Хорошая Отличная Отличная Низкая
Износоустойчивость поверхности Отличная Хорошая Отличная Отличная
Светопередача Отличная Хорошая Отличная Отличная
75 % 85 % 100 %
92 %

ЛИТЕРАТУРА:
1. Сенсорный экран. — Текст: электронный // wikipedia.org:  [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/

Сенсорный_экран (дата обращения: 13.02.2022).
2. С чего всё начиналось в мире сенсорных экранов... — Текст: электронный // touchtechn.ru:  [сайт]. — URL:

http://www.touchtechn.ru/history-of-touch-screen.html (дата обращения: 13.02.2022).
3. Карабин, А. С. Типы сенсорных экранов. Какой сенсорный экран лучше / А. С. Карабин. — Текст:

электронный // life.mosmetod.ru:  [сайт]. — URL: http://life.mosmetod.ru/index.php/item/tipy-sensornyh-ekranov-
kakoj-sensornyj-ekran-luchshe (дата обращения: 13.02.2022).
4. Новые тонкие и гибкие экраны можно печатать как газеты. — Текст: электронный // scientificrussia.
ru:  [сайт]. — URL: https://scientificrussia.ru/articles/novye-tonkie-i-gibkie-sensornye-ekrany-mozhno-pechatat-kak-
gazety (дата обращения: 13.02.2022).
5. Гибкий датчик касания Atmel XSense. — Текст: электронный // 3dnews.ru:  [сайт]. — URL: https://3dnews.
ru/776871 (дата обращения: 13.02.2022).
6. LG показала экраны будущего. — Текст: электронный // ixbt.com:  [сайт]. — URL: https://www.ixbt.com/
news/2020/08/05/lg-pokazala-jekrany-budushego.html (дата обращения: 13.02.2022).

Физика 65

ФИЗИКА

Ветроэнергетическая установка малой мощности за окном

Нагорный Никита Игоревич, учащийся 2-го класса
Научный руководитель: Харченко Светлана Александровна, учитель начальных классов

ОАНО «Физтех-начало» (г. Долгопрудный, Московская обл.)

Статья содержит научные результаты участия автора в школьном этапе Всероссийского конкурса исследова-
тельских работ и рефератов «Я — исследователь» 2022 года.
В статье автор анализирует возможность получения электрической энергии из ветроэнергетической установки,
сконструированной своими руками из подручных материалов, а также возможность применения полученной энер-
гии для зарядки небольших аккумуляторных устройств.

Цивилизация на нашей планете потребляет всё в Москве в среднем только 60 солнечных дней в году, при
больше и  больше самых разных природных ре- этом солнечные панели занимают много места и  стоят
сурсов, и среди них главное место занимают ре- дорого. С другой стороны, ветровая энергетическая уста-
сурсы энергетические. Основную их часть (более 80  %) новка является относительно небольшим сооружением,
составляет ископаемое топливо: уголь, нефть и газ. Про- и собрать её можно из подручных материалов.
блема состоит в том, что, с одной стороны, их запасы ко-
нечны (невозобновляемы), а с другой, при их сжигании Есть две причины, по которым я  выбрал эту тему.
выделяется углекислый газ, который, по мнению ряда учё- С  одной стороны, моё исследование внесёт, пусть и  не-
ных, увеличивает на планете «парниковый эффект» и на- большой, но вклад в  общее дело повсеместного разви-
прямую влияет на климат планеты. В этой связи особую тия зелёной энергетики (и покажет, что это не так уж
значимость приобретает использование возобновляемых сложно).
источников энергии (ВИЭ), которые в  основном отно-
сятся к «зелёной энергетике». Зелёная энергетика — это С другой стороны, далеко не во всех регионах пла-
энергия, получаемая из тех природных ресурсов, кото- неты электричество подают 24 часа в  сутки. Бывают
рые возобновляются естественным путём. неожиданные отключения, связанные как с  погодными
условиями (например, жара в  августе 2020  г. обрушила
ВИЭ — это такие природные процессы, которые, с од- энергосистему Калифорнии   [5]), так и  с проблемами
ной стороны, являются относительно устойчивыми во экономики в целом (отключение света в Китае  [6]). В та-
времени, а  с другой,  — регулярно возобновляемыми. Ис- ких случаях наличие независимой от центральной сети
тинным источником всех ВИЭ является Солнце, поэто- возможности зарядить мобильный телефон или планшет
му, пока оно светит, ВИЭ можно считать «условно беско- позволит семье быть на связи и  пользоваться Интерне-
нечными». К ним относят следующие виды: том. В России периодические отключения электричества
также не являются редкостью, особенно в  отдалённых
1. энергия ветра; регионах страны.
2. энергия воды (реки, приливы, отливы);
3. солнечная энергия; Общая цель проекта формулируется следующим об-
4. геотермальная энергия; разом: доказать, что с  помощью небольшой ветровой
5. энергия биомассы (растительное масло, древеси- энергетической установки (микро-ВЭУ) за окном город-
ской квартиры вполне возможно регулярно заряжать
на, этанол). небольшое аккумуляторное устройство: мобильный те-
Из перечисленных ВИЭ наиболее удобными и  уни- лефон, планшет или ноутбук.
версальными для использования в любой местности яв-
ляются только ветровая и солнечная энергетика. Для достижения этой цели необходимо решить следу-
Основным объектом моего исследования я  выбрал ющий ряд задач:
ветровую энергетику, а  предметом  — малую ветровую
энергетическую установку (ВЭУ). От исследования сол- — выбрать тип ветрового колеса, изучив литератур-
нечной энергетики пришлось отказаться, поскольку ные источники;

— собрать его из подручных материалов и  разме-
стить за окном;

66 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

— выбрать и разместить генератор тока; нения ни в России, ни в мире и используются в основном
— сделать выводы о  возможности заряжать малые для энергоснабжения маломощных объектов (обычно
питаемых постоянным током небольшого напряжения),
аккумуляторные устройства с  помощью такой например, автономных систем освещения. Это вызвано
установки. высокой стоимостью комплектующих, которые обычно
Ветровая обстановка конкретной квартиры сильно производятся штучно, а значит, довольно дороги.
зависит от окружающего её ландшафта. Но в целом для
города характерны собственные циркуляции воздуха, Между тем, авторы указывают на ошибочность мне-
вызванные сквозняком между домами, неравномерным ния о том, что экономическая эффективность малых ВЭУ
нагревом улиц, домов, дорожного асфальта и  т.  д. Поэ- ниже, чем крупных. Сравнивая мощность одной крупной
тому каждая квартира за своим окном будет иметь свою установки и ряда небольших, но сравнимых по диаметру
собственную ветровую обстановку. ометаемой площади, авторы указывают, что материа-
На равнинной местности ВЭУ обычно поднимают лоёмкость конструкции ротора имеет кубическую зави-
минимум на 6–7 метров над поверхностью земли, а когда симость от диаметра ветрового колеса. Это значит, что
квартира находится, например, на третьем этаже, это уже крупная установка экономически проигрывает, т.  к. её
составляет около 9 метров высоты. Этого должно быть масса с ростом площади ветроколеса будет расти сильно
достаточно для регулярных ветровых явлений. быстрее (в кубе), чем масса малых ВЭУ.
Гипотеза моего исследования состоит в  том, что за-
ряжать небольшие устройства с помощью микро-ВЭУ за Из этого факта авторы делают вывод, что малые
окном возможно. и микро ВЭУ имеют серьёзные экономические преиму-
Моё небольшое исследование вполне актуально как щества перед большими установками, несмотря на то,
с практической точки зрения (независимая возможность что пока стоимость их комплектующих, производи-
заряжать мобильные устройства), так и  в целях повсе- мых как правило штучно, слишком велика и  в целом
местного развития зелёной энергетики (использование не отражает их возможную эффективность. Подобный
ветра не выделяет углекислый газ). довод мы находим и  в третьей главе книги Войцехов-
При выполнении своей работы я использовал теоре- ского  Б.  В. «Микромодульная ветроэнергетика»: «При
тические (анализ литературных данных) и эмпирические геометрически подобном уменьшении размеров ве-
методы (конструирование и наблюдение). тротурбин они имеют проактически одинаковый ко-
Литературный обзор эффициент использования энергии ветра. Их удельная
Тема малых ветроэнергетических установок ещё недо- материалоёмкость, отнесённая к  единице ометаемой
статочно глубоко исследована в научной литературе. По- воздушным потоком площади, снижается пропорцио-
этому в своей работе я опирался не на популярные книги, нально диаметру»  [4].
а на отдельные статьи в научных журналах. В частности,
на статью «Исследование аэродинамических характери- В статье «ВЭУ с вертикальной осью вращения» авто-
стик микро-ВЭУ» журнала «Электротехнические систе- ры указывают, что наибольшее распространение в наше
мы и комплексы» (№  1(34), 2017 г)  [3]. время получили ветротурбины с  горизонтальной осью
В этой статье авторы указывают, что малые и микро вращения   [2] (рис 1). Но такие ВЭУ имеют существен-
ВЭУ (мощностью до 10 кВт) не имеют широкого приме- ный недостаток: им нужно время, прежде чем они раз-
вернут свои лопасти на ветер, а направление ветра может
быстро меняться.

Рис. 1. Ветротурбины с горизонтальной осью вращения

Физика 67

Это напрямую влияет на выходную мощность ветровой дома, а она расположена вертикально, поэтому горизон-
установки, поскольку ометаемая площадь напрямую тально-осевое колесо не будет улавливать ветер, который
зависит от направления ветра по отношению к оси ротора дует снизу или сверху.
и в некоторые моменты времени может быть значительно
меньше площади ветроколеса. Следовательно, мощность Поэтому я выбрал ВЭУ вертикального типа, которая
такой ветроустановки также будет непостоянной. Этот на стене дома располагается горизонтально. Такое реше-
недостаток не относится к  установкам с  вертикальной ние позволило одновременно и улавливать ветер с любо-
осью вращения: они могут ловить ветер с  любого го направления (кроме встречного, но ветер почти всегда
направления и в любой момент времени. Между тем, они дует вдоль стены, а не в стену), и при этом избежать слож-
имеют свои недостатки, которые следует преодолевать. ностей с изготовлением лопастей высокого аэродинами-
Например, малую скорость вращения ротора. ческого качества. ВЭУ вертикального типа также бывают
со сложными лопастями, но я выбрал наиболее простой
Опираясь на рассмотренные выше научные статьи, вариант, когда вокруг подвижного ротора с прямыми ло-
я  пришёл к  выводу, что классическое горизонтальное пастями располагаются неподвижные лопасти, которые
трёхлопастное колесо в городских условиях не подходит. направляют ветровой поток на лопасти ротора. Ниже
Потому что в городе ветер почти всегда дует вдоль стены представлена принципиальная схема такой ВЭУ (рис. 2).

Рис. 2. Схема простой ВЭУ вертикального типа

В качестве генератора электричества лучше исполь- принтера, который может вырабатывать небольшой пе-
зовать самодельный генератор постоянного тока на фер- ременный ток. Именно по значениям переменного тока
ритовых магнитах. Конструирование таких генераторов я  оценивал возможность получения нужной мощности
для ВЭУ небольшой мощности представляет отдельную для зарядки мобильных устройств.
научную проблему, которая активно обсуждается в на-
учной литературе, и  окончательного решения по этой Экспериментальное исследование
теме ещё не выработано. Так, в статье Бубенчикова А. А. Своё экспериментальное исследование я  проводил
«Применение ветроколёс и генераторов для ВЭУ малой способом конструирования и наблюдения.
мощности» отмечается, что «генератор является важ- Конструировать ветроколесо мне помог папа. Для
нейшим элементом электрооборудования автономной изготовления основного корпуса ВЭУ мы использовали
энергоустановки. Кроме основного назначения генера- обыкновенную фанеру толщиной 10 мм. На ней отметили
тор должен выполнять определённые функции по ста- и вырезали круг диаметром 75 см (рис. 3), который станет
билизации и регулированию параметров, характеризу- задней стенкой ветроустановки. Затем мы изготовили
ющих качество вырабатываемой электроэнергии»  [1]. ещё одну такую же круглую заготовку, внутри которой
вырезали круг меньшего диаметра (45 см), который нужен
В связи со сложностью изготовления генератора для того, чтобы поместить внутрь ротор с лопастями. На
постоянного тока я  использовал электродвигатель от фото ниже представлены обе заготовки (рис. 4).

68 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

Рис. 3. Диаметр будущего колеса

Рис. 4. Заготовки корпуса

Далее мы приклеили направляющие для неподвиж- вращается на двух подшипниках с внешним диаметром
ных лопастей под углом 40 градусов на обеих заготовках 20 мм и внутренним — 8 мм.
корпуса зеркально друг к другу (рис. 5). По уже готовым
направляющим мы приклеили неподвижные лопасти Далее мы покрасили корпус в серый цвет. Внутри кор-
(рис. 6), которые немного выходят за основной корпус пуса поместили ротор с лопастями (рис. 9). На этом этапе
(рис. 7). Такое решение вызвано тем, что неподвижная ротор свободно вращается на ветру, но электричество не
лопасть должна перекрывать ровно половину ротора. производит, так как не хватает генератора электрическо-
Поэтому, чтобы не увеличивать и  без того довольно го тока, а также крепёжных приспособлений для крепле-
габаритный корпус, лопасть немного выходит за него. ния ВЭУ к стене дома.
Прочность корпуса при этом вполне достаточна, а ве-
тровой поток с  любого направления обдувает только В качестве генератора мы использовали шаговый
половину ротора, что и приводит его во вращение. двигатель от принтера, который генерирует небольшой
переменный ток (рис. 10). Небольшие генераторы
Затем мы приклеили верхнюю часть корпуса (рис. 7). постоянного тока имеют довольно сильное «залипание»,
В него потом будет вставлен ротор. Следующим этапом из-за чего ротор мог бы вращаться только на сильном
мы изготовили сам ротор. Валом послужил латунный ветру.
прут диаметром 8 мм, а  лопасти мы сделали из лёгкой
трубы воздуховода, распилив его пополам (рис. 8). Вал Затем мой папа закрепил ветроколесо за балконом
11 этажа (рис. 11), и  мы приступили к  периодическим
наблюдениям.

Физика 69

Рис. 5. Направлющие для неподвижных лопастей

Рис. 6. Приклеивание неподвижных лопастей
Рис. 7. Сборка корпуса

70 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.
Рис. 8. Изготовление ротора
Рис. 9. Окрашенное колесо
Рис. 10. Установка генератора

Физика 71

Рис. 11. Микро-ВЭУ за окном

На протяжении недели с 17-го по 23-е января мы нерегулярный характер, и в безветренную погоду ротор
в течение дня вели наблюдение за ветроустановкой и во оставался без движения, либо неожиданно раскручивал-
время её вращения измеряли переменный ток и  напря- ся под сильными порывами ветра. Результаты наших на-
жение с  помощью цифрового мультиметра (рис. 12–14). блюдений представлены в таблице 1 при скорости ветра
Выяснилось, что ветровая обстановка за окном носит от 3 до 5 метров в секунду.

Таблица 1. Наблюдения за током и напряжением, получаемыми от ВЭУ

Дата/показатель 17.01.22 18.01.22 19.01.22 20.01.22 21.01.22 22.01.22 23.01.22
Напряжение, В 1,2 1,0 0,9 1,4 1,1 0,8 1,5
Сила тока, мА 11,0 11,0 10,0 12,0 10,0 9,0 13,0
Мощность, Вт
0,0132 0,0110 0,0090 0,0168 0,0110 0,0072 0,0195

Мощность в данных таблицы — расчётная величина, Как видно из таблицы, оценочных значений мощ-
полученная путём умножения значения напряжения на ности в  ваттах не достаточно для зарядки мобильного
значение силы тока. устройства от данной модели ВЭУ.

Для зарядки мобильного телефона большинство за- Нужен более мощный генератор, который способен
рядных устройств рассчитано на напряжение 5 вольт по- производить напряжение не ниже 5 вольт, что позво-
стоянного тока и силу тока 1 ампер, что составляет 5 ватт. лило бы заряжать мобильное устройство даже малым
Это — минимальная сравнительная мощность, на кото- током.
рую нужно ориентироваться при создании микро ВЭУ.

Рис. 12. Наблюдение 17.01.22, (В)

72 «Юный ученый» • № 3 (55) • 2022 г.

Рис. 13. Наблюдение 20.01.22, (В)

Рис. 14. Наблюдение 21.01.22, (мА)

Лучшим решением в данном случае будет расчёт и из- также стало понятно, что наиболее актуальной пробле-
готовление генератора постоянного тока, который по мой микро-ВЭУ является не ветроколесо само по себе,
параметрам будет соответствовать конкретно данной а  расчёт и  изготовление генератора постоянного тока,
ветровой установке. Разработка таких маломощных ге- подходящего под конкретное ветровое колесо. Такой
нераторов представляет собой отдельную научную про- генератор должен вырабатывать напряжение не менее 5
блему и требует отдельного исследовательского проекта. вольт при минимальной силе ветра (около 2 м/с), что по-
зволит заряжать мобильное устройство или аккумулятор
Заключение даже при малой силе тока. Возможно ли построить такой
Итак, в  рамках данного проекта была поставлена генератор для ВЭУ небольшого размера — тема отдель-
проблема исследования возможностей ветроэнергетики ного научного исследования.
в  обычной городской квартире с  целью заряжать не-
большие мобильные устройства. Для этого из подручных Использование маломощных генераторов переменно-
материалов была изготовлена небольшая ветровая энер- го тока (как в  нашем случае) не является оптимальным
гетическая установка (микро-ВЭУ) с маломощным гене- выбором, поскольку выпрямление переменного тока
ратором переменного тока и  произведены регулярные приводит к  потерям напряжения на диодах, поэтому
наблюдения за значениями тока и напряжения, которые в рамках настоящего исследования ток не выпрямлялся.
она производит при средней скорости ветра 3–5 м/с.
По результатам проведённого исследования было Стоит заметить, что исследование проводилось в ре-
достоверно установлено, что регулярно заряжать мо- гионе, где средняя скорость ветра зимой составляет всего
бильное устройство рассмотренным экземпляром ВЭУ 4,4 м/с. Логично допустить, что в регионах с более благо-
не представляется возможным ввиду маломощности вы- приятной для целей проекта ветровой обстановкой на-
бранной модели генератора. В  ходе исследования стало блюдаемые показатели были бы выше.
очевидно, что выбранная схема ветроколеса является
удачной, поскольку оно способно улавливать малейшие Таким образом, можно заключить, что все поставлен-
движения ветра на холостом ходу (без генератора). Но ные задачи, которые были выделены в  рамках исследо-
вания, выполнены. Однако гипотеза исследования, кото-
рая состояла в  том, что возможно заряжать мобильные

Физика 73

устройства с помощью микро=ВЭУ за окном, для данной открытым поле для дальнейших исследований, так как
конкретной ветровой установки не подтвердилась. изготовление небольшого генератора мощностью хотя
бы в 5 ватт не выглядит нерешаемой научной проблемой.
Тем не менее, выявленная проблема изготовления
маломощных генераторов постоянного тока оставляет

ЛИТЕРАТУРА:

1. Применение ветроколёс и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности /
А. А. Бубенчиков  [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — №  5–2 (36).

2. Кирпичникова, И. М. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения / И. М. Кирпичникова,
Е. В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. — 2008. — №  26.

3. Исследование аэродинамических характеристик микроветроэнергетической установки / Д. В. Коробатов  [и
др.] // Журнал ЭСиК. — 2017. — №  1(34).

4. Войцеховский, Б. В. Микромодульная ветроэнергетика / Б. В. Войцеховский, Ф. Ф. Войцеховская,
М. Б. Войцеховский. — Новосибирск: Ин-т гидродинамики СО РАН. — 1995. — 71 с.: ил. — Библиогр.:
с. 69–71.

5. Калифорнии не хватило солнца: «золотой штат погрузился во тьму». https://iz.ru/1051616/dmitrii-migunov/kali-
fornii-ne-khvatilo-solntca-zolotoi-shtat-pogruzilsia-vo-tmu

6. В Китае масштабные отключения электричества. https://www.bbc.com/russian/news-58685232

1 Юный ученый
Международный научный журнал
№ 3 (55) / 2022

Выпускающий редактор Г. А. Кайнова
Ответственные редакторы Е. И. Осянина, О. А. Шульга, З. А. Огурцова

Художник Е. А. Шишков
Подготовка оригинал-макета П. Я. Бурьянов
За достоверность сведений, изложенных в статьях, ответственность несут авторы.
Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов материалов.
При перепечатке ссылка на журнал обязательна.
Материалы публикуются в авторской редакции.
Журнал размещается и индексируется на портале eLIBRARY.RU, на момент выхода номера в свет журнал не входит в РИНЦ.
Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-61102 от 19 марта 2015 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи,
информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
Учредитель и издатель: ООО «Издательство Молодой ученый»
Номер подписан в печать 05.04.2022. Дата выхода в свет: 10.04.2022.
Формат 60 × 90/8. Тираж 500 экз. Цена свободная.
Почтовый адрес редакции: 420140, г. Казань, ул. Юлиуса Фучика, д. 94А, а/я 121.
Фактический адрес редакции: 420029, г. Казань, ул. Академика Кирпичникова, д. 25.
E-mail: [email protected]; https://moluch.ru/
Отпечатано в типографии издательства «Молодой ученый», г. Казань, ул. Академика Кирпичникова, д. 25.