Pozadí

V této lekci studenti upraví sestavu tak, aby řešili problémy, a budou pozorovat její výkon.

Co lze upravit v sestavení VEX GO?

Inženýři aplikují principy vědy a matematiky k vývoji řešení různých problémů. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je inovace stávajících návrhů za účelem zlepšení výkonu změnou různých komponentů sestavy. 

Studenti mohou na sestavě VEX GO upravit mnoho částí:

• Struktura subsystému- Tyto části tvoří „kostru“ robota, ke které jsou připojeny všechny ostatní části. Tento subsystém se skládá ze všech hlavních strukturálních komponentů stavebnice VEX GO. Tyto díly (nosníky, desky, spojky, distanční sloupky a čepy) se dodávají v různých tvarech a velikostech. Tyto díly se spojují a tvoří rám robota, obvykle nazývaný podvozek.
  • Těžiště - Těžiště konstrukce je místem, kde na ni spočívá většina její váhy. Stacionární konstrukce bude nejstabilnější, když je váha vycentrována, nicméně inženýři někdy provedou úpravy těžiště, aby změnili výkon konstrukce.
• Pohybový subsystém– Pohybový subsystém (ozubená kola, kladky, kola, motory, lana, knoflíky, hřídele a kroužky hřídelí) se ve většině sestav kombinuje s komponentami strukturálního subsystému. Je to jako sval připevněný ke kostře v lidském těle.  Většina pohyblivých dílů VEX GO používá čtvercový otvor, který pasuje na čtvercové hřídele VEX GO.
  • Pohon- Ačkoli některé sestavy vykonávají své úkoly bez pohybu, sestava se často potřebuje přesouvat z místa na místo.  Studenti obvykle používají nějaký druh kolového komponentu zvaného hnací ústrojí, který umožňuje mobilitu stavby.

• Příklad úprav pružinového vozu- Studenti vyvinou a otestují úpravy pružinového vozu v laboratoři. Ujistěte se, že máte dostatek prostoru pro testování; použijte dlouhou chodbu nebo podlahovou plochu tělocvičny.

  Následuje několik příkladů úprav, které mohou studenti vyzkoušet, a typické výsledky:

  • Pružinové auto s gumičkou přehnutou přes čepy.

    •  „Pružinová“ část vozu je pro pohyb pružinového vozu velmi důležitá. Čím více gumičku natáhnete, tím více potenciální energie se uloží a tím dále a rychleji by auto mělo jet. Tloušťka gumičky také ovlivňuje vzdálenost, protože silnější gumička se hůře natahuje než tenká gumička. Gumové pásky dodávané se sadou VEX GO jsou vyrobeny ze silikonu, což umožňuje sacím mechanismům snadnější uchopení předmětů, ale nefungují lépe pro prodlužování jako syntetické. Zdvojnásobení gumičky proto není dobře fungující úpravou a může gumičku poškodit.

  • Pružinové auto se dvěma gumičkami přes kolíky

    • Protože čím více gumičku natáhnete, tím dále a rychleji by auto mělo jet, jak je vysvětleno v předchozím příkladu, studenti mohou použít obě gumičky ze sady.  Pokud natahují dva z nich, měly by dosáhnout dvojnásobné síly, což umožní pružinovému vůzovi pohybovat otcem.

  • Jarní auto s předními koly nahrazenými modrými koly

    • Tato úprava umožňuje pružinovému vozu jet dále, protože se díky širším kolům zlepšila jeho stabilita.

Co je proces inženýrského návrhu?

Studenti použijí proces konstrukčního návrhu (EDP) k úpravě pružinového vozu za účelem zlepšení jeho výkonu. EDP je série kroků, které inženýři používají k nalezení řešení problémů. Řešení často zahrnuje návrh produktu, který splňuje určitá kritéria nebo plní určitý úkol.
EDP lze rozdělit do následujících kroků: DEFINOVAT → VYVINOUT ŘEŠENÍ → OPTIMALIZOVAT.

• Definování inženýrských problémů zahrnuje co nejjasnější stanovení problému, který má být vyřešen, z hlediska kritérií úspěchu a omezení nebo limitů.
• Navrhování řešení inženýrských problémů začíná generováním řady různých možných řešení a následným vyhodnocením potenciálních řešení, aby se zjistilo, která z nich nejlépe splňují kritéria a omezení problému.
• Optimalizace návrhového řešení zahrnuje proces, ve kterém jsou řešení systematicky testována a zdokonalována a konečný návrh je vylepšován nahrazováním méně důležitých prvků těmi důležitějšími.

EDP má cyklický nebo iterativní charakter. Je to proces výroby, testování, analýzy a zdokonalování produktu nebo procesu. Na základě výsledků testování se vytvářejí nové iterace a dále se upravují, dokud není konstrukční tým s výsledky spokojen.

V této lekci studenti použijí EDP k úpravě pružinového vozu za účelem zlepšení jeho výkonu.   Po úvodní stavbě budou skupiny klást otázky, jak vylepšit konstrukci pružinového vozu a zvýšit jeho výkon. Jedná se o stejný proces inženýrského návrhu, který je zahrnut v standardech NGSS (Next Generation Science Standards).

Jaké jsou dobré pozorovací postupy?

Jedním z nejdůležitějších kroků jak ve vědecké metodě, tak v procesu inženýrského návrhu je testování.  Vědci a inženýři by nevěděli, zda byli se svými výsledky úspěšní, bez shromažďování dat prostřednictvím pozorování během testovací fáze.

Existují dva typy pozorování:

• Přirozené pozorování: Tento typ spočívá v pozorování něčeho v jeho přirozeném stavu bez jakéhokoli zásahu. Při tomto typu pozorování vědci sledují a čekají na událost, která se stane během experimentu.
• Postupné pozorování: Inženýři a vědci obvykle obklopují své projekty tématem „co kdyby… „otázka.“ „Jaké je těžiště této stavby?“ „Co když změním délku nosníku na podvozku?“ U tohoto typu pozorování tester zasahuje a pozoruje výsledek. Tento typ testování lze pozorovat mnohokrát, protože jej lze znovu vytvořit.

Při provádění etapového pozorování je třeba dodržovat několik pokynů:

• Předem si určete, co chcete pozorovat To by mělo být provedeno ve fázi plánování procesu inženýrského návrhu. Skupina nemůže určit úspěch, pokud neví, co zkoumá.
• Měňte vždy pouze jeden prvek. Všechny ostatní musí zůstat stejné, aby bylo možné určit, zda je testovaný prvek úspěšný.
• Rozhodněte o požadovaném počtu pozorování. Čas, zásoby a místo provedení mohou být faktorem, který určuje, kolikrát lze test zopakovat.
• Vytvořte rozvrh. Pokud několik skupin provádí testovací jízdy ve stejném prostoru, harmonogram zajistí, že nedojde k nedorozumění a každý dostane možnost otestovat své sestavy.
• Zaznamenejte si svá pozorování, aby je mohli použítostatní.  Při zaznamenávání dat používejte přesné termíny a přesná měření. 
• Rozhodněte se, jaké nástroje použijete. Existuje mnoho typů nástrojů, které inženýři používají při testování. 
  • Tyto nástroje umožňují přesnější a konkrétnější pozorování:
    • Pravítka
    • Teploměry
    • Váhy
    • Fotoaparáty