Τι είναι τα Gears;

Εργαλειοθήκη Εκπαιδευτικού - Ο Σκοπός αυτής της Ενότητας

Η ενότητα Παιχνίδι αυτού του Εργαστηρίου STEM θα εισαγάγει τους μαθητές στα εργαλεία και τον σκοπό τους μέσα σε μια κατασκευή. Αυτή η πρώτη σελίδα θα εισαγάγει όρους όπως: εμπλεκόμενα γρανάζια, κινητήρια γρανάζια, κινούμενα γρανάζια, σχέσεις μετάδοσης, μηχανικό πλεονέκτημα και μεταφορά ισχύος. Η επόμενη σελίδα θα εξετάσει την κατασκευή του MAD Το κιβώτιο ταχυτήτων, οι σχέσεις μετάδοσης και τα μηχανικά πλεονεκτήματα είτε της ροπής είτε της ταχύτητας που δημιουργούνται από αυτές τις σχέσεις. Η επόμενη σελίδα καταλήγει στον υπολογισμό της σχέσης μετάδοσης για ολόκληρο το MAD Κατασκευή κουτιού.
Μπορεί να είναι καλή ιδέα να διαβάσετε την πρώτη σελίδα ως τάξη και στη συνέχεια να ζητήσετε από ομάδες μαθητών να εργαστούν στη δεύτερη σελίδα. Κάθε μαθητής θα πρέπει να διαβάζει παράλληλα.

Εάν εργάζονται σε ομάδες των τριών ατόμων, οι μαθητές μπορούν να αναλάβουν έναν από τους τρεις ρόλους:

1) Ο Ειδικός στις Κατασκευές: Αυτός ο μαθητής βρίσκει το βήμα της κατασκευής στις Οδηγίες Κατασκευής και επισημαίνει πού στην ολοκληρωμένη κατασκευή βρίσκονται αυτά τα γρανάζια.

2) Η Αριθμομηχανή: Αυτός ο μαθητής εκτελεί τους υπολογισμούς των σχέσεων μετάδοσης.

3) Η Συσκευή Καταγραφής: Αυτός ο μαθητής ελέγχει τους μαθηματικούς υπολογισμούς της Αριθμομηχανής, ερμηνεύει τι σημαίνει η σχέση μετάδοσης και διασφαλίζει ότι η ομάδα καταγράφει όλη την εργασία της στο σημειωματάριο μηχανικής της.

Εάν οι ομάδες μαθητών έχουν περισσότερους από τρεις μαθητές, τότε πολλοί μαθητές θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνοι για τον ίδιο ρόλο. Εάν οι ομάδες έχουν λιγότερα από τρία άτομα, ο ίδιος μαθητής μπορεί να αναλάβει πολλαπλούς ρόλους.

Κάντε κλικ εδώ (Google Doc / .docx / .pdf ) για τη ρουμπρίκα Συνεργασίας ή κάντε κλικ εδώ (Google Doc / .docx / .pdf) για τη ρουμπρίκα σημειωματάριου μηχανικής που βασίζεται σε ομάδες. Υπάρχει επίσης μια ρουμπρίκα για το ατομικό σημειωματάριο μηχανικής, κάντε κλικ εδώ (Google Doc / .docx / .pdf). Οποιεσδήποτε ρουμπρίκες που θα χρησιμοποιηθούν για τη βαθμολόγηση θα πρέπει να κοινοποιηθούν στους μαθητές και να εξηγηθούν στους μαθητές πριν από την έναρξη της εργασίας.

Δύο γρανάζια VEX IQ συνδυάστηκαν, δείχνοντας πώς το γρανάζι κίνησης περιστρέφει το κινούμενο γρανάζι σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Γρανάζια

Τα γρανάζια μοιάζουν με δίσκους με δόντια γύρω από τις άκρες τους. Είναι σημαντικό να παρατηρήσετε ότι τα δόντια τους έχουν ίση απόσταση μεταξύ τους, επειδή τα γρανάζια λειτουργούν έχοντας τα δόντια τους εμπλεκόμενα, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Όταν περιστρέφεται ένα γρανάζι, περιστρέφεται και το επόμενο, επειδή τα δόντια τους είναι τοποθετημένα μεταξύ τους, κάτι που είναι γνωστό ως εμπλοκή.

Τα γρανάζια συνήθως τοποθετούνται ή συνδέονται με άλλα μέρη μέσω ενός άξονα ή βάσης. Έτσι, τα γρανάζια χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση περιστροφικής κίνησης ή ισχύος από τον έναν άξονα στον άλλο. Ο άξονας τοποθετείται συνήθως στο κέντρο του γραναζιού. Στην παραπάνω εικόνα των γραναζιών VEX IQ, η κεντρική οπή για να περάσει ένας άξονας είναι η τετράγωνη, επειδή οι άξονες IQ είναι τετράγωνοι.

Ένας από τους κύριους τρόπους για να ορίσετε ένα γρανάζι είναι από τον αριθμό των δοντιών που έχει.

Συμβουλές για τους Δασκάλους

Μπορεί να βοηθήσει να κατευθύνετε τους μαθητές στην αφίσα VEX IQ Parts και να τους ζητήσετε να παρατηρήσουν ότι τα γρανάζια που περιλαμβάνονται στο Super Kit ονομάζονται με βάση τον αριθμό των δοντιών τους (60, 36 και 12 δόντια γρανάζια). Εάν οι μαθητές μπερδεύονται με την τοποθέτηση των γραναζιών στους άξονες, μπορούν να τους ζητηθεί να κοιτάξουν το MAD. Κατασκευάστε το κουτί και παρατηρήστε ότι όλα τα γρανάζια μέσα στην κατασκευή ήταν ενσωματωμένα σε άξονες στα κέντρα τους.

Πλεγμένα γρανάζια

Όταν δύο γρανάζια εμπλέκονται μεταξύ τους, η μία ταχύτητα περιστρέφει την επόμενη. Το γρανάζι που κάνει την πρώτη στροφή ονομάζεται γρανάζι κίνησης. Το κιβώτιο ταχυτήτων μπορεί να θεωρηθεί ως ένας τύπος εισόδου. Το γρανάζι που περιστρέφεται από την πρώτη ταχύτητα ονομάζεται κινούμενο γρανάζι. Επομένως, το κινούμενο γρανάζι είναι η έξοδος.

Παρακολουθήστε την παρακάτω κινούμενη εικόνα για να δείτε τα εμπλεκόμενα γρανάζια σε δράση.

Θα έπρεπε να έχετε παρατηρήσει ότι το γρανάζι κίνησης και το κινούμενο γρανάζι περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Πρέπει να περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις επειδή τα δόντια τους είναι πλεγμένα και περιστρέφονται στα κέντρα τους.

Σχέσεις μετάδοσης

Δύο εμπλεκόμενα γρανάζια 60 δοντιών, που δείχνουν πώς το γρανάζι κίνησης (με την ετικέτα στα αριστερά) και το κινούμενο γρανάζι (με την ετικέτα στα δεξιά) περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, όπως υποδεικνύεται με κόκκινα βέλη.

Η σχέση μετάδοσης είναι μια σύγκριση της εισόδου (κινητήριος οδοντωτός τροχός) με την έξοδο (κινητήριος οδοντωτός τροχός) και υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό των δοντιών κάθε εμπλεκόμενου γραναζιού.

Στο παραπάνω παράδειγμα, ο κινητήριος οδοντωτός τροχός (είσοδος) και ο κινούμενος οδοντωτός τροχός (έξοδος) έχουν και οι δύο 60 δόντια.

Ακολουθεί ο τύπος για τον υπολογισμό μιας σχέσης μετάδοσης:

Ο τύπος αναφέρει Λόγος μετάδοσης = Αριθμός δοντιών κινούμενου γραναζιού προς αριθμό δοντιών κινούμενου γραναζιού.

Ας χρησιμοποιήσουμε το παράδειγμα των δύο γραναζιών των 60 δοντιών παραπάνω, επειδή ο υπολογισμός της αναλογίας είναι απλός.

Ο τύπος αναφέρει ότι η σχέση μετάδοσης = Αριθμός δοντιών κινούμενου γραναζιού προς τον αριθμό των δοντιών κινητήριου γραναζιού = 60 προς 60, που μειώνεται σε 1 προς 1 ή σε αναλογία 1:1.

Η σχέση μετάδοσης αυτών των δύο εμπλεκόμενων γραναζιών είναι 1:1, που σημαίνει ότι κάθε φορά που το γρανάζι κίνησης (είσοδος) περιστρέφεται κατά μία πλήρη περιστροφή, το κινούμενο γρανάζι (έξοδος) περιστρέφεται επίσης κατά μία πλήρη περιστροφή.

Συμβουλές για τους Δασκάλους

Βεβαιωθείτε ότι οι μαθητές αναγνωρίζουν ποιες αναλογίες προέρχονται από αυτό ή από κάποιο άλλο μάθημα. Με απλά λόγια, μια αναλογία είναι μια δήλωση για το πώς συγκρίνονται δύο αριθμοί.

Επίσης, βεβαιωθείτε ότι οι μαθητές κατανοούν πώς να μειώνουν τα κλάσματα διαιρώντας τον αριθμητή και τον παρονομαστή με το ίδιο ποσό.

Μηχανικό όφελος

Κάθε φορά που δύο ή περισσότερα γρανάζια εμπλέκονται, δημιουργείται ένα μηχανικό πλεονέκτημα μέσα σε αυτήν την κατασκευή.

Το μηχανικό πλεονέκτημα ορίζεται ως η μεταβολή της δύναμης εισόδου μέσα σε μια μηχανή. Η αλλαγή μπορεί να μετρηθεί συγκρίνοντας την είσοδο και την έξοδο.

Στο παραπάνω παράδειγμα, η είσοδος και η έξοδος έχουν αναλογία 1:1, επομένως μπορεί να φαίνεται ότι δεν υπάρχει μηχανικό πλεονέκτημα, αλλά στην πραγματικότητα υπάρχει. Το μηχανικό πλεονέκτημα όταν δύο γρανάζια έχουν το ίδιο μέγεθος ονομάζεται μεταφορά ισχύος επειδή το κινούμενο γρανάζι και ο άξονάς του περιστρέφονται όσο και το κινούμενο γρανάζι και ο άξονάς του. Έτσι, το κινητήριο γρανάζι (είσοδος) μετέφερε όλη του την ισχύ στο κινούμενο γρανάζι (έξοδος).

Στην επόμενη δραστηριότητα, θα επανεξετάσετε το MAD σας Κατασκευή κουτιού και υπολογισμός και δοκιμή των μηχανικών πλεονεκτημάτων της ταχύτητας και της ροπής.

Επεκτείνετε τη Μάθησή σας στην Καθημερινή Ζωή

Πολλές μηχανικές συσκευές χρησιμοποιούν γρανάζια. Στην ψηφιακή εποχή, μπορεί να φαίνονται λιγότερες, αλλά οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να αναγνωρίσουν τουλάχιστον πέντε συσκευές που χρησιμοποιούν γρανάζια. Μπορούν επίσης να διερευνήσουν εργαλεία πριν από την ηλεκτρική ενέργεια. Οι μαθητές θα πρέπει στη συνέχεια να εξηγήσουν πώς χρησιμοποιεί ο καθένας τα γρανάζια και ποια είναι η/οι λειτουργία/ές του/των συστήματος/συστημάτων γραναζιών.

Ακολουθούν μερικά παραδείγματα:

Πολλά ποδήλατα χρησιμοποιούν ταχύτητες για να επιτρέπουν στον αναβάτη να αλλάζει ταχύτητες για να κάνει πετάλι πιο γρήγορα ή με μεγαλύτερη δύναμη.
Τα χειροκίνητα μίξερ στην κουζίνα, πριν από την ηλεκτροδότηση, χρησιμοποιούσαν γρανάζια έτσι ώστε ο χρήστης να μπορεί να περιστρέφει μια χειροκίνητη μανιβέλα προς τη μία κατεύθυνση (π.χ., πάνω-κάτω) και να κάνει τους αναδευτήρες του μίξερ να περιστρέφονται προς την άλλη (π.χ., μπρος-πίσω) μέσα στο μπολ με τα υλικά.
Οι νερόμυλοι χρησιμοποιούσαν επίσης γρανάζια για να αλλάζουν την κατεύθυνση της δύναμης μέσω της μεταφοράς ισχύος. Το νερό θα γύριζε τον στρόβιλο (τροχό νερού) ο οποίος θα γύριζε γρανάζια, μεταφέροντας ενέργεια στο εργοστάσιο όπου χρησιμοποιούνταν για την άλεση, την έλαση ή την σφυρηλάτηση προϊόντων.

< Πίσω Επιστροφή στα Εργαστήρια Επόμενο >