Que sont les engrenages ?
Boîte à outils de l'enseignant
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Le but de cette section
La section Jouer de ce laboratoire STEM présentera aux élèves les engrenages et leur objectif dans une construction. Cette première page présentera des termes tels que : engrenages engrenés, engrenages d'entraînement, engrenages entraînés, rapports d'engrenage, avantage mécanique et transfert de puissance. La page suivante examinera la construction du M.A.D. Box, ses rapports d'engrenage et les avantages mécaniques du couple ou de la vitesse créés par ces rapports. La page suivante culmine dans le calcul du rapport d'engrenage pour l'ensemble du M.A.D. Construction de la boîte.
Il peut être judicieux de lire la première page en classe, puis de demander aux groupes d'étudiants de travailler sur la deuxième page. Chaque élève devrait lire en même temps.
Si vous travaillez en groupes de trois, les étudiants peuvent être affectés à l'un des trois rôles suivants :
1) L'expert en construction: Cet étudiant trouve l'étape de la construction dans les instructions de construction et indique où se trouvent ces engrenages dans la construction terminée.
2) La calculatrice: Cet étudiant effectue les calculs des rapports de vitesse.
3) L'enregistreur: Cet étudiant vérifie les calculs de la calculatrice, interprète ce que signifie le rapport de vitesse et s'assure que l'équipe enregistre tout son travail dans son cahier d'ingénierie.
Si des groupes d'étudiants ont plus de trois étudiants, plusieurs étudiants pourraient être responsables du même rôle. Si les groupes sont inférieurs à trois, le même élève peut assumer plusieurs rôles.
Cliquez ici(Google Doc / .docx / .pdf ) pour la rubrique Collaboration, ou cliquez ici (Google Doc / .docx / .pdf) pour la rubrique Bloc-notes d'ingénierie par groupe. Il existe également une rubrique de bloc-notes d'ingénierie individuelle, cliquez ici (Google Doc / .docx / .pdf ) . Toutes les rubriques qui seront utilisées pour la notation doivent être partagées et expliquées aux étudiants avant le début des travaux.
Engrenages
Les engrenages ressemblent à des disques avec des dents sur les bords. Il est important de noter que leurs dents sont également espacées parce que les engrenages fonctionnent en ayant leurs dents engrenées ensemble, comme le montre l'image ci-dessus. Lorsqu'une vitesse tourne, elle tourne la suivante parce que leurs dents sont positionnées entre elles, ce qui est connu sous le nom d'engrenage. Les
engrenages sont généralement montés ou reliés à d'autres pièces par un arbre ou une base. Ainsi, les engrenages sont utilisés pour transmettre le mouvement rotatif, ou la puissance, d'un arbre à l'autre. L'arbre est généralement positionné au centre de l'engrenage. Dans l'image ci-dessus des engrenages VEX IQ, le trou central pour passer un arbre est le trou carré, car les arbres IQ sont carrés.
L'un des principaux moyens de définir un engrenage est le nombre de dents qu'il possède.
Conseils à l'enseignant
Il peut être utile de diriger les élèves vers l'affiche de VEX IQ Parts et de leur faire remarquer que les engrenages inclus dans le Super Kit sont nommés en fonction de leur nombre de dents (60, 36 et 12 engrenages dentés). Si les étudiants sont confus par le montage des engrenages sur les arbres, ils peuvent être invités à regarder le M.A.D. Construction de boîte et remarquez que tous les engrenages à l'intérieur de la construction ont été construits sur des arbres à leurs centres.
Engrenages à mailles
Lorsque deux vitesses sont engrenées ensemble, une vitesse tourne la suivante. L'engrenage qui fait tourner en premier s'appelle l'engrenage d'entraînement. L'engrenage d'entraînement peut être considéré comme un type d'entrée. L'engrenage qui est tourné par le premier engrenage est appelé l'engrenage mené. L'engrenage mené est donc la sortie.
Regardez l'animation ci-dessous pour voir les engrenages engrenés en action.
Vous auriez dû remarquer que le pignon menant et le pignon mené tournent dans des directions opposées. Ils doivent tourner dans des directions opposées car leurs dents sont en prise et ils tournent en leur centre.
Ratios d'engrenages
Un rapport d'engrenage est une comparaison de l'entrée (engrenage menant) à la sortie (engrenage mené) et est calculé en considérant le nombre de dents de chaque engrenage engrené.
Dans l'exemple ci-dessus, l'engrenage menant (entrée) et l'engrenage mené (sortie) ont tous deux 60 dents.
Voici la formule de calcul d'un rapport de vitesse :
Prenons l'exemple des deux engrenages à 60 dents ci-dessus, car il s'agit d'un ratio simple à calculer.
Le rapport d'engrenage de ces deux engrenages engrenés est de 1:1, ce qui signifie que chaque fois que l'engrenage menant (entrée) tourne d'un tour complet, l'engrenage mené (sortie) tourne également d'un tour complet.
Conseils à l'enseignant
Assurez-vous que les élèves reconnaissent les ratios de cette classe ou d'une autre classe. En termes simples, un ratio est un énoncé de la façon dont deux nombres se comparent.
Assurez-vous également que les élèves comprennent comment réduire les fractions en divisant le numérateur et le dénominateur par la même quantité.
Avantage mécanique
Chaque fois que deux engrenages ou plus sont engrenés, un avantage mécanique est créé dans cette construction.
L'avantage mécanique est défini comme le changement de la force d'entrée dans une machine. Le changement peut être mesuré en comparant l'entrée et la sortie.
Dans l'exemple ci-dessus, l'entrée et la sortie ont un rapport de 1:1, il peut donc sembler qu'il n'y a pas d'avantage mécanique, mais il y en a. L'avantage mécanique lorsque deux engrenages ont la même taille est appelé transfert de puissance car l'engrenage mené et son arbre tournent tout autant que l'engrenage menant et son arbre. Ainsi, l'engrenage menant (entrée) a transféré toute sa puissance à l'engrenage mené (sortie).
Dans la prochaine activité, vous passerez en revue votre M.A.D. La boîte sera construite et calculera et testera les avantages mécaniques de la vitesse et du couple.
Prolongez votre apprentissage
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Engrenages dans la vie quotidienne
De nombreux dispositifs mécaniques utilisent des engrenages. À l'ère numérique, il pourrait sembler y en avoir moins, mais les élèves devraient être en mesure d'identifier au moins cinq appareils qui utilisent des engrenages. Ils peuvent également étudier les outils avant l'électricité. Les élèves doivent ensuite expliquer comment chacun utilise les engrenages et quelle est la (les) fonction(s) du système d'engrenages.
Voici quelques exemples :
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De nombreux vélos utilisent des vitesses pour permettre au cycliste de changer de vitesse pour pédaler plus rapidement ou avec plus de force.
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Les mélangeurs à main dans la cuisine, avant l'électricité, utilisaient des engrenages de sorte que l'utilisateur puisse tourner une manivelle manipulée dans un sens (par exemple, vers le haut et vers le bas) et faire tourner les batteurs du mélangeur dans un autre (par exemple, d'avant en arrière) dans le bol d'ingrédients.
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Les moulins à eau utilisaient également des engrenages pour changer la direction de la force par transfert de puissance. L'eau faisait tourner la turbine (roue hydraulique) qui faisait tourner les engrenages, transférant la puissance dans l'usine où elle était utilisée pour broyer, laminer ou marteler les produits.