Cosa sono gli ingranaggi?
Teacher Toolbox
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Lo scopo di questa sezione
La sezione Play di questo STEM Lab introdurrà gli studenti agli ingranaggi e al loro
scopo all'interno di una build. Questa prima pagina introdurrà termini come: ingranaggi
ingranati, ingranaggi di guida, ingranaggi guidati, rapporti di trasmissione, vantaggio
meccanico e trasferimento di potenza. La pagina successiva passerà in rassegna la build
del M.A.D. Box, i suoi rapporti di trasmissione e i vantaggi meccanici di coppia o
velocità creati da tali rapporti. La pagina successiva culmina nel calcolo del rapporto
di trasmissione per l'intero M.A.D. Box build.
Potrebbe essere una buona idea leggere la prima pagina come classe e poi far lavorare i
gruppi di studenti nella seconda pagina. Ogni studente dovrebbe leggere insieme.
Se si lavora in gruppi di tre, gli studenti possono essere assegnati a uno dei tre ruoli:
1) L'esperto di costruzione: questo studente trova il passaggio della costruzione nelle Istruzioni di costruzione e indica dove si trovano quegli ingranaggi nella costruzione completata.
2) La Calcolatrice: Questo studente esegue i calcoli dei rapporti di trasmissione.
3) Il Registratore: questo studente controlla la matematica della Calcolatrice, interpreta il significato del rapporto di trasmissione e si assicura che il team stia registrando tutto il proprio lavoro all'interno del proprio quaderno di ingegneria.
Se gruppi di studenti hanno più di tre studenti, allora più studenti potrebbero essere responsabili dello stesso ruolo. Se i gruppi sono meno di tre, lo stesso studente può assumere più ruoli.
Clicca qui(Google Doc / .docx / .pdf ) per la rubrica Collaborazione, oppure clicca qui (Google Doc / .docx / .pdf) per la rubrica del quaderno di ingegneria basato sul gruppo. C'è anche una rubrica Quaderno di ingegneria individuale, clicca qui (Google Doc / .docx / .pdf ) . Qualsiasi rubrica che verrà utilizzata per il punteggio deve essere condivisa e spiegata agli studenti prima dell'inizio del lavoro.
Ingranaggi
Gli ingranaggi sembrano dischi con i denti intorno ai bordi. È importante notare che i
loro denti sono equidistanti perché gli ingranaggi funzionano avendo i denti ingranati
insieme, come mostrato nell'immagine sopra. Quando una marcia gira, gira la successiva
perché i loro denti sono posizionati l'uno tra l'altro, il che è noto come
ingranamento.
Gli ingranaggi sono tipicamente montati, o collegati ad altre
parti, da un albero o da una base. Quindi gli ingranaggi vengono utilizzati per
trasmettere il movimento rotatorio, o potenza, da un albero all'altro. L'albero è
solitamente posizionato al centro dell'ingranaggio. Nell'immagine sopra degli ingranaggi
VEX IQ, il foro centrale per far passare un albero è quello quadrato perché gli alberi
IQ sono quadrati.
Uno dei modi principali per definire un ingranaggio è il numero
di denti che ha.
Suggerimenti per l'insegnante
Può essere utile indirizzare gli studenti al poster di VEX IQ Parts e far loro notare che gli ingranaggi inclusi nel Super Kit sono nominati utilizzando il loro numero di denti (60, 36 e 12 ingranaggi dentati). Se gli studenti sono confusi dal montaggio degli ingranaggi sugli alberi, possono essere indirizzati a guardare il M.A.D. Costruire la scatola e notare che tutti gli ingranaggi all'interno della costruzione sono stati costruiti su alberi al loro centro.
Ingranaggi a maglie
Quando due marce sono ingranate insieme, una ruota ruota l'altra. L'ingranaggio che sta
girando per primo è chiamato ingranaggio conduttore. L'ingranaggio motore può essere pensato
come un tipo di input. L'ingranaggio che viene ruotato dalla prima marcia è chiamato
ingranaggio condotto. L'ingranaggio condotto è quindi l'uscita.
Guarda l'animazione
qui sotto per vedere gli ingranaggi a maglie in azione.
Avresti dovuto notare che l'ingranaggio motore e l'ingranaggio condotto girano in direzioni opposte. Devono ruotare in direzioni opposte perché i loro denti sono ingranati e ruotano al centro.
Rapporti di trasmissione
Un rapporto di trasmissione è un confronto tra l'ingresso (ingranaggio conduttore) e
l'uscita (ingranaggio condotto) e viene calcolato considerando il numero di denti di
ciascun ingranaggio ingranato.
Nell'esempio sopra, l'ingranaggio conduttore
(ingresso) e l'ingranaggio condotto (uscita) hanno entrambi 60 denti.
Ecco la
formula per calcolare un rapporto di trasmissione:
Usiamo l'esempio dei due ingranaggi a 60 denti di cui sopra perché è un rapporto semplice da calcolare.
Il rapporto di trasmissione di questi due ingranaggi a maglie è 1:1, il che significa che ogni volta che l'ingranaggio conduttore (ingresso) ruota di una rotazione completa, anche l'ingranaggio condotto (uscita) ruota di una rotazione completa.
Suggerimenti per l'insegnante
Assicurati che gli studenti riconoscano quali sono i rapporti di questa o di un'altra classe. In parole povere, un rapporto è una dichiarazione di come due numeri si confrontano.
Inoltre, assicurati che gli studenti capiscano come ridurre le frazioni dividendo il numeratore e il denominatore per lo stesso importo.
Vantaggio meccanico
Ogni volta che due o più marce vengono ingranate, viene creato un vantaggio meccanico all'interno di quella costruzione.
Il vantaggio meccanico è definito come il cambiamento della forza di ingresso all'interno di una macchina. La modifica può essere misurata confrontando l'ingresso e l'uscita.
Nell'esempio precedente, l'ingresso e l'uscita hanno un rapporto 1:1, quindi potrebbe sembrare che non ci sia alcun vantaggio meccanico, ma in realtà c'è. Il vantaggio meccanico quando due ingranaggi hanno le stesse dimensioni si chiama trasferimento di potenza perché l'ingranaggio condotto e il suo albero ruotano tanto quanto l'ingranaggio conduttore e il suo albero. Quindi l'ingranaggio motore (ingresso) ha trasferito tutta la sua potenza all'ingranaggio motore (uscita).
Nella prossima attività, rivedrai il tuo M.A.D. Box build e calcolerà e testerà i vantaggi meccanici di velocità e coppia.
Estendi il tuo apprendimento
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Ingranaggi nella vita quotidiana
Molti dispositivi meccanici utilizzano ingranaggi. Nell'era digitale, potrebbero apparentemente essercene meno, ma gli studenti dovrebbero essere in grado di identificare almeno cinque dispositivi che utilizzano ingranaggi. Possono anche indagare sugli strumenti prima dell'elettricità. Gli studenti dovrebbero quindi spiegare come ciascuno utilizza gli ingranaggi e quali sono le funzionidel sistema di ingranaggi.
Ecco alcuni esempi:
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Molte biciclette utilizzano le marce per consentire al ciclista di cambiare marcia per pedalare più velocemente o con più forza.
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I miscelatori manuali in cucina, prima dell'elettricità, utilizzavano ingranaggi in modo che l'utente potesse ruotare una manovella maneggiata in una direzione (ad esempio, su e giù) e far ruotare i battitori del miscelatore in un'altra (ad esempio, avanti e indietro) nella ciotola degli ingredienti.
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I mulini ad acqua utilizzavano anche ingranaggi per cambiare la direzione della forza attraverso il trasferimento di potenza. L'acqua avrebbe fatto girare la turbina (ruota idraulica) che avrebbe fatto girare gli ingranaggi, trasferendo energia nella fabbrica dove veniva utilizzata per fresare, arrotolare o martellare i prodotti.