Strumenti per l'insegnante
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Lo scopo di questa sezione
La sezione Gioco di questo laboratorio STEM introdurrà gli studenti agli ingranaggi e al loro scopo all'interno di una costruzione. Questa prima pagina introdurrà termini come: ingranaggi ingranati, ingranaggi conduttori, ingranaggi condotti, rapporti di trasmissione, vantaggio meccanico e trasferimento di potenza. La pagina successiva esaminerà la build del MAD Box, i suoi rapporti di trasmissione e i vantaggi meccanici della coppia o della velocità creati da tali rapporti. La pagina successiva culmina con il calcolo del rapporto di trasmissione per l'intero MAD Costruzione della scatola.
Potrebbe essere una buona idea leggere la prima pagina come classe e poi far lavorare i gruppi di studenti sulla seconda pagina. Ogni studente dovrebbe leggere insieme.
Se si lavora in gruppi di tre, agli studenti può essere assegnato uno dei tre ruoli:
1) L'esperto di costruzione: Questo studente trova la fase di costruzione nelle istruzioni di costruzione e indica dove si trovano gli ingranaggi nella costruzione completata.
2) La calcolatrice: Questo studente esegue i calcoli dei rapporti di trasmissione.
3) Il registratore: questo studente controlla i calcoli della calcolatrice, interpreta il significato del rapporto di trasmissione e si assicura che il team stia registrando tutto il lavoro nel proprio taccuino di ingegneria.
Se i gruppi di studenti sono composti da più di tre studenti, più studenti potrebbero essere responsabili dello stesso ruolo. Se i gruppi sono meno di tre, lo stesso studente può assumere più ruoli.
Fare clic qui (Google Doc / .docx / .pdf ) per la rubrica Collaborazione, oppure fare clic qui (Google Doc / .docx / .pdf) per la rubrica basata su gruppi rubrica del taccuino di ingegneria. È disponibile anche una rubrica per il quaderno di ingegneria individuale, fare clic qui (Google Doc / .docx / .pdf). Tutte le rubriche che verranno utilizzate per il punteggio dovrebbero essere condivise e spiegate agli studenti prima dell'inizio del lavoro.
Ingranaggi
Gli ingranaggi sembrano dischi con denti attorno 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 un ingranaggio gira, gira anche quello successivo perché i suoi denti sono posizionati tra loro, il che è noto come ingranamento.
Gli ingranaggi sono generalmente montati o collegati ad altre parti tramite un albero o 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 dei VEX IQ Gears, il foro centrale attraverso il quale 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 gli insegnanti
Potrebbe essere utile indirizzare gli studenti al poster delle parti VEX IQ e far loro notare che gli ingranaggi inclusi nel Super Kit sono denominati utilizzando il numero di denti (ingranaggi da 60, 36 e 12 denti). Se gli studenti sono confusi dal montaggio degli ingranaggi sugli alberi, possono essere indirizzati a guardare il MAD Costruzione a scatola e nota che tutti gli ingranaggi all'interno della costruzione erano costruiti su alberi al centro.
Ingranaggi a maglie
Quando due ingranaggi sono ingranati insieme, un ingranaggio fa girare il successivo. L'ingranaggio che gira per primo è chiamato ingranaggio motore. L'ingranaggio di guida può essere pensato come un tipo di input. L'ingranaggio che viene fatto girare dalla prima marcia è chiamato ingranaggio condotto. L'ingranaggio condotto è quindi l'uscita.
Guarda l'animazione qui sotto per vedere gli ingranaggi ingranati in azione.
Avresti dovuto notare che l'ingranaggio conduttore e l'ingranaggio condotto girano in direzioni opposte. Devono ruotare in direzioni opposte perché i loro denti sono ingranati e ruotano nei loro centri.
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 da 60 denti sopra perché è un rapporto semplice da calcolare.
Il rapporto di trasmissione di questi due ingranaggi ingranati è 1:1, il che significa che ogni volta che l'ingranaggio conduttore (ingresso) esegue un giro completo, anche l'ingranaggio condotto (uscita) esegue un giro completo.
Suggerimenti per gli insegnanti
Assicurati che gli studenti riconoscano quali rapporti provengono da questa o da un'altra classe. In parole povere, un rapporto è una dichiarazione di come due numeri si confrontano.
Inoltre, assicurati che gli studenti comprendano come ridurre le frazioni dividendo il numeratore e il denominatore per lo stesso importo.
Vantaggio meccanico
Ogni volta che due o più ingranaggi vengono ingranati, si crea un vantaggio meccanico all'interno di quella struttura.
Il vantaggio meccanico è definito come la variazione della forza di input all'interno di una macchina. Il cambiamento può essere misurato confrontando input e output.
Nell'esempio sopra, l'input e l'output hanno un rapporto 1:1, quindi potrebbe sembrare che non vi sia alcun vantaggio meccanico, ma in realtà lo è. Il vantaggio meccanico quando due ingranaggi hanno la stessa dimensione è chiamato trasferimento di potenza perché l'ingranaggio condotto e il suo albero girano tanto quanto l'ingranaggio conduttore e il suo albero. Quindi l'ingranaggio conduttore (ingresso) ha trasferito tutta la sua potenza all'ingranaggio condotto (uscita).
Nella prossima attività rivedrai il tuo MAD Costruirà la scatola e calcolerà e testerà i vantaggi meccanici di velocità e coppia.
Estendi il tuo apprendimento
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Gears 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 studiare gli strumenti prima dell'elettricità. Gli studenti dovrebbero quindi spiegare come ciascuno di essi utilizza gli ingranaggi e quali sono le funzioni del 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 maggiore forza.
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I mixer manuali in cucina, prima dell'elettricità, utilizzavano ingranaggi in modo che l'utente potesse girare una manovella in una direzione (ad esempio, su e giù) e far girare le fruste del mixer in un'altra (ad esempio, avanti e indietro). la 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 farebbe girare la turbina (ruota idraulica) che farebbe girare gli ingranaggi, trasferendo energia alla fabbrica dove veniva utilizzata per macinare, rotolare o martellare i prodotti.