Teacher Toolbox
-
Het doel van dit hoofdstuk
De Play-sectie van dit STEM Lab laat leerlingen kennismaken met tandwielen en hun doel binnen een build. Op deze eerste pagina worden termen geïntroduceerd als: in elkaar grijpende tandwielen, aandrijftandwielen, aangedreven tandwielen, overbrengingsverhoudingen, mechanisch voordeel en krachtoverdracht. Op de volgende pagina wordt de bouw van de MAD besproken Box, de overbrengingsverhoudingen en de mechanische voordelen van koppel of snelheid die door die verhoudingen worden gecreëerd. De volgende pagina culmineert in de berekening van de overbrengingsverhouding voor de gehele MAD Doos gebouwd.
Het kan een goed idee zijn om de eerste pagina klassikaal door te lezen en vervolgens de leerlingengroepen de tweede pagina te laten doornemen. Iedere leerling zou mee moeten lezen.
Als leerlingen in groepjes van drie werken, kunnen leerlingen een van de drie rollen toegewezen krijgen:
1) De bouwexpert: Deze leerling vindt de stap van het bouwen in de bouwinstructies en wijst aan waar in het voltooide bouwwerk deze tandwielen zich bevinden.
2) De rekenmachine: Deze leerling voert de berekeningen uit van de overbrengingsverhoudingen.
3) De recorder: Deze leerling controleert de wiskunde van de rekenmachine, interpreteert wat de overbrengingsverhouding betekent en zorgt ervoor dat het team al hun werk opneemt in hun technische notitieboekje.
Als groepen studenten meer dan drie studenten hebben, kunnen meerdere studenten verantwoordelijk zijn voor dezelfde rol. Als groepen uit minder dan drie groepen bestaan, kan dezelfde leerling meerdere rollen op zich nemen.
Klik hier(Google Doc / .docx / .pdf ) voor de rubriek Samenwerking, of klik hier (Google Doc / .docx / .pdf) voor de groepsgebaseerde rubriek technische notebookrubriek. Er is ook een rubriek Individueel technisch notitieboekje, klik hier (Google Doc / .docx / .pdf ) . Alle rubrieken die voor de puntentelling worden gebruikt, moeten worden gedeeld met en uitgelegd aan de leerlingen voordat het werk begint.
Versnellingen
Tandwielen zien eruit als schijven met tanden langs de randen. Het is belangrijk op te merken dat hun tanden op gelijke afstand van elkaar staan, omdat tandwielen werken doordat hun tanden in elkaar grijpen, zoals weergegeven in de afbeelding hierboven. Wanneer het ene tandwiel draait, draait het het volgende omdat hun tanden tussen elkaar staan, wat bekend staat als in elkaar grijpend.
Tandwielen worden doorgaans gemonteerd of verbonden met andere onderdelen door een as of basis. Tandwielen worden dus gebruikt om een roterende beweging, of kracht, van de ene as naar de andere over te brengen. De as bevindt zich meestal in het midden van het tandwiel. In de afbeelding hierboven van de VEX IQ Gears is het middelste gat waar een as doorheen moet, vierkant, omdat de IQ Shafts vierkant zijn.
Een van de belangrijkste manieren om een tandwiel te definiëren is aan de hand van het aantal tanden dat het heeft.
Tips voor docenten
Het kan helpen om de leerlingen naar de VEX IQ Parts-poster te verwijzen en hen te laten opmerken dat de tandwielen in de Super Kit een naam krijgen op basis van het aantal tanden (60, 36 en 12 tanden). Als leerlingen in de war raken door de montage van tandwielen op assen, kunnen ze worden gevraagd naar de MAD te kijken Bouw een doos en merk op dat alle tandwielen in de constructie in het midden op assen zijn gebouwd.
Gemaasde tandwielen
Wanneer twee tandwielen in elkaar grijpen, draait het ene tandwiel het andere. Het tandwiel dat als eerste draait, wordt het aandrijftandwiel genoemd. Het aandrijfmechanisme kan worden gezien als een soort invoer. Het tandwiel dat door de eerste versnelling wordt ingeschakeld, wordt het aangedreven tandwiel genoemd. Het aangedreven tandwiel is dus de output.
Bekijk de onderstaande animatie om de tandwielen in actie te zien.
Je had moeten opmerken dat het aandrijftandwiel en het aangedreven tandwiel in tegengestelde richting draaien. Ze moeten in tegengestelde richtingen draaien omdat hun tanden in elkaar grijpen en in hun midden roteren.
Overbrengingsverhoudingen
Een overbrengingsverhouding is een vergelijking van de input (aangedreven tandwiel) met de output (aangedreven tandwiel) en wordt berekend door rekening te houden met het aantal tanden van elk in elkaar grijpend tandwiel.
In het bovenstaande voorbeeld hebben het aandrijftandwiel (invoer) en het aangedreven tandwiel (uitvoer) beide 60 tanden.
Hier is de formule voor het berekenen van een overbrengingsverhouding:
Laten we het voorbeeld van de twee 60-tandwielen hierboven gebruiken, omdat het een eenvoudige verhouding is om te berekenen.
De overbrengingsverhouding van deze twee in elkaar grijpende tandwielen is 1:1, wat betekent dat elke keer dat het aandrijftandwiel (input) een volledige omwenteling draait, het aangedreven tandwiel (output) ook een volledige rotatie draait.
Tips voor docenten
Zorg ervoor dat leerlingen herkennen welke verhoudingen uit deze of een andere klas komen. Simpel gezegd is een ratio een verklaring van hoe twee getallen zich verhouden.
Zorg er ook voor dat de leerlingen begrijpen hoe ze breuken kunnen verkleinen door de teller en de noemer door hetzelfde bedrag te delen.
Mechanisch voordeel
Wanneer twee of meer versnellingen in elkaar grijpen, wordt binnen die constructie een mechanisch voordeel gecreëerd.
Mechanisch voordeel wordt gedefinieerd als de verandering van de invoerkracht binnen een machine. De verandering kan worden gemeten door de input en output te vergelijken.
In het bovenstaande voorbeeld hebben de invoer en uitvoer een verhouding van 1:1, dus het lijkt misschien alsof er geen mechanisch voordeel is, maar dat is in werkelijkheid wel het geval. Het mechanische voordeel wanneer twee tandwielen even groot zijn, wordt krachtoverdracht genoemd, omdat het aangedreven tandwiel en de as ervan net zoveel draaien als het aandrijftandwiel en de as. Het aandrijftandwiel (invoer) bracht dus al zijn vermogen over naar het aangedreven tandwiel (uitvoer).
In de volgende activiteit beoordeelt u uw MAD Box gebouwd en zal de mechanische voordelen van snelheid en koppel berekenen en testen.
Verleng uw leerproces
-
versnellingen in het dagelijks leven
Veel mechanische apparaten gebruiken tandwielen. In het digitale tijdperk lijken dat er misschien minder te zijn, maar leerlingen zouden minstens vijf apparaten moeten kunnen identificeren die versnellingen gebruiken. Ze kunnen ook gereedschap voorafgaand aan elektriciteit onderzoeken. Vervolgens moeten de leerlingen uitleggen hoe ze allemaal tandwielen gebruiken en wat de functie(s) van het tandwielsysteem is.
Hier zijn enkele voorbeelden:
-
Veel fietsen gebruiken versnellingen zodat de berijder kan schakelen om sneller of met meer kracht te trappen.
-
Handmixers in de keuken gebruikten, voordat er elektriciteit was, tandwielen zodat de gebruiker een zwengel in de ene richting kon draaien (bijvoorbeeld op en neer) en de kloppers van de mixer in een andere richting kon laten draaien (bijvoorbeeld heen en weer). de kom met ingrediënten.
-
Watermolens gebruikten ook tandwielen om de richting van de kracht te veranderen door middel van krachtoverdracht. Het water zou de turbine (waterrad) aandrijven, die de tandwielen zou laten draaien en energie zou overbrengen naar de fabriek waar het werd gebruikt om producten te malen, walsen of hameren.