Інструменти вчителя
-
Мета цього розділу
Розділ «Ігри» цієї лабораторії STEM познайомить студентів із механізмами та їх призначенням у збірці. На цій першій сторінці будуть представлені такі терміни, як: зачеплені шестерні, ведучі шестерні, ведені шестерні, передавальні числа, механічна перевага та передача потужності. На наступній сторінці буде розглянуто збірку MAD Коробка, її передавальні числа та механічні переваги крутного моменту або швидкості, створені цими передавальними числами. На наступній сторінці завершується розрахунок передавального числа для всього MAD Коробка конструкції.
Було б гарною ідеєю прочитати першу сторінку класом, а потім запропонувати групам учнів опрацювати другу сторінку. Кожен учень повинен читати разом.
У разі роботи в групах по три студенти можуть бути розподілені на одну з трьох ролей:
1) Експерт зі збірки: цей учень знаходить крок збірки в інструкціях зі збірки та вказує, де в завершеній збірці розташовані ці шестерні.
2) Калькулятор: Цей учень виконує розрахунки передавальних чисел.
3) Диктофон: цей студент перевіряє розрахунок калькулятора, інтерпретує, що означає передавальне число, і гарантує, що команда записує всю свою роботу у свій інженерний блокнот.
Якщо групи студентів мають більше трьох студентів, то кілька студентів можуть відповідати за ту саму роль. Якщо в групах менше трьох, той самий учень може виконувати кілька ролей.
Натисніть тут(Google Doc / .docx / .pdf ) для рубрики «Співпраця» або натисніть тут (Google Doc / .docx / .pdf) для групи на основі рубрика інженерний зошит. Існує також рубрика «Індивідуальний інженерний зошит», натисніть тут (Google Doc / .docx / .pdf ) . Будь-які рубрики, які використовуватимуться для виставлення балів, слід поділитися зі студентами та пояснити їм перед початком роботи.
Шестерні
Шестерні мають вигляд дисків із зубцями по краях. Важливо зауважити, що їхні зуби розташовані на однаковій відстані, оскільки шестерні працюють, коли їх зуби зачеплені разом, як показано на зображенні вище. Коли одна шестерня обертається, вона повертає наступну, оскільки їхні зуби розташовані один між одним, що називається зачепленням.
Зубчасті передачі зазвичай монтуються або з’єднуються з іншими частинами за допомогою валу або основи. Таким чином, шестерні використовуються для передачі обертового руху або потужності від одного вала до іншого. Зазвичай вал розташовується в центрі шестерні. На зображенні вище VEX IQ Gears центральний отвір, через який проходить вал, є квадратним, тому що вали IQ квадратні.
Один із основних способів визначення шестерні – це кількість зубів, які вона має.
Поради вчителю
Це може допомогти скерувати студентів до плаката з деталями VEX IQ і звернути увагу на те, що шестерні, які входять до супернабору, названо за кількістю зубів (60, 36 і 12 зубчастих шестерень). Якщо студенти збентежені кріпленням шестерень на валах, їх можна направити подивитися на MAD Зверніть увагу, що всі шестерні всередині конструкції були побудовані на валах у своїх центрах.
Зачеплені шестерні
Коли дві шестерні зчеплені разом, одна шестерня повертає наступну. Шестерня, яка першою виконує поворот, називається ведучою. Ведучий механізм можна розглядати як тип входу. Шестерня, яка повертається першою передачею, називається веденою. Таким чином, ведена передача є вихідним.
Перегляньте наведену нижче анімацію, щоб побачити сітчасті шестерні в дії.
Ви мали помітити, що ведуча та ведена шестерні обертаються в протилежних напрямках. Їм доводиться обертатися в протилежних напрямках, тому що їхні зуби зачеплені, і вони обертаються в своїх центрах.
Передаточні числа
Передавальне відношення — це порівняння вхідного (ведуча шестерня) і вихідного (ведуча шестерня) і розраховується з урахуванням кількості зубів кожної шестерні в зачепленні.
У наведеному вище прикладі ведуча (вхідна) і ведена (вихідна) шестерні мають по 60 зубів.
Ось формула для розрахунку передавального числа:
Давайте скористаємося прикладом двох шестерень із 60 зубами, наведених вище, тому що це співвідношення для обчислення просте.
Передавальне відношення цих двох зачеплених шестерень становить 1:1, що означає, що кожного разу, коли ведуча шестерня (вхідна) обертається на один повний оберт, ведена шестерня (вихідна) також повертається на один повний оберт.
Поради вчителю
Переконайтеся, що учні розпізнають, які співвідношення належать до того чи іншого класу. Простіше кажучи, відношення — це те, як порівнюються два числа.
Також переконайтеся, що учні розуміють, як скоротити дроби, поділивши чисельник і знаменник на однакову суму.
Механічна перевага
Щоразу, коли дві або більше передач зчеплені, у цій конструкції створюється механічна перевага.
Механічна перевага визначається як зміна вхідної сили в машині. Зміну можна виміряти шляхом порівняння входу та виходу.
У наведеному вище прикладі вхід і вихід мають співвідношення 1:1, тому може здатися, що механічної переваги немає, але вона насправді є. Механічна перевага, коли дві шестерні мають однаковий розмір, називається передачею потужності, оскільки ведена шестерня та її вал обертаються так само, як і ведуча шестерня та її вал. Таким чином, ведуча передача (вхід) передала всю свою потужність веденій передачі (вихід).
У наступній вправі ви переглянете свій MAD Box build і розрахує та перевірить механічні переваги швидкості та крутного моменту.
Розширте своє навчання
у повсякденному житті
Багато механічних пристроїв використовують шестерні. У цифрову епоху може здатися, що їх менше, але студенти повинні вміти ідентифікувати принаймні п’ять пристроїв, які використовують механізми. Вони також можуть досліджувати інструменти до електрики. Потім студенти повинні пояснити, як кожен використовує шестерні та які функції виконує система шестерень.
Ось кілька прикладів:
-
Багато велосипедів використовують передачі, щоб дозволити водієві перемикати передачі, щоб крутити педалі швидше або з більшою силою.
-
У ручних міксерах на кухні до появи електрики використовувалися шестерні, щоб користувач міг обертати рукоятку в одному напрямку (наприклад, вгору-вниз), а збивачки міксера обертатися в іншому (наприклад, вперед-назад) у миска з інгредієнтами.
-
Водяні млини також використовували шестерні для зміни напрямку сили за допомогою передачі потужності. Вода обертала турбіну (водяне колесо), яка обертала шестерні, передаючи енергію на фабрику, де її використовували для фрезерування, прокатки або кукування виробів.