Изградете голямо колело
Този урок се фокусира върху инженеринга зад големите колела (понякога наричани виенски колела). Екипи от студенти изследват инженеринга зад „Лондонското око“, изследват историята на големите колела и конструират модел на работно колело.
- Научете за инженерното проектиране.
- Научете за движението, натоварването и конструкцията.
- Научете за работата в екип и работата в групи.
Възрастови нива: 8-18
Строителни материали (за всеки екип)
Необходими материали
- Паста (няколко торбички в различни форми)
- Низ
- Лепило
Незадължителни материали (Търговия/Таблица на възможностите)
- Кламери
- Хартия
- Картон
- Картонени тръби (хартиени кърпи/тоалетна хартия)
Тестови материали за допълнително предизвикателство с тегло
- 4-8 пакетчета чай
Материали за допълнително тегло предизвикателство
- 4-8 пакетчета чай
Процес
Тествайте всеки дизайн, като накарате студентския екип да демонстрира как се върти колелото им. Като допълнително предизвикателство можете да накарате екипите да прикрепят пакетчета чай към дизайна си, за да действат като седалки.
Design Challenge
Вие сте екип от инженери, които работят заедно за проектиране и изграждане на голямо колело (известен още като виенско колело).
Критерии
- Колелото трябва да се завърти
Ограничения
- Трябва да се използват само предоставените материали.
- Може да търгува с неограничен брой материали с други екипи.
- Разбийте класа на екипи от 2-4.
- Раздайте работни листове „Изградете свое собствено колело“ и „Оценка“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
- Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. Прочетете и обсъдете как работи Лондонското око https://adventure.howstuffworks.com/london-eye.htm
- Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
- Инструктирайте учениците да започнат мозъчна атака и да скицират своите дизайни.
- Предоставете на всеки екип своите материали.
- Обяснете, че учениците трябва да развият въртящо се голямо колело. Те ще трябва да разберат колко парчета от всяка форма на тестени изделия ще им трябват и колко низ им трябва.
Една незадължителна стъпка: Изисквайте „тежестите“ на торбичката чай да бъдат вързани на колелото, за да служат като седалки. - Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително е 1 час). Лепилото върху колелата може да се наложи да изсъхне за една нощ, преди дизайна да бъде завършен.
- Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
- Учениците се срещат и разработват план за своето голямо колело. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, пишат/рисуват своя план и представят плана си пред класа. Екипите могат да търгуват с неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
- Екипите изграждат своя дизайн.
- Тествайте големите дизайни на колелата, като накарате всеки екип да демонстрира как се върти колелото им. За допълнително предизвикателство, накарайте всеки екип да прикрепи пакетчета чай към колелото си, за да действа като седалки.
- Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
- За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.
Отражение на ученика (инженерна тетрадка)
- Успяхте ли да създадете „голямо колело“, което да се завърти? Ако не, защо се провали?
- Трябваше ли да поискате допълнителни или различни форми на паста, докато изграждате колелото? Ако е така, какво се случи между дизайна (чертежа) и действителната конструкция, която промени вашите нужди от материал?
- Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес? Защо биха могли?
- Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?
- Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
- Открихте ли, че във вашата класна стая има много дизайни, които отговарят на проекта цел? Какво ви казва това за инженерните планове?
- Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако бяхте работи сам? Обяснете…
- Как мислите, че инженерните проекти за „големи колела“ са се променили с течение на времето? Какво влияние оказа развитието на новите материали върху инженерните планове за „големи колела“?
- Как тези инженерни подобрения са променили опита на тези, които карат „големите колела?“
- Какви инженерни съображения са необходими при проектирането на големи колела, за да се настанят ездачите в инвалидни колички?
- Смятате ли, че очакванията на ездачите са повлияли на дизайна на „bigколела. " Как „големите колела“ са се променили, за да отговорят на тези очаквания?
Модификация на времето
Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.
Историята на големите колела
Големите колела през времето
Най-ранният пример за Голямото колело е Ups-and-Downs, грубо ръчно завъртано устройство, което датира поне от 17-ти век и все още се използва в някои части на света. Колелото „Виенско“ е кръстено на Джордж Вашингтон Гейл Ферис -младши, който е проектирал 80 -метрово колело за Световното колумбийско изложение в Чикаго, Илинойс, САЩ през 264 г. Това първо колело тежи 1893 тона (2000 тона) и може да превозва 2200 души едновременно; Виенското колело беше най -голямата атракция на Колумбийското изложение с височина над 2,160 ′ и задвижвана от две парни машини с мощност 250 к.с. Имаше 1000 коли всяка с размерите на училищен автобус, който побираше по 36 души всяка (60 седящи, 40 стоящи). Отне 20 минути, докато колелото направи две обороти - първата до направи шест спира, за да позволи на пътниците да излязат и да влязат; втората единична нон-стоп революция-и за това притежателят на билета плати 2 цента. Колелото е преместено два пъти след панаира 50 г. и в крайна сметка е унищожено (чрез контролирано разрушаване) през 1893 г., след като е използвано на експозицията в Сейнт Луис през същата година. Със своите 1904 тона, оста му беше най -голямата стоманена ковка за онова време. Беше висок 70 етажа, само една четвърт от височината на Айфеловата кула.
London Eye
Бяха нужни седем години и уменията на стотици хора от пет държави, за да превърнат British Eye London Eye в реалност. Дизайнът е подобен на огромно колело за велосипеди, с централна главина и шпиндел, свързани с външни и вътрешни джанти чрез кабелни спици. Той е над 200 пъти по -голям от средното колело за велосипеди. 80 -те спици, поставени заедно, ще се простират на шест километра. Врелото, което държи конструкцията на колелото, е с дължина 23 метра - височината на девет класически лондонски червени телефонни кутии. Главината и шпинделът тежат 330 тона-еквивалентно на 49 двуетажни автобуса и 20 пъти по-тежки от Биг Бен. Около 1,700 тона стомана са били използвани за изграждането на London Eye. Той беше изпратен нагоре по река Темза с шлепове на секции и сглобен на Южния бряг. Отнема седмица, за да го повдигнете от хоризонтално положение до напълно вертикално. Използваната технология преди това е била използвана за издигане на петролни платформи в Северно море. Лондонското око често погрешно се нарича виенско колело. Това не е така: първо, капсулите за пътници са напълно затворени и са с климатичен контрол; второ, капсулите са разположени от външната страна на конструкцията на колелото и са напълно моторизирани; и трето, цялата конструкция се поддържа от A-рамка само от едната страна.
Но как работи? London Eye използва два вида кабели, кабели за колела и задни кабели. Кабелите за колела включват 16 кабела за въртене на джантата и 64 кабела за спици, те са подобни на спиците на велосипеди и се простират през колелото. Има шест задни кабела, които са разположени в основата за компресия. Компресионната основа е разположена под краката на А -рамката; тя изисква 2,200 тона бетон и 44 бетонни купчини - всяка от които е с дълбочина 33 метра. Натягащата основа, която държи задните кабели, използва 1,200 тона бетон. Основните елементи на главината и шпиндела са произведени от чугунена стомана. Врелото е твърде голямо, за да се хвърли като едно цяло, затова вместо това се произвежда в осем по -малки секции. Две допълнителни отливки, под формата на големи пръстени, образуват основния структурен елемент на главината. Главината е валцована стоманена тръба, образуваща дистанционера, който ги държи отделени. Цялото леене беше извършено от Skoda Steel.
Сингапур Флайър
Когато бъде завършен през 2008 г., Singapore Flyer ще бъде един от най-големите в света движещи се земни обекти, създадени от човека на височина 178 метра-еквивалент на 45-етажна сграда. Той ще се състои от гигантско наблюдателно колело с диаметър 150 метра, разположено на върха на 20-метрова триетажна терминална сграда. Веднъж на борда, пътниците ще бъдат очаровани от обширни, епични гледки - от историческата река Сингапур и модерния силует, до великолепната гледка на корабите на хоризонта и в ясен ден, точно до Малайзия и Индонезия. От всяка от 28-те климатизирани капсули, защитени от UV лъчи, посетителите могат да се насладят на очарователното усещане за полет, докато плават в небето по време на 37-минутното пътуване. Впечатлението на художника вдясно показва как ще изглежда сингапурският флаер. Научете повече на www.singaporeflyer.com.sg.
- Голямо колело: Увеселителен парк или панаирна атракция, състояща се от гигантско вертикално въртящо се колело с леки автомобили, окачени на външния му ръб (известно също като виенско колело)
- Централна главина: Средната част на колелото, свързващо шпиндела и спиците.
- Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
- Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
- Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (вижте инфографиката).
- Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми.
- Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
- Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
- Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
- Вретено: Тънък заоблен прът със заострени краища, където се закрепват спиците.
- Спици: Всяка от пръти или телени пръти, свързващи центъра на колело с външния му ръб
Интернет връзки
Препоръчителна четене
- 50-те най-големи виенски колела, създавани някога (ISBN: 978-1517634704)
- Виенски колела: Илюстрирана история (ISBN: 978-0879725327)
- Фантастичното виенско колело: Историята на изобретателя Джордж Ферис (ISBN: 978-1627790727)
Писателска дейност
Напишете есе или параграф за инженерните предизвикателства, изправени по време на строителството на London Eye или Singapore Flyer.
Привеждане в съответствие с учебните програми
Забележка: Всички учебни планове от тази поредица са подравнени с Национални стандарти за научно образование които са произведени от Национален съвет за научни изследвания и одобрени от Националната асоциация на учителите по естествени науки, и ако е приложимо, също и от Стандартите за технологична грамотност на Международната асоциация по технологично образование или Националните съвети на учителите по математика за принципите и стандартите за училищна математика.
Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Свойства на предмети и материали
- Положение и движение на обекти
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в местните предизвикателства
Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Свойства и промени на свойствата в материята
- Движения и сили
- Прехвърляне на енергия
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в обществото
Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Структура и свойства на материята
- Движения и сили
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Исторически перспективи
Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти
Природата на технологиите
- Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
- Стандарт 2: Студентите ще развият разбиране за основните концепции на технологията.
Технология и общество
- Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
- Стандарт 5: Учениците ще развият разбиране за въздействието на технологиите върху околната среда.
- Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
- Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.
Дизайн
- Стандарт 8: Студентите ще развият разбиране за характеристиките на дизайна.
- Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
- Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания и разработки, изобретения и иновации и експериментиране при решаването на проблеми.
Способности за един технологичен свят
- Стандарт 11: Учениците ще развият способности да прилагат процеса на проектиране.
Проектираният свят
- Стандарт 18: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват транспортни технологии.
Индустриално инженерство
Компютърно инженерствоВие сте екип от инженери, на които е дадено предизвикателството да създадат „голямо колело“.
Фаза на проучване/подготовка
Прегледайте различните справочници за ученици.
Планиране като екип
Вашият екип е снабден с някои „строителни материали“ от вашия учител. Имате сушени тестени изделия, лепило, хартия, картон, конци, кламери и други ресурси.
Започнете със среща с екипа си и изготвяне на план за изграждане на вашата структура. Ще трябва да разберете колко парчета от всяка форма на тестени изделия ще ви трябват, колко низ ви е необходим и да разработите скица на вашия план за преглед от вашия учител. Трябва да обмислите етапите или стъпките, които ще са необходими в строителството, за да сте сигурни, че колелото остава заедно.
Напишете или нарисувайте плана си в полето по -долу, включително вашата проекция за материалите, които ще ви трябват за завършване на строителството. Представете своя дизайн на класа и обяснете избора на лепило. Можете да изберете да преразгледате плана на екипите си, след като получите обратна връзка от класа.
| Необходими материали:
|
Строителна фаза
Изградете своето голямо колело! Може да се наложи да оставите лепилото да изсъхне за една нощ, преди колелото да бъде завършено. Може също да се наложи да изградите и свържете определени части преди други. Помислете как е изградено Лондонското око на етапи https://adventure.howstuffworks.com/london-eye.htm
Оценете резултатите на вашите екипи, попълнете работния лист за оценка и представете констатациите си пред класа.
Използвайте този работен лист, за да оцените резултатите на вашия екип в урока Build a Big Wheel:
1. Успяхте ли да създадете „голямо колело“, което да се завърти? Ако не, защо се провали?
2. Трябваше ли да поискате допълнителни или различни форми на паста, докато изграждате колелото? Ако е така, какво се случи между дизайна (чертежа) и действителната конструкция, която промени вашите нужди от материал?
3. Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес? Защо биха могли?
4. Ако трябва да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?
5. Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
6. Открихте ли, че във вашата класна стая има много дизайни, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за инженерните планове?
7. Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете…
8. Как мислите, че инженерните проекти за „големи колела“ са се променили с течение на времето? Какво влияние оказа развитието на новите материали върху инженерните планове за „големи колела“?
9. Как тези инженерни подобрения са променили опита на тези, които карат на „големите колела“?
10. Какви инженерни съображения са необходими при проектирането на големи колела, за да се настанят ездачите в инвалидни колички?
11. Смятате ли, че очакванията на ездачите са повлияли на дизайна на „големи колела“. Как „големите колела“ са се променили, за да отговорят на тези очаквания?
