Конвейерно инженерство

Този урок изследва как инженерите работят за решаване на предизвикателствата на едно общество, като преместване на стоки и хора. Учениците работят в екипи, за да разработят конвейерна система, използваща ежедневни материали, които могат да преместват парчета бонбони.

Научете за инженерния дизайн и редизайн.
Научете за производствените процеси и конвейерните системи.
Научете как инженерството може да помогне за решаване на предизвикателствата пред обществото.
Научете за екипната работа и решаването на проблеми.

Възрастови нива: 8-18

Материали и подготовка

Строителни материали (за всеки екип)

Препоръчителни материали - Всички или някои могат да се използват за търговия/Таблица на възможностите

Картонени тръби (ролки хартиени кърпи, ролки от тоалетна хартия)
Празни бутилки вода/сода
Маркучи или тръби
PVC тръби
Моливи
Гумени ленти
Лагери
Гумени или пластмасови топки
Платове от плат
Низ
Gears
Хартиени/пластмасови чаши
сламки
Хартиени кърпи
Кламери
Лепило
Низ
Алуминиево фолио
Пластмасова опаковка
Ролки опаковъчна хартия

Материали за тестване

Парчета бонбони или предмети с подобен размер (всеки екип трябва да използва едни и същи предмети)

Изпитващи материали и процес

материали

Парчета бонбони или предмети с подобен размер (всеки екип трябва да използва едни и същи предмети)

Процес

Всеки екип тества дизайна на конвейерната си лента, като демонстрира как конвейерът премества бонбони (или други малки предмети) на разстояние 4 фута, включително по 90 градусов завой.

Предизвикателство на инженерния дизайн

Design Challenge

Преместете парченца бонбони на 4 фута (120 см), включително завой на 90 градуса.

Вие сте част от екип инженери, изправени пред предизвикателството да разработите своя собствена транспортна лента. Ще трябва да преместите бонбони по колана си, който трябва да включва завой на 90 градуса.

Критерии

Бонбоните трябва да се движат на 4 фута.
Дизайнът трябва да включва завой на 90 градуса.

Ограничения

Бонбоните не могат да бъдат залепени или залепени към повърхността на колана.
Бонбоните не могат да паднат.
Използвайте само предоставените материали.
Екипите могат да търгуват с неограничени материали.

Инструкции и процедури за дейност

Разбийте класа на екипи от 3-4.
Раздайте работния лист на Conveyor Engineering, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. За да въведете урока, помислете дали да попитате учениците как летището сортира и доставя багажа. Помолете ги да помислят за „движещи се тротоари“, по които са пътували (летища, молове, други големи сгради).
Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
Предоставете на всеки екип своите материали.
Обяснете, че учениците трябва да проектират и изработят работеща конвейерна лента. Конвейерът трябва да премества бонбони на 4 фута и да включва завой на 90 градуса.
Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
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 своята конвейерна лента. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, пишат/рисуват своя план и представят плана си пред класа. Екипите могат да търгуват неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
Екипите изграждат своя дизайн.
Тествайте дизайните, като демонстрирате как движи бонбони (или други малки предмети) за 4 фута, включително по 90 градусов завой.
Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Идея за разширение

Накарали напреднали или по -големи ученици да захранват своите конвейерни системи с двигатели или зъбни колела.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

Доколко оригиналният ви дизайн беше подобен на реалния конвейер, изграден от вашия екип?
Ако сте установили, че трябва да направите промени по време на етапа на строителството, опишете защо вашият екип е решил да направи ревизии.
Коя конвейерна система, създадена от друг екип, беше най -интересна за вас? Защо?
Смятате ли, че тази дейност е по -полезна като екип или бихте предпочели да работите сами по нея? Защо?
Ако можехте да използвате един допълнителен материал (лента, лепило, дървени пръчки, фолио - като примери) кой бихте избрали и защо?

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.

Процес на инженерно проектиране

Основни концепции

Какво е конвейерна лента?

Конвейерните ленти могат да бъдат изработени от много различни материали, но в най -основната си форма е рамка с монтирани ролки, които преместват материали отгоре. Тя може да бъде моторизирана, така че ролките да се движат със зададена скорост, да се задвижват ръчно или да се движат със силата на гравитацията.

Има и приложение, наречено сандвич лента, при което два основни транспортьора работят паралелно - един върху друг, оставяйки достатъчно място, за да поставите кутия между тях. Използва се често за преместване на елементи по стръмни наклони и е разработен през 1979 г. за подобряване на ефективността при отстраняване на скали и други материали от мини.

Кой използва конвейерни системи?

Конвейерните системи обикновено се използват в много индустрии, включително корабоплаването, автомобилната, селскостопанската, компютърната, електронната, хранително -вкусовата, космическата, фармацевтичната, химическата, бутилирането и консервирането и опаковането. Въпреки че повечето материали могат да бъдат транспортирани, някои от най -често срещаните включват хранителни продукти в кутии, бутилки и кутии; автомобилни компоненти; минни материали и скрап; и зърно или храна за животни. Те се използват и за преместване на хора и материали (като кутии и багаж) по летищата. Често място за инсталиране на конвейерни ленти са отделите за опаковане, а също и в производствените зони. Коланите обикновено се монтират на височина на талията, за да улеснят хората да наблюдават работата и да наблюдават материалите, движещи се през системата. И ... в много страни суши ресторантите използват конвейерни ленти, за да пренасят ястия от суши през клиентските маси, така че те просто виждат какво минава и вземат чинията, която изглежда добре!

Как работи?

Конвейерната система обикновено се състои от метална рамка с ролки, монтирани на различни интервали по дължината на транспортната лента. Обикновено те са покрити с гладък или гумиран материал, който покрива ролките и помага на материалите да се движат, без да се забиват между ролките. Някои ролкови системи са прави, а други са извити. Някои са плоски, а други преместват материали нагоре или надолу между етажите или дори в подземни мини.

Какво е масово производство?

Масовото производство включва създаването на много копия на продукти, много бързо, като се използват техники на монтажната линия, за да се изпращат частично завършени продукти до работници, които всеки работи на отделна стъпка, вместо да накара работник да работи върху цял продукт от началото до края.

История на конвейерната лента и монтажна линия

История и изобретатели

Примитивните транспортни ленти се използват от 1800 -те години - първоначално използвани при транспортиране на стоки до и от мини, което имаше голямо влияние върху подобряването на скоростта, с която извлечените материали могат да бъдат изнесени на повърхността. През 1913 г. Хенри Форд въвежда конвейерни ленти за сглобяване в Highland Park на Ford Motor Company, Мичиган, американска фабрика. Монтажната линия, разработена от Ford Motor Company между 1908 и 1915 г., направи монтажните линии известни през следващото десетилетие чрез социалните разклонения на масовото производство - а конвейерната лента беше ключов компонент на системата, позволявайки да се преместват части от работници.

През 1957 г. BF Goodrich Company патентова конвейерна лента, наречена в крайна сметка система за оборотни конвейерни ленти. Той включва половин усукване на колана, наречен лента на Möbius (вижте диаграмата вдясно). Този дизайн имаше голямо предимство пред конвенционалните колани, тъй като изложи цялата му повърхност на износване и така продължи по -дълго. Сега лентите на Möbius вече не се произвеждат, тъй като модерните колани от няколко слоя материали са по -издръжливи.

Най -дългата лентова транспортна система в света към 2012 г. е с дължина 98 км, свързваща фосфатните мини на Бу Краа с крайбрежието на Западна Сахара. За приложения за багаж най -дългата конвейерна система на 92 км е на международното летище в Дубай.

Преместване на тротоари

Друг вид конвейерна система е движещият се тротоар, който транспортира хора вместо стоки или куфари! Първата движеща се пътека дебютира на Световното колумбийско изложение през 1893 г. в Чикаго, Илинойс, САЩ. Сега тези транспортни системи се използват в летища, молове и всяка област, където може да се очаква хората да ходят на дълги разстояния. Първата движеща се пътека на летище е инсталирана през 1958 г. в Love Field в Далас, Тексас, САЩ. Анимационният сериал The Jetsons изобразява движещи се пътеки навсякъде, дори в частни домове.

лексика

Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
Транспортна лента: Рамка с монтирани ролки, които придвижват материалите отгоре.
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 (виж 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).
Масово производство: включва правене на много копия на продукти, много бързо, като се използват техники на поточна линия за изпращане на частично завършени продукти до работници, които всеки работи на отделна стъпка, вместо работник да работи върху цял продукт от началото до края.
Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
Сандвич лента: Два основни конвейера работят успоредно - един върху друг, оставяйки достатъчно място, за да поставите кутия между тях.

Dig Deeper

Интернет връзки

История на Ford Motor Company - Монтажна линия

Препоръчителна четене

Конвейери: приложение, подбор и интеграция (индустриални иновации) (ISBN: 978-1439803882)
Изобретението на движещата се монтажна линия: революция в производството (ISBN: 978-1604137729)
От американската система до масовото производство, 1800-1932: Развитието на производствените технологии в САЩ (ISBN: 978-0801829758)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф за три съществуващи и едно въображаемо приложение на система от конвейерна лента.

Подравняване на учебните програми

Привеждане в съответствие с учебните програми

Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:

Стандарти за научно образование в САЩ (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Научни стандарти на САЩ от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Принципите и стандартите за училищна математика на Националния съвет на учителите по математика на САЩ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Американски общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

Способности, необходими за извършване на научни изследвания
Разбиране за научните изследвания

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
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

Видове ресурси
Наука и технологии в местните предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Науката като човешко начинание

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

Способности, необходими за извършване на научни изследвания

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

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейности в 5-8 клас 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

Рискове и ползи
Наука и технологии в обществото

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Науката като човешко начинание
История на науката

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

Способности, необходими за извършване на научни изследвания

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

Движения и сили
Спестяване на енергия и увеличаване на разстройството
Взаимодействия на енергия и материя

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 F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Лично и обществено здраве
Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

Исторически перспективи

Научни стандарти от следващо поколение-(Възраст 8-11)

Движение и стабилност: Сили и взаимодействия

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

3-PS2-1. Планирайте и проведете разследване, за да предоставите доказателства за въздействието на балансирани и небалансирани сили върху движението на обект.

Инжинерен дизайн

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

3-5-ETS1-1. Определете прост проблем при проектирането, отразяващ нужда или желание, който включва определени критерии за успех и ограничения върху материалите, времето или разходите.
3-5-ETS1-2.Генерирайте и сравнете множество възможни решения на проблем въз основа на това доколко всеки от тях отговаря на критериите и ограниченията на проблема.
3-5-ETS1-3. Планирайте и провеждайте справедливи тестове, при които променливите се контролират и точките на повреда се считат за идентифициране на аспекти на модел или прототип, които могат да бъдат подобрени.

Научни стандарти от следващо поколение-(Възраст 11-14)

Инжинерен дизайн

MS-ETS1-2 Оценявайте конкурентни дизайнерски решения, като използвате систематичен процес, за да определите колко добре отговарят на критериите и ограниченията на проблема.

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.

Технология и общество

Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
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.
Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.

Проектираният свят

Стандарт 18: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват транспортни технологии.

Студентски работен лист

Инженерна работа в екип и планиране

Вие сте част от екип инженери, изправени пред предизвикателството да разработите своя собствена конвейерна лента от набор от материали. Ще трябва да пренесете бонбони по колана си, който трябва да включва завой на 90 градуса. Можете да използвате всякакви материали, които ви харесват, които са ви предоставени ... и можете да споделяте или търгувате материали с други ученически екипи. Има няколко правила: 1. Бонбоните не могат да бъдат залепени или залепени към повърхността на колана, 2. Бонбоните не могат да паднат.

Фаза на изследване

Прочетете материалите, предоставени ви от вашия учител. Ако имате достъп до интернет, разгледайте примери за конвейерни системи и помислете как хранителните стоки се преместват до касата в пазар или магазин за хранителни стоки.

Фаза на планиране и проектиране

Начертайте диаграма на планираната от вас конвейерна лента в задната част на тази страница и направете списък и количество на всички материали, които смятате, че ще ви трябват в полето по -долу. Ще трябва да помислите как ще накарате конвейерната лента да се движи - можете да използвате ръцете си за преместване на ролки, зъбни колела или можете да използвате мотор - просто не докосвайте чашата!

Материали, от които ще се нуждаете:

Фаза на представяне

Представете своя план и рисунка на класа и обмислете плановете на други екипи. Може да искате да настроите своя собствен дизайн.

Изградете го! ... и преработете, ако трябва!

След това изградете конвейерната лента и я тествайте. Можете да споделяте неизползвани строителни материали с други екипи и да търгувате също. Не пропускайте да наблюдавате какво правят другите екипи и обмислете аспектите на различните дизайни, които биха могли да подобрят плана на вашия екип.

Тествайте го!

След това класът ще тества своите системи за конвейерни ленти. Не забравяйте да гледате всички тестове, за да видите предимствата или недостатъците на други системи.

Размисъл

Попълнете въпросите за размисъл по -долу: