Izgradite veliki kotač

Ova se lekcija fokusira na inženjerstvo velikih kotača (ponekad nazvanih Ferris kotači). Timovi učenika istražuju inženjering iza "London Eye", istražuju povijest velikih kotača i konstruiraju model radnog kotača.

Saznajte više o inženjerskom dizajnu.
Saznajte o kretanju, opterećenju i konstrukciji.
Saznajte o timskom radu i radu u skupinama.

Starosne razine: 8-18

Prezentacija nastavnog plana

DOWNLOAD PDF

PREUZIMANJE POWERPOINT

Materijali i priprema

Građevinski materijali (za svaki tim)

Potrebni materijali

Tjestenina (nekoliko vrećica u raznim oblicima)
Niz
Ljepilo

Fakultativni materijali (trgovanje / tablica mogućnosti)

Spajalice
Papir
Karton
Kartonske cijevi (papirnati ručnici / toaletni papir)

Materijali za ispitivanje za izborni izazov težine

4-8 vrećica čaja

Ispitni materijali i postupak

Materijali za izborni izazov težine

4-8 vrećica čaja

Proces

Testirajte svaki dizajn tako što će studentski tim pokazati kako im se okreće kotač. Kao dodatni izazov, možete zatražiti da timovi prikače vrećice čaja na svoj dizajn kako bi djelovale kao sjedala.

Izazov inženjerskog dizajna

Dizajn Challenge

Vi ste tim inženjera koji zajedno rade na dizajniranju i izradi velikog kotača (zvanog Ferris kotač).

Kriteriji

Kotač se mora okrenuti

ograničenja

Morate koristiti samo dostavljene materijale.
Svibanj trgovati neograničenim materijalima s drugim timovima.

Upute i postupci aktivnosti

Razbijte razred u timove od 2-4.
Podijelite radne listove Izradi vlastiti kotačić i Procjene, kao i neke listove papira za skiciranje dizajna.
Raspravite o temama u odjeljku Pozadine. Pročitajte i razgovarajte o tome kako funkcionira London Eye https://adventure.howstuffworks.com/london-eye.htm
Pregledajte postupak tehničkog dizajna, izazov dizajna, kriterije, ograničenja i materijale.
Uputite učenike da počnu mozgati i skicirati svoje nacrte.
Osigurajte svakom timu svoje materijale.
Objasnite da učenici moraju razviti veliki točak koji se okreće. Morat će shvatiti koliko će dijelova svakog oblika tjestenine trebati i koliko žica trebaju.
Neobvezan korak: Zahtijevajte da se "utezi" vrećice čaja prikače na kotač kako bi poslužili kao sjedala.
Najavite koliko im vremena treba za projektiranje i izradu (preporučuje se 1 sat). Ljepilo na kotačima možda će se trebati osušiti preko noći prije dovršetka dizajna.
Upotrijebite tajmer ili internetsku štopericu (značajka odbrojavanja) kako biste osigurali da budete na vremenu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dajte učenicima redovite "vremenske provjere" kako bi ostali na zadatku. Ako se muče, postavljajte pitanja koja će ih brže dovesti do rješenja.
Studenti se sastaju i razvijaju plan za svoj veliki točak. Dogovaraju se o materijalima koji će im trebati, napišu / nacrtaju svoj plan i prezentiraju svoj plan razredu. Timovi mogu trgovati neograničenim materijalima s drugim timovima kako bi razvili svoj popis idealnih dijelova.
Timovi grade svoje dizajne.
Testirajte dizajn velikih kotača tako što će svaki tim pokazati kako se njihov kotač okreće. Za dodatni izazov, neka svaki tim pričvrsti vrećice čaja na svoj kotač da djeluju kao sjedala.
Kao razred razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
Za više sadržaja o toj temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".

Refleksija učenika (inženjerska bilježnica)

Jeste li uspjeli stvoriti "veliki kotač" koji bi se mogao okretati? Ako ne, zašto nije uspio?
Jeste li tijekom izrade kotača trebali zatražiti dodatne ili različite oblike tjestenine? Ako je odgovor da, što se dogodilo između dizajna (crteža) i stvarne konstrukcije koja je promijenila vaše materijalne potrebe?
Mislite li da inženjeri moraju prilagoditi svoje izvorne planove tijekom proizvodnog procesa? Zašto bi mogli?
Ako biste morali sve ponoviti, kako bi se promijenio vaš planirani dizajn? Zašto?
Koje ste dizajne ili metode vidjeli da su drugi timovi pokušali za koje mislite da su dobro funkcionirali?
Jeste li otkrili da je u vašoj učionici bilo mnogo dizajna koji su odgovarali projektu cilj? Što vam ovo govori o inženjerskim planovima?
Mislite li da biste lakše mogli dovršiti ovaj projekt radite sami? Objasniti…
Što mislite, kako su se inženjerski projekti za "velike kotače" mijenjali tijekom vremena? Kakav je utjecaj razvoj novih materijala imao na inženjerske planove za "velike kotače"?
Kako su ta inženjerska poboljšanja promijenila iskustvo onih koji jašu dalje "veliki kotači?"
Koja su inženjerska razmatranja potrebna kod dizajna velikih kotača da bi se smjestili vozači u invalidskim kolicima?
Mislite li da su očekivanja vozača utjecala na dizajn „velikogkotači. " Kako su se "veliki kotačići" promijenili kako bi ispunili ova očekivanja?

Izmjena vremena

Lekcija se može izvoditi za samo 1 sat za starije učenike. Međutim, kako biste učenicima pomogli da se osjećaju požurjeno i kako bi osigurali uspjeh učenika (posebno za mlađe učenike), podijelite lekciju u dva razdoblja dajući studentima više vremena za mozganje, testiranje ideja i doradu njihovog dizajna. Provedite testiranje i izvođenje u slijedećem razrednom terminu.

Proces inženjerskog dizajna

Pozadine

Povijest velikih kotača

Veliki kotačići kroz vrijeme

Najraniji primjer Velikog kotača su Uskopi i padovi, sirovi, ručno okrenuti uređaj, koji datira barem iz 17. stoljeća i još uvijek je u upotrebi u nekim dijelovima svijeta. Kotač "Ferris" dobio je ime po Georgeu Washingtonu Gale Ferrisu mlađem, koji je 80. dizajnirao kotač od 264 metara za Svjetsku kolumbijsku izložbu u Chicagu u državi Illinois, SAD. Ovaj prvi kotač težio je 1893 tona (2000 tona) i mogao je istovremeno prenijeti 2200 osoba; Ferrisov kotač bio je najveća atrakcija na izložbi Columbian Exposition, visok preko 2,160 ′ i pogonjen od dva parna stroja od 250 KS. Bilo je 1000 automobila veličine školskog autobusa koji su primali po 36 ljudi (60 sjedećih, 40 stojećih). Trebalo je 20 minuta da kotač napravi dvije okretaje - prvu do napraviti šest zaustavljanja kako bi se putnicima omogućilo da izađu i uđu; 2. jedna neprekidna revolucija - i za to je vlasnik ulaznice platio 50 centi. Kotač je dva puta pomaknut nakon sajma 1893. godine, a na kraju je uništen (kontroliranim rušenjem) 1904. nakon što je korišten na izložbi u St. Louisu te godine. Sa svojih 70 tona, njegova osovina bila je najveće čelično kovanje tog doba. Bio je visok 26 katova, samo četvrtina visine Eiffelovog tornja.

London Eye

Trebalo je sedam godina i vještine stotina ljudi iz pet zemalja da British Airways London Eye postane stvarnost. Dizajn je sličan ogromnom biciklističkom kotaču, sa središnjom glavčinom i vretenom spojenim kabelskim žicama na vanjske i unutarnje felge. Preko 200 puta je veći od prosječnog biciklističkog kotača. Sastavljenih 80 žbica protezalo bi se na šest kilometara. Vreteno koje drži strukturu kotača dugo je 23 m - visina devet klasičnih londonskih crvenih telefonskih kutija. Glavčina i vreteno teže 330 tona - što odgovara 49 dvospratnih autobusa i 20 puta je teže od Big Bena. Oko 1,700 tona čelika upotrijebljeno je za izgradnju London Eye-a. Dopremljen je rijekom Temzom teglenicom u dijelovima i sklopljen na Južnoj obali. Trebalo je tjedan dana da ga podignemo iz vodoravnog u potpuno okomiti položaj. Upotrijebljena tehnologija prethodno se koristila za postavljanje naftnih platformi u Sjevernom moru. Londonsko oko često se pogrešno naziva Ferrisovim kotačem. To nije slučaj: prvo, putničke kapsule potpuno su zatvorene i klimatizirane; drugo, kapsule su smještene s vanjske strane konstrukcije kotača i potpuno su motorizirane; i treće, cijelu strukturu podržava A-okvir samo s jedne strane.

Ali, kako to djeluje? London Eye koristi dvije vrste kabela, kablove za kotače i backstay kablove. Kabeli kotača uključuju 16 kabela za okretanje obruča i 64 kabela sa krakovima, slični su žicama za bicikle i protežu se preko kotača. Postoji šest stražnjih kabela koji se nalaze u kompresijskom temelju. Kompresijski temelj nalazi se ispod nogu A-okvira; bilo je potrebno 2,200 tona betona i 44 betonske hrpe - svaka je bila duboka 33 metra. Zatezni temelj, koji je držao stražnje kabele, upotrijebio je 1,200 tona betona. Glavni elementi glavčine i vretena proizvedeni su od lijevanog čelika. Vreteno je bilo preveliko da bi se moglo lijevati kao jedan komad, pa je umjesto toga proizvedeno u osam manjih dijelova. Dva daljnja odljevka, u obliku sjajnih prstenova, čine glavni strukturni element glavčine. Glavčina je valjana čelična cijev koja tvori odstojnik koji ih drži razdvojene. Sva lijevanja izvela je Skoda Steel.

Singapur letak

Kada bude dovršen 2008. godine, Singapore Flyer bit će jedan od najvećih pokretnih kopnenih objekata na svijetu na visini od 178 metara - što je ekvivalent zgradi od 45 katova. Sastojat će se od ogromnog promatračkog kotača promjera 150 metara koji sjedi uz 20 metara visoku trokatnu zgradu terminala. Jednom kada se ukrcaju na putnike, oduševit će vas zapanjujući epski pogledi - od povijesne rijeke Singapur i modernog horizonta, do velikog vidika brodova na horizontu i po vedrom danu, sve do Malezije i Indonezije. Iz svake od 28 klimatiziranih, UV-zaštićenih kapsula posjetitelji mogu uživati u fascinantnom osjećaju leta, dok su plutali na nebu tijekom 37-minutne vožnje. Utisak umjetnika s desne strane pokazuje kako će izgledati Singapore Flyer. Saznajte više na www.singaporeflyer.com.sg.

Rječnik

Veliki kotač: zabavni park ili sajamska vožnja koja se sastoji od divovskog okomitog okretnog kotača s osobnim automobilima okačenim na vanjskom rubu (također poznatom kao Ferris Wheel)
Središnja glavčina: sredina kotača koji povezuje vreteno i žbice.
Ograničenja: Ograničenja s materijalom, vremenom, veličinom tima itd.
Kriteriji: Uvjeti koje dizajn mora zadovoljiti poput ukupne veličine itd.
Inženjeri: izumitelji i rješavači problema svijeta. U inženjerstvu je priznato dvadeset pet glavnih specijalnosti (vidi infografiku).
Proces inženjerskog dizajna: Procesni inženjeri koriste za rješavanje problema.
Inženjerske navike uma (EHM): Šest jedinstvenih načina na koje inženjeri razmišljaju.
Iteracija: Test & redizajn je jedna iteracija. Ponavljanje (više ponavljanja).
Prototip: Radni model rješenja za testiranje.
Vreteno: vitka zaobljena šipka sa suženim krajevima gdje se pričvršćuju žbice.
Žbice: svaka šipka ili žičana šipka koja povezuje središte kotača s njegovim vanjskim rubom

Dig Deeper

Internetske veze

Preporučena literatura

50 najvećih Ferrisovih kotača ikad izgrađenih (ISBN: 978-1517634704)
Ferris Wheels: ilustrirana povijest (ISBN: 978-0879725327)
Fantastični Ferrisov kotač: Priča o izumitelju Georgeu Ferrisu (ISBN: 978-1627790727)

Aktivnost pisanja

Napišite esej ili odlomak o inženjerskim izazovima s kojima se suočio tijekom gradnje London Eye-a ili Singapore Flyer-a.

Usklađivanje kurikuluma

Usklađivanje s okvirima kurikuluma

Napomena: Svi planovi lekcija u ovoj seriji usklađeni su s Nacionalni standardi obrazovanja za znanost koje su proizveli Nacionalno vijeće za istraživanje i koje je odobrilo Nacionalno udruženje učitelja znanosti, a ako je primjenjivo, i Standardi za tehnološku pismenost Međunarodnog udruženja za tehnološko obrazovanje ili Nacionalno vijeće principa i standarda učitelja matematike za školsku matematiku.

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi K-4 (uzrasti 4 - 9)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

Svojstva predmeta i materijala
Položaj i kretanje predmeta

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

Sposobnosti tehnološkog dizajna

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

Znanost i tehnologija u lokalnim izazovima

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (u dobi od 10 do 14 godina)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

Svojstva i promjene svojstava u materiji
Pokreti i sile
Prijenos energije

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija
Kao rezultat aktivnosti u 5-8. Razredima, svi bi se učenici trebali razvijati

Sposobnosti tehnološkog dizajna
Razumijevanje znanosti i tehnologije

SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

Znanost i tehnologija u društvu

Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 9-12 (dobi 14-18)

SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost

Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

Građa i svojstva materije
Pokreti i sile

SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija

Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati

Sposobnosti tehnološkog dizajna
Razumijevanje znanosti i tehnologije

SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti

Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje

Povijesne perspektive

Standardi za tehnološku pismenost - sva vijeka

Priroda tehnologije

Standard 1: Studenti će razviti razumijevanje karakteristika i opsega tehnologije.
Standard 2: Studenti će razviti razumijevanje osnovnih pojmova tehnologije.

Tehnologija i društvo

Standard 4: Studenti će razviti razumijevanje kulturnih, socijalnih, ekonomskih i političkih učinaka tehnologije.
Standard 5: Studenti će razviti razumijevanje učinaka tehnologije na okoliš.
Standard 6: Studenti će razviti razumijevanje uloge društva u razvoju i korištenju tehnologije.
Standard 7: Studenti će razviti razumijevanje utjecaja tehnologije na povijest.

dizajn

Standard 8: Studenti će razviti razumijevanje svojstava dizajna.
Standard 9: Studenti će razviti razumijevanje inženjerskog dizajna.
Standard 10: Studenti će razviti razumijevanje uloge rješavanja problema, istraživanja i razvoja, izuma i inovacija te eksperimentiranja u rješavanju problema.

Sposobnosti za tehnološki svijet

Standard 11: Studenti će razviti sposobnosti za primjenu postupka dizajniranja.

Dizajnirani svijet

Standard 18: Studenti će razviti razumijevanje i moći će odabrati i koristiti se prijevoznim tehnologijama.

Studentski radni list

Vi ste tim inženjera koji su dobili izazov da naprave "veliki kotač".

Faza istraživanja / pripreme

Pregledajte različite referentne listove za studente.

Planiranje kao tim

Vaš je učitelj dobio nekoliko "građevinskih materijala". Imate suhu tjesteninu, ljepilo, papir, karton, vrpce, spajalice i druge resurse.

Započnite sastankom sa svojim timom i osmišljavanjem plana za izgradnju vaše strukture. Morat ćete shvatiti koliko komada svakog oblika tjestenine će vam trebati, koliko žica vam je potrebno i razviti skicu svog plana za pregled od strane nastavnika. Trebali biste razmotriti faze ili korake koji će biti potrebni u gradnji kako bi bili sigurni da kotač ostaje zajedno.

U donji okvir napišite ili nacrtajte svoj plan, uključujući projekciju materijala koji će vam trebati za dovršetak gradnje. Predstavite svoj dizajn razredu i objasnite svoj izbor ljepila. Nakon što primite povratnu informaciju od predavanja, možete revidirati plan svojih timova.

Potrebni materijali:

Faza izgradnje

Izgradite svoj veliki kotač! Možda ćete trebati pustiti da se ljepilo osuši preko noći prije nego što je kotač dovršen. Možda ćete također trebati izraditi i povezati određene dijelove prije drugih. Razmotrimo kako je London Eye građeno u fazama https://adventure.howstuffworks.com/london-eye.htm

Procijenite rezultate svojih timova, popunite radni list za evaluaciju i predstavite svoja saznanja predavanju.

Koristite ovaj radni list za procjenu rezultata vašeg tima u lekciji Izgradi veliko kolo:

1. Jeste li uspjeli stvoriti "veliki kotač" koji se mogao okretati? Ako ne, zašto nije uspio?

2. Jeste li tijekom izrade kotača trebali zatražiti dodatne ili različite oblike tjestenine? Ako je odgovor da, što se dogodilo između dizajna (crteža) i stvarne konstrukcije koja je promijenila vaše materijalne potrebe?

3. Mislite li da inženjeri moraju prilagoditi svoje originalne planove tijekom proizvodnog procesa? Zašto bi mogli?

4. Ako biste sve morali ponoviti, kako bi se promijenio vaš planirani dizajn? Zašto?

5. Koje ste dizajne ili metode vidjeli da su drugi timovi pokušali za koje mislite da su dobro funkcionirali?

6. Jeste li otkrili da je u vašoj učionici bilo mnogo dizajna koji su zadovoljili cilj projekta? Što vam ovo govori o inženjerskim planovima?

7. Mislite li da biste lakše mogli dovršiti ovaj projekt da radite sami? Objasniti…

8. Što mislite, kako su se inženjerski projekti za "velike kotače" mijenjali tijekom vremena? Kakav je utjecaj razvoj novih materijala imao na inženjerske planove za "velike kotače"?

9. Kako su ta inženjerska poboljšanja promijenila iskustvo onih koji se voze na „velikim kotačima?“

10. Koja su inženjerska razmatranja potrebna kod dizajna velikih kotača da bi se smjestili vozači u invalidskim kolicima?

11. Mislite li da su očekivanja vozača utjecala na dizajn "velikih kotača". Kako su se "veliki kotačići" promijenili kako bi ispunili ova očekivanja?