Construiți o roată mare

Această lecție se concentrează pe ingineria din spatele roților mari (uneori numite roți Ferris). Echipe de studenți explorează ingineria din spatele „London Eye”, explorează istoria roților mari și construiesc un model de roată de lucru.

Aflați mai multe despre proiectarea ingineriei.
Aflați despre mișcare, încărcare și construcție.
Aflați despre munca în echipă și lucrul în grup.

Niveluri de vârstă: 8-18

Prezentarea planului de lecție

DOWNLOAD PDF

DESCARCARE POWERPOINT

Materiale și pregătire

Materiale de construcție (pentru fiecare echipă)

Materiale necesare

Paste (mai multe pungi în diferite forme)
Şir
Lipici

Materiale opționale (tranzacționare / tabel de posibilități)

Agrafe
Hârtie
Carton
Tuburi din carton (prosoape de hârtie / hârtie igienică)

Materiale de testare pentru provocarea opțională de greutate

4-8 pliculețe de ceai

Materiale și proces de testare

Materiale pentru provocarea opțională de greutate

4-8 pliculețe de ceai

Proces

Testați fiecare proiect, făcând ca echipa studenților să demonstreze modul în care se învârte roata. Ca o provocare suplimentară, puteți face ca echipele să atașeze pungi de ceai la designul lor pentru a acționa ca locuri.

Provocarea proiectării inginerești

Designul Challenge

Sunteți o echipă de ingineri care lucrează împreună pentru a proiecta și construi o roată mare (cunoscută și sub numele de roată).

Criterii

Roata trebuie să se întoarcă

Constrângerile

Trebuie să utilizați numai materialele furnizate.
Poate tranzacționa materiale nelimitate cu alte echipe.

Instrucțiuni și proceduri de activitate

Divizați clasa în echipe de 2-4.
Distribuiți fișele de lucru Construiți-vă propria roată și evaluarea, precum și câteva foi de hârtie pentru schițarea proiectelor.
Discutați subiectele în secțiunea Concepte de fundal. Citiți și discutați cum funcționează London Eye https://adventure.howstuffworks.com/london-eye.htm
Examinați procesul de proiectare inginerească, provocarea de proiectare, criteriile, constrângerile și materialele.
Indicați elevilor să înceapă brainstorming-ul și să schițeze proiectele lor.
Furnizați fiecărei echipe materialele lor.
Explicați că elevii trebuie să dezvolte o roată mare care se rotește. Ei vor trebui să-și dea seama de câte bucăți din fiecare formă de paste vor avea nevoie și de câtă sfoară au nevoie.
Un pas opțional: solicitați ca „greutățile” plicului de ceai să fie legate de roată pentru a servi drept scaune.
Anunțați timpul pe care îl au pentru proiectare și construire (1 oră recomandată). Este posibil ca lipiciul de pe roți să fie necesar să se usuce peste noapte înainte de finalizarea proiectării.
Folosiți un cronometru sau un cronometru online (funcție de numărătoare inversă) pentru a vă asigura că vă mențineți la timp. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Oferiți elevilor „verificări de timp” regulate, astfel încât să rămână în sarcină. Dacă se luptă, puneți întrebări care îi vor duce mai repede la o soluție.
Elevii se întâlnesc și dezvoltă un plan pentru roata lor mare. Sunt de acord asupra materialelor de care vor avea nevoie, își scriu / desenează planul și își prezintă planul clasei. Echipele pot tranzacționa materiale nelimitate cu alte echipe pentru a-și dezvolta lista de piese ideale.
Echipele își construiesc proiectele.
Testați proiectele de roți mari făcând ca fiecare echipă să demonstreze modul în care roata lor se întoarce. Pentru o provocare suplimentară, solicitați fiecărei echipe să atașeze pungi de ceai la roata lor pentru a acționa ca locuri.
Ca o clasă, discutați întrebările de reflecție ale elevilor.
Pentru mai mult conținut pe această temă, consultați secțiunea „Săpând mai adânc”.

Reflecția studenților (caiet de inginerie)

Ați reușit să creați o „roată mare” care să se întoarcă? Dacă nu, de ce a eșuat?
Ați trebuit să solicitați forme de paste suplimentare sau diferite în timp ce construiați roata? Dacă da, ce s-a întâmplat între proiectare (desen) și construcția reală care a schimbat nevoile dvs. materiale?
Credeți că inginerii trebuie să își adapteze planurile inițiale în timpul procesului de fabricație? De ce ar putea?
Dacă ar trebui să o faci din nou, cum s-ar schimba designul tău planificat? De ce?
Ce modele sau metode ați văzut încercând alte echipe care credeați că au funcționat bine?
Ai descoperit că în sala de clasă erau multe modele care îndeplineau proiectul poartă? Ce vă spune asta despre planurile de inginerie?
Credeți că ați fi reușit să finalizați acest proiect mai ușor dacă ați fi fost lucrezi singur? Explica…
Cum credeți că s-au schimbat proiectele tehnice pentru „roți mari” de-a lungul timpului? Ce impact a avut dezvoltarea de noi materiale asupra planurilor de inginerie pentru „roți mari”?
Cum au schimbat aceste îmbunătățiri inginerești experiența celor care călăresc „roțile mari?”
Ce considerații inginerești sunt necesare în proiectarea roților mari pentru a găzdui călăreții în scaune cu rotile?
Credeți că așteptările piloților au avut impact asupra proiectelor de „mareroți. ” Cum s-au schimbat „roțile mari” pentru a îndeplini aceste așteptări?

Modificarea timpului

Lecția poate fi făcută în cel puțin o perioadă de clasă pentru elevii mai mari. Cu toate acestea, pentru a ajuta elevii să se simtă grăbiți și pentru a asigura succesul elevilor (în special pentru elevii mai tineri), împărțiți lecția în două perioade, oferindu-le elevilor mai mult timp pentru a face brainstorming, pentru a testa ideile și pentru a finaliza proiectarea lor. Efectuați testarea și descrierea în următoarea perioadă de curs.

Proces de proiectare inginerească

Concepte de fundal

Istoria roților mari

Roți mari în timp

Cel mai vechi exemplu de Big Wheel este Ups-and-Downs, un dispozitiv brut, întors manual, care datează cel puțin din secolul al XVII-lea și este încă în uz în unele părți ale lumii. Roata „Ferris” a fost numită după George Washington Gale Ferris, Jr., care a proiectat o roată de 17 de metri pentru Expoziția Mondială Columbiană din Chicago, Illinois, SUA în 80. Această primă roată cântărea 264 de tone (1893 de tone) și ar putea transporta 2000 de persoane odată; Roata mare a fost cea mai mare atracție de la Expoziția Columbiană, înaltă de peste 2200 ′ și alimentată de două motoare cu aburi de 2,160 CP. Erau 250 de mașini fiecare de mărimea unui autobuz școlar care găzduia fiecare câte 1000 de persoane (36 așezate, 60 în picioare). A durat 40 de minute până când roata a făcut două rotații - prima la fă șase oprește pentru a permite pasagerilor să iasă și să intre; al 2-lea o singură revoluție non-stop - și pentru asta, posesorul biletului a plătit 50 de cenți. Roata a fost mutată de două ori după Târgul din 1893 și a fost în cele din urmă distrusă (prin demolări controlate) în 1904 după ce a fost folosită la expoziția St. Louis din acel an. La 70 de tone, axa sa a fost cea mai mare forjare de oțel din acea vreme. Avea 26 de etaje înălțime, doar un sfert din înălțimea Turnului Eiffel.

London Eye

A fost nevoie de șapte ani și de abilitățile a sute de oameni din cinci țări pentru ca British Airways London Eye să devină realitate. Designul este similar cu o roată de bicicletă enormă, cu butuc central și fus conectat la jantele exterioare și interioare prin spițe de cablu. Este de peste 200 de ori mai mare decât roata medie a bicicletei. Cele 80 de spițe așezate împreună se vor întinde pe șase kilometri. Fusul care ține structura roții are o lungime de 23 m - înălțimea a nouă cabine de telefon roșii clasice din Londra. Butucul și axul cântăresc 330 de tone - echivalentul a 49 de autobuze cu două etaje și de 20 de ori mai grele decât Big Ben. Aproximativ 1,700 de tone de oțel au fost utilizate în construcția London Eye. A fost expediat pe râul Tamisa prin barjă în secțiuni și asamblat la malul sudic. A durat o săptămână pentru a-l ridica de la o poziție orizontală la cea complet verticală. Tehnologia utilizată fusese folosită anterior pentru ridicarea platformelor petroliere din Marea Nordului. London Eye este adesea numit în mod eronat roată. Nu este cazul: în primul rând, capsulele pasagerilor sunt complet închise și sunt climatizate; în al doilea rând, capsulele sunt poziționate pe exteriorul structurii roții și sunt complet motorizate; și în al treilea rând, întreaga structură este susținută de un cadru A pe o singură parte.

Dar, cum funcționează? London Eye folosește două tipuri de cabluri, cabluri de roți și cabluri de sprijin. Cablurile rotilor includ 16 cabluri de rotație a jantei și 64 de cabluri cu spițe, acestea sunt similare cu spițele bicicletei și se întind peste roată. Există șase cabluri de sprijin, care sunt amplasate în fundația de compresie. Fundația de compresie este situată sub picioarele cadrului A; a fost nevoie de 2,200 de tone de beton și 44 de piloți de beton - fiecare având 33 de metri adâncime. Fundația de tensiune, care ținea cablurile din spate, a folosit 1,200 de tone de beton. Elementele principale ale butucului și fusului au fost fabricate din oțel turnat. Fusul era prea mare pentru a fi turnat ca o singură piesă, așa că a fost produs în opt secțiuni mai mici. Alte două piese turnate, sub formă de inele grozave, formează elementul structural principal al butucului. Butucul este un tub de oțel laminat care formează distanțierul care le ține deoparte. Toată turnarea a fost efectuată de Skoda Steel.

Singapore Flyer

Când va fi finalizat în 2008, Singapore Flyer va fi unul dintre cele mai mari obiecte terestre în mișcare create de om la o înălțime de 178 metri - echivalent cu o clădire de 45 de etaje. Acesta va cuprinde o roată gigantică de observare cu diametrul de 150 de metri, așezată pe o clădire terminală cu trei etaje de 20 de metri înălțime. Odată ajunși la bord, pasagerii vor fi captivați de vederi epice și panoramice - de la râul istoric Singapore și orizontul modern, până la marea vedere a navelor la orizont și într-o zi senină, chiar în Malaezia și Indonezia. Din fiecare dintre cele 28 de capsule cu aer condiționat, protejate de UV, vizitatorii se pot bucura de senzația fascinantă de zbor, în timp ce plutesc pe cer în timpul călătoriei de 37 de minute. Impresia artistului din dreapta arată cum va arăta Singapore Flyer. Aflați mai multe la www.singaporeflyer.com.sg.

Vocabular

Roată mare: un parc de distracții sau o plimbare de târguri constând dintr-o roată gigantică rotativă verticală cu mașini suspendate pe marginea sa exterioară (cunoscută și sub numele de roată Ferris)
Butuc central: mijlocul roții care conectează axul și spițele.
Constrângeri: Limitări cu material, timp, dimensiunea echipei etc.
Criterii: Condiții pe care proiectul trebuie să le îndeplinească, cum ar fi dimensiunea sa totală etc.
Ingineri: Inventori și soluționatori de probleme ai lumii. Douăzeci și cinci de specialități majore sunt recunoscute în inginerie (vezi infografic).
Procesul de proiectare inginerească: inginerii de proces îl folosesc pentru a rezolva probleme.
Obiceiuri de inginerie ale minții (EHM): șase moduri unice în care gândesc inginerii.
Iterație: Testarea și reproiectarea este o singură iterație. Repetați (mai multe iterații).
Prototip: Un model de lucru al soluției de testat.
Ax: o tijă subțire rotunjită cu capete conice unde se atașează spițele.
Spițe: fiecare dintre barele sau tijele care conectează centrul unei roți de marginea sa exterioară

Dig Deeper

Conexiuni la Internet

Bibliografie

Cele mai mari 50 roți construite vreodată (ISBN: 978-1517634704)
Ferris Wheels: An Illustrated History (ISBN: 978-0879725327)
Roata fantastică: povestea inventatorului George Ferris (ISBN: 978-1627790727)

Activitate de scriere

Scrie un eseu sau un paragraf despre provocările inginerești cu care se confruntă în timpul construcției fie a London Eye, fie a Singapore Flyer.

Alinierea curriculumului

Alinierea la cadrele curriculare

Notă: Toate planurile de lecție din această serie sunt aliniate la Standarde naționale de educație științifică care au fost produse de Consiliul national de cercetare și aprobat de Asociația Națională a Profesorilor de Științe și, dacă este cazul, și de Standardele Asociației Internaționale de Educație Tehnologică pentru Standardele de Alfabetizare Tehnologică sau pentru Consiliul Național al Principiilor și Standardelor Profesorilor de Matematică pentru Matematică Școlară.

Standarde naționale de educație științifică Clasele K-4 (vârste cuprinse între 4 și 9 ani)

STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora

Proprietățile obiectelor și materialelor
Poziția și mișcarea obiectelor

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

Abilități de proiectare tehnologică

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

Știință și tehnologie în provocările locale

Standarde naționale de educație științifică Clasele 5-8 (vârstele 10-14)

STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice

Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora

Proprietăți și modificări ale proprietăților în materie
Mișcări și forțe
Transferul de energie

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților din clasele 5-8, toți elevii ar trebui să se dezvolte

Abilități de proiectare tehnologică
Înțelegeri despre știință și tehnologie

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

Știință și tehnologie în societate

Standarde naționale de educație științifică Clasele 9-12 (vârste 14-18)

STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice

Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

Structura și proprietățile materiei
Mișcări și forțe

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

Abilități de proiectare tehnologică
Înțelegeri despre știință și tehnologie

STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

Perspective istorice

Standarde pentru alfabetizare tehnologică - Toate vârstele

Natura tehnologiei

Standardul 1: Elevii vor dezvolta o înțelegere a caracteristicilor și sferei tehnologiei.
Standardul 2: Elevii vor dezvolta o înțelegere a conceptelor de bază ale tehnologiei.

Tehnologie și societate

Standardul 4: Elevii vor dezvolta o înțelegere a efectelor culturale, sociale, economice și politice ale tehnologiei.
Standardul 5: Elevii vor dezvolta o înțelegere a efectelor tehnologiei asupra mediului.
Standardul 6: Elevii vor dezvolta o înțelegere a rolului societății în dezvoltarea și utilizarea tehnologiei.
Standardul 7: Elevii vor dezvolta o înțelegere a influenței tehnologiei asupra istoriei.

Amenajări

Standardul 8: Elevii vor dezvolta o înțelegere a atributelor designului.
Standardul 9: Elevii vor dezvolta o înțelegere a proiectării inginerești.
Standardul 10: Elevii vor dezvolta o înțelegere a rolului de depanare, cercetare și dezvoltare, invenție și inovație și experimentare în rezolvarea problemelor.

Abilități pentru o lume tehnologică

Standardul 11: Elevii vor dezvolta abilități de a aplica procesul de proiectare.

Lumea proiectată

Standardul 18: Elevii vor dezvolta o înțelegere și vor fi capabili să selecteze și să utilizeze tehnologiile de transport.

Fișă de lucru pentru studenți

Sunteți o echipă de ingineri cărora le-a fost dată provocarea de a construi o „roată mare”.

Faza de cercetare / pregătire

Examinați diversele foi de referință pentru studenți.

Planificarea ca echipă

Echipa dvs. a primit câteva „materiale de construcție” de către profesorul dvs. Aveți paste uscate, lipici, hârtie, carton, șnur, agrafe și alte resurse.

Începeți prin a vă întâlni cu echipa dvs. și a concepe un plan pentru a vă construi structura. Va trebui să vă dați seama câte bucăți din fiecare formă de paste aveți nevoie, cât de mult șir aveți nevoie și să dezvoltați o schiță a planului pentru revizuire de către profesorul dvs. Ar trebui să luați în considerare etapele sau pașii care vor fi necesari în construcție pentru a vă asigura că roata rămâne împreună.

Scrieți sau desenați planul în caseta de mai jos, inclusiv proiecția pentru materialele de care veți avea nevoie pentru a finaliza construcția. Prezentați-vă designul clasei și explicați alegerea dvs. de lipici. Puteți alege să revizuiți planul echipelor dvs. după ce primiți feedback de la curs.

Materiale necesare:

Faza de construcție

Construiește-ți roata mare! Poate fi necesar să lăsați lipiciul să se usuce peste noapte înainte ca roata să fie finalizată. De asemenea, poate fi necesar să construiți și să conectați anumite părți înainte de altele. Luați în considerare modul în care London Eye a fost construit în etape https://adventure.howstuffworks.com/london-eye.htm

Evaluează rezultatele echipelor tale, completează foaia de lucru de evaluare și prezintă concluziile tale la curs.

Utilizați această foaie de lucru pentru a evalua rezultatele echipei dvs. în lecția Construiți o roată mare:

1. Ați reușit să creați o „roată mare” care să se poată roti? Dacă nu, de ce a eșuat?

2. Ați trebuit să solicitați forme suplimentare sau diferite de paste în timp ce construiați roata? Dacă da, ce s-a întâmplat între proiectare (desen) și construcția reală care a schimbat nevoile dvs. materiale?

3. Credeți că inginerii trebuie să își adapteze planurile inițiale în timpul procesului de fabricație? De ce ar putea?

4. Dacă ar trebui să o faci din nou, cum s-ar schimba proiectul tău planificat? De ce?

5. Ce modele sau metode ați văzut încercând alte echipe care credeați că au funcționat bine?

6. Ați constatat că în clasa dvs. au existat multe modele care îndeplineau obiectivul proiectului? Ce vă spune asta despre planurile de inginerie?

7. Crezi că ai fi reușit să finalizezi mai ușor acest proiect dacă ai lucra singur? Explica…

8. Cum credeți că s-au schimbat proiectele tehnice pentru „roți mari” de-a lungul timpului? Ce impact a avut dezvoltarea de noi materiale asupra planurilor de inginerie pentru „roți mari”?

9. Cum au schimbat aceste îmbunătățiri tehnice experiența celor care călăresc pe „roțile mari?”

10. Ce considerații inginerești sunt necesare în proiectarea roților mari pentru a găzdui călăreții în scaune cu rotile?

11. Credeți că așteptările riderilor au avut impact asupra designului „roților mari”. Cum s-au schimbat „roțile mari” pentru a îndeplini aceste așteptări?