Дизајн дронова
Ова лекција истражује како је могућ лет хеликоптером и како су дронови (или куадцоптери) утицали на наш свет. Студенти истражују силе које омогућавају лет хеликоптером и сазнају како избор и облик материјала такође могу утицати на лет. Студенти у тимовима раде на дизајнирању, изради и управљању једноставним ротором користећи основне материјале који најспорије падају са висине од десет стопа.
- Сазнајте о силама које утичу на лет.
- Сазнајте о инжењерском дизајну, тестирању и решавању проблема.
- Научите како инжењеринг може помоћи у решавању друштвених изазова.
- Сазнајте о тимском раду и решавању проблема.
Старосни нивои: 8-12
Материјали за израду (за сваки тим)
Потребни материјали
- Узорци образаца (укључени у студентски радни лист)
- Спајалице
- Папир
- Папир са индексном картицом
- Грађевински папир
- Картон у различитим дебљинама
- Пјенасти листови
Материјали за испитивање
- Столица или степеништа
Materijali
- Столица или степеништа
- Мерење трака
- Штоперица
Процес
Тестирајте роторе тако што ћете стати на столицу или степенишну столицу и спустити сваки ротор са висине од десет стопа. Тимови би требало да бележе колико је времена потребно да њихов дизајн ротора дође до пода. Сваки тим може три пута да тестира свој ротор и при упоређивању резултата са осталим тимовима треба користити најспорији лет од три.
Дизајн изазов
Ви сте инжењерски тим који има изазов да створи ротор од једноставних материјала који пада што спорије. Можете користити било који материјал који сте добили и прво ћете радити као тим да прегледате образац узорка и развијете сопствени дизајн ротора.
kriterijumi
- Дизајнирајте ротор да најспорије пада са висине од 10 стопа
Ограничења
- Користите само достављене материјале.
- Тимови могу трговати неограниченим материјалом.
- Поделите класу на тимове од 2-3.
- Поделите радни лист Десигнинг Дронес, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
- Разговарајте о темама у одељку Позадински концепти. Ако време дозвољава или даје као домаћи задатак претходне вечери - замолите ученике да истраже много различитих начина на које се хеликоптери користе широм света. Нека прочитају НАСА-ин ресурс о хеликоптерима на ввв.наса.гов/аудиенце/форстудентс/5-8/феатурес/наса-кновс/вхат-ис-а-хелицоптер-58.хтмл.
- Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
- Упутите студенте да почну мозгати и скицирати своје нацрте. Пре него што започну мозак, замолите ученике да размотре како хеликоптер лети. Разговарајте о томе како облик и дужина крила, тежиште и укупна тежина могу утицати на лет.
- Обезбедите сваки тим својим материјалима.
- Објасните да ученици морају да пројектују и направе једноставни ротор који може најспорије да падне са висине од десет стопа. Што је спорији спуст, лет ће бити дужи и лет ће бити контролисанији.
- Најавите колико им је времена потребно за дизајн и израду (препоручује се 1 сат).
- Користите тајмер или он-лине штоперицу (функција одбројавања) како бисте били сигурни да држите време. (ввв.онлине-стопватцх.цом/фулл-сцреен-стопватцх). Дајте ученицима редовне „временске провере“ како би остали на задатку. Ако се муче, поставите питања која ће их брже довести до решења.
- Студенти се састају и развијају план за свој ротор. Договарају се о материјалима који ће им требати, напишу / нацртају свој план и презентују свој план предавању. Тимови могу да тргују неограничено са другим тимовима како би развили своју листу идеалних делова.
- Тимови граде своје дизајне.
- Тестирајте роторе тако што ћете стати на столицу или степенишну столицу и спустити сваки ротор са висине од десет стопа. Тимови би требало да бележе колико је времена потребно да њихов дизајн ротора дође до пода. Сваки тим може три пута да тестира свој ротор и при упоређивању резултата са осталим тимовима треба користити најспорији лет од три.
- Тимови треба да документују време лета и путању лета за сваки свој тест на студентском радном листу.
- Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
- За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.
Опционални вишеструки дизајн или фаза редизајна
Ако време дозволи, дозволите тимовима да направе два дизајна или имају прилику да ревидирају или дораде свој дизајн на основу тога како је њихов почетни дизајн постигао оцену током тестирања. Редизајн је типичан део свих процеса инжењерског дизајна, па је овај корак важан за ученике ако то време дозволи.
Рефлексија ученика (инжењерска свеска)
- Који су аспекти дизајна довели до успеха ротора који је најдуже летео?
- Опишите један део свог дизајна за који мислите да је најбоље функционисао.
- Да имате прилику да поновите овај пројекат, шта би ваш тим одлучио да уради другачије?
- Да сте могли да одаберете неки грађевински материјал који вам није био доступан, шта бисте одабрали? Зашто?
- Да ли мислите да је овај пројекат боље функционисао јер сте били део тима или мислите да сте бољи посао могли да радите сами?
- Да ли мислите да инжењери раде сами или у тиму када развијају нове материјале, процесе или производе?
- Ако је ваш дизајн ротора увећан на величину потребну за хеликоптер, да ли мислите да би то функционисало?
- Од којих бисте материјала направили ротор хеликоптера у пуној величини? Зашто?
Опциони комплет
Ако буџети дозвољавају, а као идеја продужења, постоји неколико комплета који ће тимовима ученика омогућити да направе, па чак и програмирају дрон. Трошкови ових комплета настављају да опадају на основном нивоу. Тренутно можете добити основни, али добар комплет дронова за између 30-50 долара. Када користите комплете за беспилотне летелице, побрините се за велики отворени простор на којем ниједан човек не би могао да стане на пут летећем дрону. Препоручује се велико школско поље и обавезно потражите одобрење школске управе.
- Ски Випер с1750 Стунт 2017 Едитион Дроне (50 УСД)
- Сима Кс11 Р / Ц Куадцоптер (30 УСД)
- Холи Стоне ХС170 Предатор Мини РЦ хеликоптерски дрон (40 УСД)
Модификација времена
Лекција се може изводити за само 1 час за старије ученике. Међутим, да бисте ученицима помогли да се осећају пожуривано и да би им осигурали успех (посебно за млађе ученике), поделите наставу на два периода дајући ученицима више времена за мозгање, тестирање идеја и дораду њиховог дизајна. Спроведите тестирање и извештавање у наредном периоду наставе.
Које силе утичу на лет?
Постоје четири силе које утичу на лет: тежина, подизање, вуча и потисак. Све четири силе морају се узети у обзир приликом пројектовања и изградње једрилице или авиона. У лету свака сила има супротну силу која делује против ње.
Све има тежину, што је резултат гравитационих сила. Материјали одабрани за дизајн једрилице имаће тежину коју ће „Лифт“ требати надокнадити да би летео.
Подизање је аеродинамична сила која помаже у супротстављању тежини. Што је предмет тежи, то је теже дизачу радити против њега и постићи лет. Али, кретање (брзина) или потисак ваздухоплова унапред кроз ваздух, заједно са обликом летелице и њеним деловима, посебно њеним крилима, све утиче на то колико ће јака сила подизања бити! Многа крила имају закривљени облик на врху, а равнија на дну, па се ваздух брже креће преко врха. Када се ваздух брже креће, притисак ваздуха се смањује. Ако је притисак на врху крила нижи од притиска на дну крила, разлика у притиску помаже подизању крила у ваздух.
Последња од четири силе које утичу на лет је вуча ... и та сила делује на успоравање једрилице или авиона. Отпор је сила која делује супротно релативном кретању било ког предмета који се креће у односу на ваздух који окружује (или воду!). На пример, вуча делује супротно смеру кретања предмета као што је аутомобил, бицикл, авион, једрилица или труп брода. На то утичу облик и одабир материјала авиона или чамца, као и други фактори, укључујући влажност ваздуха. На то утиче и потисак или брзина ваздухоплова ... што је већи потисак, већи је и отпор.
У случају да се једрилица изгради као део ове лекције ... потисак генерише особа која ће гурати ваш авион кроз ваздух током тестирања! За моторизовани авион, мотор је тај који даје погон и снагу кретања кроз ваздух. Авион може имати неколико мотора за генерисање потиска, а дизајн мотора такође утиче на кретање околног ваздуха, што заузврат утиче на потисак и вучу.
Све силе које утичу на лет међусобно су повезане. Како авион лети зависи од снаге и смера све четири силе! Ако су сви у равнотежи, авион ће се кретати константном брзином. Ако постоје било какве неравнотеже, авион ће се кретати у правцу те силе ... на пример, ако се прекомерне тежине подигну, авион ће се померити надоле.
Авион се пење ако су силе подизања и потиска јаче од гравитације и отпора. Ако су гравитација и отпор јачи од подизања и потиска, авион се спушта.
Историја хеликоптера
Како лети хеликоптер?
Хеликоптер је врста ваздушног возила у којем силе "дизања" и "потиска" снабдевају ротори. Хеликоптер може да полети и слети вертикално, лебди и лети у било ком смеру. Реч „хеликоптер“ изведена је од француске речи „хелицоптере“. Најраније референце за вертикални лет дошле су из Кине. Још од 400. године пре нове ере, деца у Кини су се играла бамбусовим летећим играчкама које имају штап причвршћен за ротор који лети.
Леонардо и рани развој
1480-их Леонардо да Винци је створио дизајн машине која се може описати као „ваздушни завртањ“. Наводно је почео да прави мале летеће моделе.
1878. године Италијан Енрицо Форланини приказао је возило без посаде, погоњено парном машином, које се попело на висину од 12 метара, где је лебдело неких 40 секунди након вертикалног полетања. Јан Бахыл, словачки проналазач, прилагодио је мотор са унутрашњим сагоревањем за погон свог модела хеликоптера који је достигао висину од 20 метра (0.5 фт) 1.6. Многи људи из целог света дизајнирали су дизајн хеликоптера ... и сви доприноси довели су до хеликоптера које смо ми знај данас!
Лет крила раног ротора претрпео је кварове првенствено повезане са неуравнотеженим кретањем котрљања генерисаним при покушају полетања, услед несиметрије подизања између лопатица које су напредовале и повлачиле се. Ову велику потешкоћу решио је Јуан де ла Циерва увођењем зглобне шарке. 1923. први успешни аутожиро де ла Циерве летео је у Шпанији. Како су де ла Циервини аутогири постигли успех и прихватање, други су почели да следе и са њима су дошле и даље иновације.
Комерцијални успех
Игор Сикорски је био руско-амерички пионир ваздухопловства и у хеликоптерима и у летелицама са фиксним крилима. 1939. године Сикорски је дизајнирао и летео Воугхт-Сикорски ВС-300, првим одрживим америчким хеликоптером, који је био пионир у конфигурацији двоструког ротора који користи већина хеликоптера данас. Сикорски је модификовао дизајн у Сикорски Р-4, који је 1942. године постао први масовни хеликоптер на свету.
Ефекат обртног момента
Ефекат обртног момента пример је трећег закона кретања Исааца Невтона да „за сваку акцију постоји једнака и супротна реакција“. Са једним главним роторским хеликоптером, тело хеликоптера има тенденцију да се окреће у супротном смеру кретања ротора. Ово би створило непријатно путовање! Дакле, већина хеликоптера има мањи ротор на репу који обезбеђује супротно кретање и одржава тело хеликоптера стабилним. Ово је пример ефекта обртног момента. Дрон обично има четири ротора за обезбеђивање равнотеже.
Хеликоптери и дронови
Како лети хеликоптер?
Да би могао да лети, објекат мора да има „лифт“. Авиони се подижу с крила, а материјал и облик чине разлику. Хеликоптер користи лопатице или роторе (који се заиста врте у крилима), који помажу хеликоптеру да се подигне са земље. А, ако се мотор заустави на хеликоптеру, ротор треба да настави да се врти, омогућавајући пилоту да полако слети, обично без пада.
Употреба хеликоптера
Хеликоптери могу да обезбеде приступ местима до којих се у авиону не може лако доћи. Будући да се могу кретати равно горе-доле, не треба им писта. Такође хеликоптери могу да лете уназад и бочно и лебде на једном месту без померања. Због ове флексибилности летења, хеликоптер може служити као летећа амбуланта за брзо спасавање људи или животиња из подручја до којих је тешко доћи на било који други начин. Хеликоптери се такође често користе за извештавање о саобраћају и времену. Они могу подићи многе тешке предмете и носити воду или друге материјале како би помогли у удаљеној ватри. Неки хеликоптери који преносе изузетно велика оптерећења имају два велика ротора уместо једног великог и малог ротора.
Шта је беспилотна летјелица или дрон?
Беспилотна летјелица (беспилотна летелица) или беспилотна летелица је летелица у којој нема људског пилота. Они имају систем за комуникацију са земаљским контролером или у неким случајевима са бродским рачунаром. УАВ потичу из војних апликација, али се сада користе и за полицију, надзор, ваздушне фотографије и за забаву! Недавно је Амазон почео да испоручује мале пакете путем дронова! Погледајте прву испоруку (децембар 2016.) на ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=вНиСОрИ2Ни8.
Инжењерске промене
Инжењери често настоје да побољшају дизајн и тестираће многе могућности како би видели шта функционише. НАСА је недавно тражила начин да хеликоптере учини тихим и тестирала је нови систем у аеротунелу.
Прописи о дроновима
Власници УАС-а треба да буду свесни локалних и међународних прописа и смерница. Америчка савезна управа за ваздухопловство (ФАА) класификује беспилотне летелице или беспилотне летелице у три врсте: јавне операције (владине), цивилне (невладине) и модел авиона (хоби). Неки од прописа укључују држање беспилотних летелица најмање пет километара од аеродрома и никада летова изнад 400 стопа. У САД је регистрација дронова сада обавезна. Чињенице и прописи о дроновима ФАА доступни су на ввв.фаа.гов/уас.
- Аеродинамика: Квалитети објекта који утичу на то колико лако може да се креће кроз ваздух.
- Критеријуми: Услови које дизајн мора да задовољи као његова укупна величина итд.
- Повлачење: сила која делује супротно релативном кретању било ког објекта који се креће у односу на околни ваздух (или воду).
- Инжењери: проналазачи и решавачи проблема света. У инжењерству је признато двадесет пет главних специјалности (види инфографику).
- Процес инжењерског пројектовања: Процесни инжењери користе за решавање проблема.
- Инжењерске навике ума (ЕХМ): Шест јединствених начина на које инжењери размишљају.
- Подизање: Аеродинамичка сила која помаже да се супротстави тежини. Што је неки предмет тежи, то је теже подизању да ради против њега и постигне лет.
- Итерација: Тестирање и редизајн су једна итерација. Поновите (више понављања).
- Прототип: Радни модел решења за тестирање.
- Потисак: Кретање унапред (брзина) или потисак авиона кроз ваздух заједно са обликом авиона и његових делова.
- Тежина: Све има тежину, што је резултат гравитационих сила. Материјали одабрани за дизајн једрилице ће имати тежину која ће морати да се надокнади „подизањем“ да би се летело.
Интернет Цоннецтионс
Рецоммендед Реадинг
- „Како функционишу хеликоптери?“ аутор Јеннифер Боотхроид (ИСБН: 978-1467707848)
- „Како ради хеликоптер?“ Аутор Сарах Еасон (ИСБН: 978-1433934650)
- „Лет“ Филипа Вилкинсона (ИСБН: 978-0195219968)
- „Дронови: илустровани водич за беспилотне летелице које нам испуњавају небо“, Мартин Ј. Доугхерти (ИСБН: 978-1782742555)
Писање активности
Напишите есеј или пасус који описује ситуацију у којој би хеликоптер или дрон били ефикасније летачко возило од авиона. Или напишите есеј о томе како дронове користе у пољопривреди или продавци некретнина.
Усклађеност са стандардима курикулума
Сви планови лекција у овој серији усклађени су са научним стандардима следеће генерације, а ако је примењиво и са Удружењем наставника рачунарске науке К-12, информатичким стандардима, заједничким основним америчким стандардима за математику и стандардима за технолошку асоцијацију Међународног технолошког образовања. Писменост.
Научни стандарди следеће генерације (разреди 3-5)
Студенти који покажу разумевање могу:
- 3-ПС2-1. Планирајте и спроведите истрагу како бисте пружили доказе о ефектима уравнотежених и неуравнотежених сила на кретање предмета.
- 3-ПС2-2. Извршите посматрања и / или мерења кретања објекта како бисте пружили доказе да се образац може користити за предвиђање будућег кретања.
- 3-5-ЕТС1-1. Дефинишите једноставан дизајн проблем који одражава потребу или жељу који укључује одређене критеријуме за успех и ограничења на материјале, време или трошкове.
- 3-5-ЕТС1-2. Генеришите и упоредите више могућих решења проблема на основу тога колико је вероватно да ће свако од њих испунити критеријуме и ограничења проблема.
- 3-5-ЕТС1-3. Планирајте и спроведите поштене тестове у којима се контролишу променљиве и узимају у обзир тачке отказа како би се идентификовали аспекти модела или прототипа који се могу побољшати.
- 5-ПС2-1. Подржите аргумент да је гравитациона сила коју Земља врши на објекте усмерена надоле.
Заједнички основни амерички државни стандарди за математику (разреди 3-5)
- Трећи разред: Представљање и тумачење података (ЦЦСС.МАТХ.ЦОНТЕНТ.3.МД.Б.4)
- Четврти разред: Представљање и тумачење података (ЦЦСС.МАТХ.ЦОНТЕНТ.4.МД.Б.4)
- Пети разред: Представљање и тумачење података (ЦЦСС.МАТХ.ЦОНТЕНТ.5.МД.Б.2)
Стандарди за технолошку писменост Међународног удружења за технолошко образовање (3-5. Разред)
Поглавље 8 - Атрибути дизајна
- Дефиниције дизајна
- Захтеви за дизајн
Поглавље 9 - Инжењерски дизајн
- Процес инжењерског дизајна
- Креативност и разматрање свих идеја
- Модели
Поглавље 10 - Улога решавања проблема, истраживања и развоја, проналаска и експериментисања у решавању проблема
- Решавање проблема
- Изум и иновације
- Експериментисање
Поглавље 11 - Примена процеса дизајнирања
- Прикупља информације
- Визуелизујте решење
- Тестирајте и оцените решења
- Побољшајте дизајн
Инжењерски тимски рад и планирање
Ви сте инжењерски тим који има изазов да створи ротор од једноставних материјала који пада што спорије. Можете користити било који материјал који сте добили и прво ћете радити као тим да прегледате образац узорка и развијете сопствени дизајн ротора.
Фаза планирања и дизајна
Обавезно прочитајте резиме о силама које утичу на лет.
Ваш тим је добио сет материјала и основни образац за ротор. Можете да направите свој ротор помоћу овог шаблона или да испробате варијације.
Будући да ваш ротор нема мотор, он има само један извор подизања, тако да може да лети доле само кад падне с висине. Али ваш дизајн може утицати на то како споро пада ... ваш изазов је изградити ротор којем треба највише времена да удари о тло.
Да бисте испробали основни образац, исеците дуж пуних линија и преклопите дуж испрекиданих. Обавезно савијте лопатице крила у супротним смеровима. Пондерирање или преклапање дна помоћи ће вам да пружите структурну потпору и спустите тежиште вашег хеликоптера. Можете истражити друге модификације!
Ваш наставник ће обезбедити низ тежина и врста материјала од папира до картона до пенастих листова. Можете додати и друге понуђене предмете.
Док група одлучује о дизајну вашег ротора и нацрта једноставан план у пољу испод. Укључите и списак материјала које сте одабрали за изградњу. Затим нацртајте образац пуне величине ваших делова који се може користити за сечење и израду вашег стварног ротора.
|
Материјали потребни за изградњу:
|
Фаза изградње
Прикупите своје материјале, прегледајте свој план и направите свој ротор. Ако је потребно, ваш тим може променити свој дизајн у фази изградње како би побољшао коначни резултат. Затим одговорите на доња питања:
1) Колико је ваш завршни ротор био сличан оригиналном шаблону дизајна?
2) Ако сте утврдили да требате извршити промене током фазе изградње, опишите зашто је ваш тим одлучио да изврши ревизије.
3) Зашто мислите да мотор са ротирајућим ротором успорава пад папира и ствара подизање?
4) Да ли сте сматрали да је потребно да додате додатне материјале током градње? Шта сте додали и зашто?
5) Да ли мислите да инжењери често мењају своје првобитне планове током фазе развоја производње? Како мислите да би ово могло утицати на планирани буџет за дизајн или производњу?
6) Како сте се одлучили за облик делова вашег ротора? Шта је у вези са обликом сваког дела могло да помогне вашем ротору да дуже лети?
Фаза летачког испитивања
Ваш наставник ће три пута тестирати сваки ротор како би одржао доследност у мерењу времена потребног за долазак на под. За поређење, згужвајте папир исте дебљине који сте користили за изградњу и погледајте колико времена треба да падне! За свој ротор наведите колико је времена потребно да би сваки тест стигао до пода.
primer:
Време лета: старт од 4 секунде Пут лета: Наш ротор је закривљен
крај
|
|
Први тест: Време лета: Путања лета:
Тест два: Удаљеност прелета: Путања лета:
Трећи тест: Удаљеност прелета: Путања лета:
|
Најбоље (најспорије) време лета класе:
|
Процена
Попуните евалуациона питања у наставку:
1) Који аспекти дизајна су довели до успеха ротора који је најдуже летео?
2) Опишите један део свог дизајна за који мислите да је најбоље функционисао.
3) Да имате прилику да поновите овај пројекат, шта би ваш тим одлучио да уради другачије?
4) Да сте могли да одаберете неки грађевински материјал који вам није био доступан, шта бисте одабрали? Зашто?
5) Да ли мислите да је овај пројекат боље функционисао јер сте били део тима или мислите да сте бољи посао могли да радите сами?
6) Да ли мислите да инжењери раде сами или у тиму када развијају нове материјале, процесе или производе?
7) Ако је ваш дизајн ротора увећан на величину потребну за хеликоптер, да ли мислите да би то функционисало?
8) Од којих бисте материјала направили ротор хеликоптера у пуној величини? Зашто?