Дай мені гальмо

Design Challenge

Ви команда інженерів, котра має завдання вивчити процес гальмування з використанням наданих матеріалів. Потім ви розробите вдосконалення для гальмівної системи велосипеда, яка зробить її більш плавною та безпечною. У команді презентуйте свій дизайн класі.

Критерії

• Потрібно гальмувати більш плавно і безпечно.

Обмеження

• Використовуйте лише надані матеріали.

1. Розбийте клас на команди 3-4.
2. Роздайте робочий аркуш «Дай мені гальмо», а також кілька аркушів паперу для ескізних проектів.
3. Обговоріть теми у Розділі фонових понять. Ви також можете направити студентів подивитися на гальмівні системи самостійно або на велосипеді друга перед початком занять.
4. Ознайомтеся з процесом інженерного проектування, викликом проекту, критеріями, обмеженнями та матеріалами.
5. Надайте кожній команді свої матеріали.
6. Доручити командам вивчити процес гальмування, використовуючи надані їм матеріали.
   ● Вважайте мармурову або маленьку кульку тим предметом, що рухається, і який їм потрібно уповільнити, зупинити або запобігти руху.
   ● Прокрутіть м’яч через три трубки, що входять до комплекту. Одна - жорстка труба з ПВХ, друга - рулон з паперовим рушником, третя - пінопластова трубка, яка використовується для ізоляції водопровідних труб.
   ● Використовуйте руку, гумку, нитку або інші матеріали, щоб перевірити, чи можете ви запобігти проходженню м’яча через труби. Якщо вам це вдасться, ви застосуєте гальмо в трубці.
   ● Спробуйте просто уповільнити його, використовуючи надані матеріали.
7. Попросіть студентів відповісти на такі запитання щодо свого іспиту:
   ● Які переваги мала пінопластова трубка перед двома іншими матеріалами з точки зору здатності сповільнювати або зупиняти кочення кулі / мармуру?
   ● Який матеріал, на вашу думку, найкраще тримався б з часом? Чому?
   ● Який матеріал дав вам найбільший контроль над швидкістю руху м’яча через трубку? Чому, на вашу думку, це було?
   ● Що забезпечує “силу” у ваших експериментах з трубками? Де тертя?
   ● Який матеріал трубки вимагав найменшого тертя, щоб зупинити кульку / мармур? Чому, на вашу думку, це було правдою?
   ● Гальмівні колодки для ободів велосипедів виготовляються із помірно твердого пластику, а іноді і зі шкіри. Чому, на вашу думку, цим матеріалам надають перевагу?
8. По можливості, попросіть студентів вивчити, як загальне ободове гальмо працює на працюючому велосипеді.
9. Доручіть командам вирішити, що вони хочуть змінити в дизайні для підвищення безпеки велосипедів. Вони повинні обговорити матеріали, які вони можуть використовувати (метали, пластмаси, пінопласт, шкіра), чи вважають вони, що розмір колодок чи кількість колодок може вплинути на ефективність гальма, і нарешті, наскільки легко буде працювати нове гальмо для когось нового у велосипеді.
10. Студенти роблять ескіз своєї нової гальмівної системи та включають перелік видів матеріалів, які вони використовуватимуть у будівництві. Вони повинні назвати ті ділянки дизайну, які вони змінили, і пояснити, чому їхня команда придумала ці ідеї, зокрема, як це підвищить безпеку.
11. Команди представляють свої конструкції класу.
12. Під час занять обговоріть запитання студентів щодо роздумів.
13. Щоб отримати додатковий зміст по цій темі, дивіться розділ “Копати глибше”.

Роздуми студентів (інженерний зошит)

1. Як ви гадаєте, як ваші проектні зміни вплинуть на виробничу вартість гальма?
2. Які матеріали будуть використані у виробництві? Чому ви вибрали саме ці?
3. У чому унікальність цього дизайну? (максимум два речення)
4. Як ваш новий дизайн вплине на довговічність або функціональний ресурс цього гальма?

Урок можна зробити лише за 1 клас для старших учнів. Однак, щоб допомогти студентам почуватися поспішно і забезпечити успіх студентів (особливо для молодших школярів), розділіть урок на два періоди, що дає студентам більше часу на мозковий штурм, перевірку ідей та доопрацювання їх дизайну. Проведіть тестування та опис у наступному класі.

Сила: Натискаючи або тягнучи за предмет, ми надаємо йому енергію і змушуємо його рухатися, припиняти рух або змінювати напрямок. Наприклад, коли ми застосовуємо велосипедне гальмо, ми докладаємо зусиль до колеса, змушуючи його уповільнювати або припиняти обертання. Вироблена сила може призвести до деформації кузова - у велосипедах колесо стискається.

Кінетична енергія: енергія, якою володіє машина або матеріал, спричинена її рухом.

Тертя: термін, який описує, наскільки великий опір для переміщення двох об’єктів над іншим. Чим більше тертя, тим складніше рухати два предмети плавно. З меншим тертям предмети легко і плавно рухаються один про одного.

тепло: форма енергії, пов’язана з рухом речовини. Тепло може генеруватися різними способами, наприклад, хімічними або ядерними реакціями та тертям.

• Гальмівна система: система, що використовується для уповільнення, зупинки або запобігання руху машини, наприклад автомобіля або велосипеда.
• Обмеження: обмеження в матеріалах, часі, розмірі команди тощо.
• Критерії: умови, яким має задовольняти проект, як-от його загальний розмір тощо.
• Інженери: винахідники та вирішувачі проблем світу. Двадцять п’ять основних спеціальностей визнані в інженерії (див. інфографіку).
• Процес інженерного проектування: інженери-технологи використовують для вирішення проблем. 
• Інженерні навички розуму (EHM): шість унікальних способів мислення інженерів.
• Сила: штовхаючи або тягнучи об’єкт, ми надаємо йому енергію і змушуємо його рухатися, зупинятися або змінювати напрямок. Наприклад, коли ми застосовуємо гальмо велосипеда, ми застосовуємо силу на колесо, що змушує його сповільнюватися або переставати обертатися. Вироблена сила може призвести до деформації тіла — у велосипедах колесо стискається.
• Тертя: термін, який описує, який опір існує для того, щоб два об'єкти рухалися над іншим. Чим більше тертя, тим важче двом об’єктам плавно рухатися. З меншим тертям об’єкти легко і плавно рухаються один проти одного.
• Тепло: форма енергії, пов'язана з рухом матерії. Тепло може вироблятися багатьма способами, наприклад, хімічними або ядерними реакціями та тертям.
• Кінетична енергія: енергія, якою володіє машина або матеріал, викликана її рухом.
• Ітерація: тестування та редизайн – це одна ітерація. Повторити (кілька ітерацій).
• Прототип: робоча модель рішення для тестування.
• Ободні гальма: сила прикладається до шини, коли велосипедист стискає рівень на кермі.

Інтернет-з'єднання

• Велосипедні гальмівні системи
• Короткий курс гальм

Рекомендована література

• Як працюють машини, Том Ньютон (ISBN: 0966862309)
• Автомобільні гальма та антиблокувальні гальмові системи від Калтона К. Лаху (ISBN: 0314028382)
• Гальмівні системи Л. Карлі (ISBN: 1557882819)

Письмова діяльність

Напишіть есе або параграф, в якому опишеться, як гальмо працює на іншій машині, щоб уповільнити, зупинити або запобігти руху. Виберіть з наступних продуктів: моторизоване крісло, основний візок, автомобіль, багажний візок в аеропорту, ходунки.

Вирівнювання навчальних програм

Примітка: Плани уроків у цій серії узгоджуються з одним або кількома з наступних наборів стандартів:  

• Стандарти наукової освіти США (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Наукові стандарти наступного покоління США (http://www.nextgenscience.org/) 
• Стандарти Міжнародної асоціації технологічної освіти щодо технологічної грамотності (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Принципи та стандарти шкільної математики Національної ради вчителів математики США (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Загальноосновні державні стандарти США з математики (http://www.corestandards.org/Math)
• Асоціація викладачів інформатики K-12 Стандарти комп'ютерних наук (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Національні стандарти наукової освіти 5-8 класи (10-14 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Рухи та сили 
• Передача енергії 

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності в 5-8 класах всі учні повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування 
• Розуміння про науку і техніку 

Національні стандарти наукової освіти 9-12 класи (14-18 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки 

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Рухи та сили 
• Взаємодія енергії та речовини 

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування 

Наукові стандарти наступного покоління 2-5 класи (віки 7-11)

Матерія та її взаємодія 

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• 2-PS1-2. Проаналізуйте дані, отримані в результаті випробування різних матеріалів, щоб визначити, які матеріали мають властивості, які найкраще підходять для цільового призначення.

енергія

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• 4-PS3-1. За допомогою доказів побудуйте пояснення, що стосується швидкості руху об’єкта та енергії цього об’єкта.

Наукові стандарти наступного покоління 2-5 класи (віки 7-11)

Інженерний дизайн 

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• 3-5-ETS1-1. Визначте просту дизайнерську проблему, що відображає потребу або потребу, яка включає визначені критерії успіху та обмеження на матеріали, час або вартість.
• 3-5-ETS1-2. Сформувати та порівняти декілька можливих варіантів вирішення проблеми, виходячи з того, наскільки кожен з них, ймовірно, відповідає критеріям та обмеженням проблеми.
• 3-5-ETS1-3. Сплануйте та проведіть справедливі випробування, в яких контролюються змінні та враховуються точки відмов, щоб визначити аспекти моделі чи прототипу, які можна вдосконалити.

Наукові стандарти наступного покоління 6-8 класи (віки 11-14)

Інженерний дизайн 

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

• MS-ETS1-2 Оцініть конкурентні проектні рішення, використовуючи систематичний процес, щоб визначити, наскільки вони відповідають критеріям та обмеженням проблеми.

◆Стандарти технологічної грамотності - всі віки

Природа технологій

• Стандарт 1: Студенти розвинуть розуміння характеристик та обсягу технології.
• Стандарт 3: Студенти розвинуть розуміння взаємозв’язків між технологіями та зв’язків між технологіями та іншими галузями дослідження.

Технологія та суспільство

• Стандарт 4: Студенти розвинуть розуміння культурних, соціальних, економічних та політичних наслідків технології.
• Стандарт 7: Студенти розвинуть розуміння впливу технології на історію.

дизайн

• Стандарт 8: Студенти розвинуть розуміння атрибутів дизайну.
• Стандарт 9: Студенти розвинуть розуміння інженерного проектування.

Робота гальма

Необов’язковий попередній крок: Нехай студенти вивчать роботу стандартних ободних гальм на велосипеді. Це може бути зроблено групою в класі, якщо є велосипед, або студентам може бути запропоновано самостійно вивчити роботу гальмового диска або велосипед друга поза класом. Попросіть студентів намалювати ескіз, який ілюструє, як працює гальмо (демонструючи колодки, шину та обод у положенні «звільнення» та «гальмування»).

Крок перший:

У команді ви вивчите процес гальмування, використовуючи надані вам матеріали. Вважайте мармур або маленьку кульку тим предметом, що рухається, який вам потрібно уповільнити, зупинити або не допустити руху. Прокрутіть кульку через три трубки, що додаються. Одна - жорстка труба з ПВХ, друга - рулон з паперовим рушником, третя - пінопластова трубка, яка використовується для ізоляції водопровідних труб. Використовуючи руку, гумку, нитку або інші матеріали, перевірте, чи можете ви запобігти проходженню м’яча через труби. Якщо вам це вдасться, ви застосуєте гальмо в трубці. Спробуйте просто уповільнити його, використовуючи надані матеріали.

Крок другий: Дайте відповіді на запитання нижче

питання:

1. Які переваги мала пінопластова трубка перед двома іншими матеріалами щодо здатності сповільнювати або зупиняти кочення кулі / мармуру?

2. Як ви гадаєте, який матеріал найкраще тримався б з часом? Чому?

3. Який матеріал дав вам найбільший контроль над швидкістю руху м’яча через трубку? Чому, на вашу думку, це було?

4. Що забезпечує "силу" у ваших експериментах з трубками? Де тертя?

5. Який матеріал трубки вимагав найменшого тертя, щоб зупинити кульку / мармур? Чому, на вашу думку, це було правдою?

6. Гальмівні колодки для ободів велосипедів виготовляються із помірно твердого пластику, а іноді і зі шкіри. Чому, на вашу думку, цим матеріалам надають перевагу?

Ваше завдання - працювати в команді, щоб розробити вдосконалення конструкції велосипедної гальмівної системи, яка зробить її гальмування більш плавним, а отже, і більш безпечним. Ви можете попрацювати над вдосконаленням гальмівного диска або запропонувати абсолютно новий дизайн. Запропонуйте свої ідеї та теорії групою. Потім у команді розробіть пропозицію, яку ви представите своєму класу.

Крок перший: Спостереження

1. Вивчіть, як працює загальне ободове гальмо ... якщо можливо, подивіться на таке на працюючому велосипеді.
2. Вирішіть - командно - що ви хочете змінити в дизайні, щоб поліпшити безпеку велосипедів. Обговоріть матеріали, які ви можете використовувати (метали, пластмаси, пінопласт, шкіра), чи вважаєте ви, що розмір колодок чи кількість колодок може вплинути на ефективність гальма, і нарешті, наскільки легко буде працювати нове гальмо для когось нове у велосипеді.
3. Намалюйте ескіз нової гальмівної системи на іншій стороні цього паперу та обов’язково включіть список типів матеріалів, які ви будете використовувати у будівництві. Опишіть зміни в дизайні, які ви змінили, та поясніть, чому ваша команда придумала ці ідеї, зокрема, як це підвищить безпеку.

Крок другий: Дайте відповіді на запитання нижче

питання:

1. Як ви гадаєте, як ваші проектні зміни вплинуть на виробничу вартість гальма?

2. Які матеріали будуть використані у виробництві? Чому ви вибрали саме ці?

3. У чому унікальність цього дизайну? (максимум два речення)

4. Як ваш новий дизайн вплине на довговічність або функціональний ресурс цього гальма?

Представляйте свої ідеї своєму класу .... Прикиньтесь, що це люди, які розглядають можливість фінансування виробництва вашої нової гальмівної системи.

• арабська