Автомобиль-мышеловка - объяснение

Содержание: [Показать]

Проект автомобиля с мышеловкой - это классическая физическая задача: построить автомобиль, который сможет путешествовать как можно дальше или с максимальной скоростью, используя только ту энергию, которая может быть сохранена в одной мышеловке. Кажется достаточно простым, но причина его популярности в том, что он богат научными концепциями, прикладной математикой и возможностями дизайна. Например, вы можете рассчитать механическое преимущество, чтобы определить, насколько эффективно машина использует энергию мышеловки, или рассчитать минимальное расстояние, которое она проедет!

В этом руководстве основное внимание будет уделено тому, как построить машину-мышеловку, которая путешествует как можнодальше, используя только те материалы, которые используются во всех моих других проектах STEM для детей (плюс, конечно, мышеловки).

Прочтите до конца Инструкции, чтобы получить подробные объяснения о применяемых научных и математических концепциях, о том, как оптимизировать машину-мышеловку, чтобы она зашла как можно дальше, а также о загружаемых классных ресурсах, включая план урока и лист проекта.

Вы можете найти план урока, одностраничный лист проекта и другие проектные идеи на STEM-Inventions.com

Запасы

Когда вы совершаете покупку по этим ссылкам, я могу получать партнерскую комиссию без каких-либо затрат для вас.

Шаг 1. Создайте каркас

Поделка из горячего клея склеивается, образуя прямоугольник длиной в 4 палочки (рисунок 1). Убедитесь, что палочки перекрывают не менее чем на 0,75 дюйма или около того, чтобы рама не сломалась под нагрузкой загруженной мышеловки. Кроме того, оставьте один конец рамы открытым (показано слева на рисунке 1).

На открытый конец рамки приклейте четыре кубика для поделок с зазором между ними (фото 2). В этом зазоре будут установлены ведущие колеса, так что вот совет: вставьте пластиковую соломинку между кубиками, пока вы их приклеиваете, чтобы точно распределить их между собой.

Шаг 2: сделайте ведущие колеса

Отрежьте очень короткие кусочки (≈0,5 - 0,75 дюйма) соломы и наденьте их на дюбель, поставляемый с большим набором колес. Затем установите большие колеса на концы дюбеля (рисунок 1).

Если колеса ложатся неплотно, оберните один слой малярной ленты вокруг конца дюбеля, прежде чем надевать колеса (рисунок 2).

Шаг 3: Установите ведущие колеса

Нанесите большое количество горячего клея в промежуток между кубиками. Подождите, пока клей не остынет, иначе тепло может расплавить или деформировать кусочки соломы, что вызовет сильное ненужное трение. Когда клей станет липким, вставьте маленькие кусочки соломки ведущих колес в зазор (рисунок 1).

  • Примечание: большие колеса были удалены с этого изображения для наглядности, но в этом нет необходимости.

Переверните рамку (рисунок 2). Это помогает предотвратить со временем выскальзывание ведущих колес из зазора.

Привяжите кабельную стяжку к штифту ведущего колеса не по центру и рядом с рамой (это будет объяснено при наматывании струны). Потяните его как можно сильнее, затем отрежьте лишнее (рисунок 3). Здесь веревка будет прикреплена к ведущим колесам. Если кабельная стяжка соскальзывает, нанесите на нее немного клея.

Шаг 4: Сделайте холостые колеса

Холостые колеса должны быть как можно более легкими и не имеющими трения, поэтому будут использоваться колеса небольшого размера.

Поместите кусок соломы примерно 5 дюймов на дюбель 1/8 дюйма. Установите два маленьких колеса на концы дюбеля; оберните концы дюбеля лентой, если колеса соскальзывают. Отрежьте лишний дюбель (рисунок 1).

Приклейте колеса к другой короткой стороне рамы (рисунок 2). Убедитесь, что эти колеса параллельны штифту ведущего колеса.

Рама и колеса машины в комплекте (фото 3)! Пора добавить немного силы мышеловке.

Шаг 5: прикрепите мышеловку

Необязательно: Используйте плоскогубцы, чтобы вытащить защелку и спусковой крючок из мышеловки (рисунок 1). В этом нет необходимости, но это немного упростит следующие шаги и может немного повысить эффективность автомобиля.

Приклейте мышеловку к каркасу возле колесиков. Убедитесь, что закрытый рычаг обращен к маленьким колесам, как показано.

Шаг 6: вытяните рычаг мышеловки

Мышеловки не такие мощные и опасные, как вы думаете, особенно когда рука уже опущена (по крайней мере, это верно в отношении ловушки марки Victor, входящей в комплект поставки). Они представляют значительную опасность только тогда, когда руку отводят назад и быстро отпускают, так что не бойтесь залезть туда и начать строительство!

Поднимите рычаг мышеловки и поместите под ним две палки-полукружки, как показано (рисунок 1).

Приклейте две палочки перпендикулярно половинкам, затем нанесите обильный слой горячего клея на все палочки и металлический рычаг мышеловки (фото 2).

Приклейте еще две полустыки к верхней части руки, как показано (рисунок 3). Такой метод наслоения гарантирует, что автомобильный рычаг мышеловки имеет прочное основание и не согнется и не сломается во время использования.

Вытяните руку так, чтобы ее три палочки для поделок были длинными, а две - шириной (рисунок 3). Как и в случае с рамой, убедитесь, что палочки перекрывают друг друга примерно на 0,75 дюйма (рисунок 4).

Наконец, отрегулируйте длину рычага: добавьте больше палочек или обрежьте его короче, пока самый конец рычага не коснется оси ведущего колеса. Если рука короче или длиннее, то машина-мышеловка не будет работать так же эффективно (см. Шаг «Наука и математика машины-мышеловки» для получения дополнительной информации).

Шаг 7: прикрепите шнур

Оттяните руку к ведущим колесам. Нанесите на конец горячий клей и уложите на него конец веревки (рисунок 1).

Оберните ленту вокруг струны и руки (рисунок 2). Комбинация горячего клея, ленты и прикрепления веревки к нижней части руки предотвратит ее развязывание.

Дайте мышеловке закрыть руку, она указывает на передние колеса. Размотайте шнур с рулона и обрежьте его так, чтобы он проходил примерно на 2-3 дюйма за штифт ведущего колеса (рисунок 3).

Завяжите конец веревки в небольшую петлю (рисунок 4).

Шаг 8: Заведи и вперед!

Наденьте шнур на кабельную стяжку с нижней стороны дюбеля (рисунок 1).

  • Запуск веревки с нижней стороны дюбеля заставит машину двигаться с большими колесами впереди. Это означает, что ведущие колеса будут «тянуть» автомобиль вперед, а не «толкать». Если тянуть за руль, обычно едет ровнее.

Осторожно намотайте шнур на дюбель, поворачивая ведущие колеса. По возможности старайтесь наматывать только один слой веревки вокруг дюбеля (рисунок 1).

  • Машинка-мышеловка будет эффективнее, если веревку намотать на дюбель как можно больше раз. Если нить начинает наматываться на себя и образует жгут, диаметр каждой намотки будет увеличиваться, что приведет к уменьшению намотки в целом.

Чтобы ехать, просто поставьте машину на ровную гладкую поверхность и отпустите!

Шаг 9: Наука и математика машины-мышеловки

Теперь, когда вы увидели, как устроен автомобиль, вот обзор науки и математики, лежащих в основе машины:

Основы

  • Мышеловка хранит потенциальную энергиюв виде пружины.
  • Эта потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергиюв форме руки, вращающейся вперед.
  • Рычаг натягивает намотанную струну, которая поворачивает дюбель ведущего колеса, который соединен с колесами, что заставляет автомобиль двигаться вперед.

Механическое преимущество

  • Автомобиль-мышеловка полагается на форму механического преимущества,чтобы преобразовать быстрый всплеск энергии от пружины в более слабый, но более продолжительный выход энергии. Механическое преимущество можно рассчитать следующим образом:
  • Металлический пружинный рычаг мышеловки имеет длину всего 2 дюйма, а рычаг для мышеловки - 12 дюймов, поэтому механическое преимущество удлиненного рычага составляет 2/12 или упрощенно до 1/6.
  • Это означает, что сила, создаваемая на конце рычага ручки управления, в 6 раз слабее, чем у металлического рычага с пружиной, но оно также распространяется в 6 раз дальше.
  • Кроме того, диаметр штифта ведущего колеса составляет 0,25 дюйма, а диаметр колеса - 4,75 дюйма, поэтому механическое преимущество штифта перед колесом составляет 0,25 / 4,75 = 1/19.
  • Общее механическое преимущество можно рассчитать, умножив два: 1/6 x 1/19 = 1/114.
  • Это означает, что выходное усилие на внешней стороне ведущих колес в 114 раз слабее, чем усилие на конце металлического пружинного рычага, но оно также будет перемещаться в 114 раз дальше!
  • 1/114 - небольшое механическое преимущество, то есть выходное усилие меньше входного. Это полезно для машин-мышеловок: меньшее механическое преимущество означает, что энергия мышеловки используется в течение более длительного периода времени, поэтому машину можно приводить в движение на большее расстояние.
  • Напротив, высокое механическое преимущество было бы полезно, если бы вы хотели переместить что-то тяжелое, но приложили силу на большее расстояние.

Расчет минимального расстояния

  • Минимальное расстояние можно рассчитать следующим образом:
  • Окружность оси дюбеля составляет π (пи) x 0,25 = 0,785 дюйма.
  • Длина струны составляет около 25 дюймов.
  • Следовательно, веревку можно намотать на дюбель 25 / 0,785 = примерно 31,8 раза.
  • Окружность колес составляет π x 4,75 = 14,92 дюйма.
  • Таким образом, минимальное пройденное расстояние будет равно количеству раз, которое веревка может обернуть вокруг дюбеля, умноженному на длину окружности колес, которая составляет 31,8 x 14,92 = 474,456 дюйма, или около 39,5 футов!
  • Помимо минимального расстояния, машина продолжит движение за счет инерции. Это дополнительное расстояние зависит от нескольких факторов, таких как вес автомобиля, поверхность, по которой он движется, и величина трения на осях, которые слишком различаются, чтобы их можно было надежно рассчитать здесь.
    • Когда я тестировал машину на теннисном корте, этот расчет оказался довольно точным. Автомобиль преодолел ширину стандартного теннисного корта плюс несколько дополнительных кормов под действием мышеловки, а затем проехал еще несколько футов, пройдя общее расстояние около 44 футов!

    Резюме формул:

    • Механическое преимущество= ([длина металлической пружины] / [длина выдвинутой руки мышеловки]) x ([окружность осевого штифта] / [окружность ведущего колеса])
    • Минимальное расстояние перемещения= (длина струны / окружность осевого штифта) x окружность ведущего колеса

    Длина руки

    • Более длинная струна приведет к меньшему механическому преимуществу. Теоретически это приведет к тому, что ведущие колеса повернутся больше раз, и машина будет двигаться дальше.
    • Однако более длинная струна также требует более длинного плеча и рамы, что увеличивает вес.
      • Если рама короче веревки, то часть веревки не сможет обернуться вокруг ведущих колес. Это противоречит цели удлинения струны: общая полезнаядлина струны равна диаметру дуги плеча, поэтому любая струна, которая не наматывается на ведущие колеса, по существу теряется.

      Размер колеса

      • Теоретически большие колеса также приведут к большему расстоянию, поскольку большая окружность увеличит минимальное пройденное расстояние.
        • Запомните формулу (окружность ведущего колеса) x (количество раз, когда веревка наматывается на дюбель).

        Резюме, научные и математические концепции, лежащие в основе машины-мышеловки, проявляются как баланс между этими принципами: как можно более низкоетрениеи инерцияи насколько возможно уменьшение механического преимущества.

        Шаг 10: идеи для увеличения расстояния

        Образец мышеловки, построенный в этом руководстве, - хорошее место для начала, но это не самый лучший дизайн. Мы можем использовать наше понимание математики и естественных наук, лежащих в основе автомобиля, чтобы проверить некоторые способы оптимизации его характеристик.

        Лучшая машина-мышеловка - это та, которая начинает медленно ползать вперед, используя наименьшее количество энергии, чтобы двигаться. Это указывает на то, что он имеет минимально возможное механическое преимущество. По мере того, как машина движется вперед, она начинает набирать обороты. Когда рычаг достигает конца своей дуги, автомобиль набирает достаточно инерции, чтобы продолжить движение по инерции на некоторое расстояние. Чем меньше трение создает автомобиль, тем больше будет расстояние движения накатом.

        Помня об этом, предложите своим ученикам подумать о следующих категориях улучшений:

        Масса

        • Первая и самая простая оптимизация - сделать автомобиль легче. Более легкий автомобиль будет генерировать меньшее трение, а это значит, что автомобиль будет двигаться дальше, используя свою инерцию.
        • Какие материалы можно удалить, и машина по-прежнему будет работать?
        • Есть ли более легкие материалы, которые можно было бы заменить более тяжелыми?

        Трение

        • Самый большой враг мощной машины-мышеловки - трение. Есть способы уменьшить трение, не снимая веса.
        • Во-первых, обратите внимание на любые дефекты, которые могут вызвать чрезмерное трение, например, кусочки горячего клея внутри соломинок или колеса, слишком сильно прижатые к концам соломинок. Очистка мелких вещей может иметь большое влияние на производительность.
        • Что еще можно сделать, чтобы уменьшить трение?
        • Как можно изменить конструкцию, чтобы сторона колес не трулась о концы соломинки?
        • Как уменьшить контакт между штифтом переднего колеса и соломой?

        Длина строки

        • Длина веревки (и, следовательно, длина вытянутого рычага и рамы) играет важную роль в определении того, сколько раз ведущие колеса будут вращаться под действием мышеловки, но слишком большая длина приведет к увеличению веса и, как следствие, трение.
        • Слишком длинная струна также может привести к крайне низкому механическому преимуществу. Если механическое преимущество слишком низкое, выходная сила будет слишком слабой для преодоления инерции автомобиля.
        • Какой длины может быть рука, прежде чем она станет слишком длинной?

        Дюбель ведущего колеса

        • Другой способ снизить механическое преимущество - изменить толщину штифта ведущего колеса. Вы можете поэкспериментировать с более тонкими дюбелями и по-прежнему вставлять их в колеса, обматывая концы лентой, пока она не станет достаточно толстой, чтобы поместиться в отверстие 1/4 дюйма.
          • Так, например, теоретически замена дюбеля 0,25 дюйма (1/4 дюйма) на дюбель толщиной всего 0,125 дюйма (1/8 дюйма) увеличит соотношение до 25 / (π x 0,125) x (π x 4,75) = около 950 дюймов или 80 футов.

          Шаг 11: План урока и лист проекта

          Если вы планируете обучить этому проекту группу детей, загрузите прилагаемый план урока и лист проекта. Как и все мои планы уроков, он содержит цель проекта, подготовку, устранение неполадок и предлагаемый план урока. План урока представляет собой схему, представленную в виде редактируемого файла .docx, который разработан с учетом потребностей вашей аудитории. Этот план урока также включает все детали по математике и естествознанию, лежащим в основе автомобиля.

          Чтобы загрузить лист проекта, щелкните изображение, а затем нажмите кнопку загрузки в нижнем левом углу. Или щелкните правой кнопкой мыши и откройте изображение в новой вкладке, затем щелкните правой кнопкой мыши и сохраните изображение. Я рекомендую показать, как построить автомобиль, шаг за шагом, а затем использовать лист проекта как напоминание о шагах. Распечатайте по одному листу проекта на каждых 2 студентов.

          Наконец, этот проект соответствует следующей NGSS:

            - Разработайте модель для генерации данных для итеративного тестирования и модификации предлагаемого объекта, инструмента или процесса, чтобы можно было достичь оптимального дизайна. - Применяйте научные идеи для разработки, тестирования и усовершенствования устройства, которое преобразует энергию из одной формы в другую (запасенная энергия для создания движения).

          Спасибо, что дочитали до этого места! Если вы хотите больше подобных научных и инженерных проектов, попробуйте «Сделано для STEAM».