Puni STEAM pred vama! do beskonačnosti i dalje: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Saradnja između Alicie Blakey i Vanesse Krause

Tko je jebote Fibonacci?

Na temelju Alicijinog dizajna (ugniježđeni planetarni zupčanici) odlučili smo surađivati kako bismo pokušali stvoriti radni sistem zupčanika koji se može prikazati u uspravnom položaju. U idealnom slučaju, želimo da se naša publika osjeća ugodno i primorana na interakciju s ovim dizajnom. Koristeći različite metode navedene u ovom dokumentu, govorit ćemo o procesu projektiranja i o tome kako smo se borili kroz matematička pitanja, logiku i izbore materijala.

Bin-it

Uključivanjem u pomoć naše braće i sestara sklonih matematici: Moj brat Joey poslao mi je Binetovu formulu … bez objašnjenja kako je koristiti. Kad sam mu poslala poruku i rekla "Hej Joey, možeš li mi to objasniti?" na šta je odgovorio: "Koji dio?"

S obzirom da nemam apsolutno nikakvih matematičkih sklonosti, zamolili smo Alicijinog brata Merricka da objasni kako se formula može primijeniti za izradu zupčanika za gniježđenje. Potrošio je desetak minuta na rješavanje, odgovorio sa "da, radi", a zatim rekao "moram ići" i ostavio nas bez odgovora i bez prevedene formule.

Još 30 minuta tražili smo odgovor na naš upit …

Internet ima odgovore

Kako bismo prevazišli Binet barijeru, odlučili smo pretražiti internet za odgovore i prijedloge o rješavanju naše zagonetke. Pronašli smo nekoliko web stranica koje mogu stvoriti kompatibilne zupčanike.

Neke od ovih web lokacija su:

Generator zupčanika Planetarni

Gear Catalyst

Nakon što smo imali ove generatore zupčanika koji su nam pomogli u matematičkim aspektima ovog projekta, prešli smo u Adobe Illustrator kako bismo stvorili linijske verzije ovih zupčanika. Alicia se usredotočila na to da svaki stupanj prijenosa bude kompatibilan s laserskim rezačima u centru 100 McCaul RP. Odlučili smo koristiti p”šperploču Baltic Birch ⅛” za početno rezanje, kako bismo bili sigurni da je matematika pravilno poravnana. Alicia je napravila preko 3 male makete kako bi ovi zupčanici potencijalno mogli izgledati. Sa svakom iteracijom bilo je problema s time da je laserski rezač uzimao premalo ili previše od malih zupčanika, tako da se oni više nisu mogli učinkovito blokirati i okretati (koristila je i akril i šperploču (⅛”). Ovaj proces je bio frustrirajuće, ali nam je pomoglo da shvatimo ograničenja laserskog rezanja za ovaj projekt.

Profesor zna najbolje

Alicia i ja smo jako tvrdoglave i odlučne u rješavanju zagonetke ugniježđenih zupčanika. Bio sam spreman da se zaustavim na planetarnim zupčanicima, međutim, Alicii su bili potrebni odgovori! U posljednjem pokušaju da pronađe utjehu s matematikom, Alicia je kontaktirala penzionisanog profesora sa Queen's University. Objasnio je da će za lako mjerenje udaljenosti između svakog od zupčanika morati podijeliti i izmjeriti 37 segmenata. To bi omogućilo svim zubima da se pravilno poravnaju. Trošeći vrijeme na rješavanje zagonetke, i dalje je postojao mali matematički problem s poravnavanjem. S obzirom na sveukupno vremensko ograničenje, odlučili smo se za planetarne zupčanike.

Podići

Dok je Alicia rješavala duboka matematička pitanja, fokusirao sam se na štampanje 3D svemirskih brodova. To je pomoglo da se učvrsti ukupna tema, a našem je djelu dalo interaktivniju kvalitetu dobrodošlice. Korištenjem Thingiverse -a uspio sam pronaći zabavan retro dizajn svemirskog broda (kreirao cerberus333). Ovaj dizajn mi je omogućio da izmjerim ljestvicu da bude mnogo manja. Dodavanjem svemirskog broda, naša će se publika moći držati dok se zupčanici okreću zajedno. Ovo je bilo vrlo jednostavno rješenje kako bi komad bio ugodniji drugima. Na osnovu prirode otvorenog koda Thingiverse-a, svako sa računarom i pristupom 3D štampaču može sam stvoriti ovaj objekt. Štampanje je takođe bilo relativno brzo (trebalo je manje od 2 sata za štampanje 7 svemirskih brodova). Na kraju smo koristili samo 3 ili 7 štampanih primjeraka.

Snimajte za mjesec…

Na osnovu početne dizajnerske ideje, Alicia i ja smo htjele stvoriti planetarne zupčanike s mnogo ugrađenih LED svjetala koja bi se aktivirala pomoću naših magneta (pričvršćenih na stražnju stranu svakog zupčanika) kako bi model mogao stajati uspravno i osvijetliti svaku "zvijezdu" sistem dok se okreće. Alicia je otišla u Kućni hardver i kupila LED sklop Reed prekidača i magnetske senzore. Upotrebio sam bušilicu i ručnu testeru da napravim ispravan otvor za LED i magnetski senzor koji se uklapa u drvenu ploču od šperploče. Kasnije smo shvatili da su baterije kupljene od Home Hardware na fakultetu i u Spadini zapravo neispravne i da su upalile samo jednu LED sijalicu dok je magnet prolazio.

Više od vandalizma

Za ovaj projekt sam također želio primijeniti još malo ruku na kreativne tehnike. Iako su drveni i akrilni zupčanici sami po sebi bili lijepi, nedostajala im je zajednička tema sa svemirskim brodovima. Odlučio sam upotrijebiti Molotow akrilnu boju u spreju za stvaranje motiva galaksije za zupčanike. Iako smo planirali lakiranje cijele ploče raspršivačem, naišli smo na mali kabinet za prskanje koji se nalazi u Maker Lab -u u našoj ustanovi za diplomirane studente. Na temelju ovog ograničenja veličine, odlučili smo zupčanike jednostavno raspršiti bojom na asimetrične načine. Na ovaj način, svemirski brod bi mogao sjesti na jedan od običnih ili sprejom obojenih zupčanika kako bi pomogao sudioniku da razumije našu cjelokupnu temu.

Orbita

Nakon što su svi zupčanici velikih razmjera sastavljeni, Alicia je koristila alate za lemljenje kako bi zavarila magnetski senzor i LED. Odlučili smo se za postavljanje 1 radne LED diode i stavili je blizu srednje brzine. Kada su ispod svemirskog broda postavljena 3 jaka magneta, dogodio se željeni rezultat! Imali smo svjetlo! Međutim, drugi magneti ispod zupčanika (da ih držite okomito) ometali bi senzor magneta. Stoga smo odlučili da dizajn umjesto toga mora ostati kao stolna verzija.

Tamna strana mjeseca

Glavni izazovi s kojima smo se suočili u ovoj kolaborativnoj iteraciji bila su ograničenja laserskog rezanja i tehnologije baterija. Dizajn datoteka, svemirski brodovi za 3D štampanje i ručno sastavljanje (korišćenje tradicionalnih alata poput bušilica, ručne testere, lepka i stezaljki bilo je iznenađujuće jednostavno). Ako bi neko mogao ponovo stvoriti ovaj komad, glavni izazov bio bi za njih da koriste matematiku za mapiranje najidealnijeg dizajna koji laser može izrezati. Takođe smo se borili sa vremenskim ograničenjem, i idealno bismo željeli da u skorijoj budućnosti ponovo razmotrimo ovaj projekat kako bismo nastavili da širimo ovaj koncept.

Alati i tehnologija

Da bi vjerno stvorili ovaj projekt, trebali bi imati osnovno znanje o procesu projektiranja, matematici, kako koristiti AI i pravilno postaviti za lasersku datoteku za rezanje. Zatim će im trebati osnovno razumijevanje električne energije (LED, magnetski senzor i lemljenje). Trebat će im pristup dobro prozračenom prostoru za farbanje sprejom i prilagođeno oblikovanje ovih zupčanika. Za štampanje svemirskog broda korišćen je Taz Lulzbot 6, zajedno sa filamentom PLA Village Plastics (bilo koja boja je dovoljna, jer ih možete i prskati). Konačno, trebat će im osnovno znanje o tome kako pomoću bušilice i ručne pile izrezati odgovarajuće dimenzije rupa za svaki LED i magnetski senzor (to treba pažljivo izmjeriti jer senzor nije jako jak i treba ga postaviti na maloj udaljenosti od magneta). Konačno, ako želite vjerno rekreirati ovaj projekt, trebat će vam i malo prostora za montažu!

Veliki skok za čovječanstvo

Stigli smo do MARS -a! Samo se šalim! Korištenjem metoda digitalne izrade uspjeli smo stvoriti matematički sistem zupčanika od drveta i akrila (brzinom potrebnom za stavljanje kacige astronauta). To ne bi bilo moguće bez tehnologije Adobe Illustrator datoteka u kombinaciji s laserskim rezanjem. Laseri su izuzetno precizni i brzi. Nešto što bi bilo nemoguće postići samo pomoću tradicionalnih alata za izradu. Iako se tradicionalne metode nisu koristile u glavnom procesu proizvodnje, postale su izuzetno važne u konačnom sastavljanju i uključivanju tehnologije.

Puni STEAM pred vama

Sa obrazovnog stanovišta, ovaj sistem planetarnih zupčanika inkorporirao je sve temelje učenja kroz rad. Gamification igra veliku ulogu u krajnjem proizvodu kako bi bio privlačan za korisnike. Međutim, jedan od glavnih korisnika ovog projekta je obrazovanje. Ovaj projekt može naučiti praktične vještine, počevši od matematike, inženjeringa, prostornog zaključivanja i elektroničkih ciklusa. To može dati učenicima priliku da vide kako se matematika povezuje sa fizičkim svijetom i kako mehanički procesi (poput laserskog rezanja) zavise od tačnih proračuna. Konačno, studenti imaju priliku primijeniti kreativnost i vizualne umjetnosti u procesu dodavanja boje, boje, kolaža kako bi odredili svoj dizajn. Omogućava im i stvaranje interaktivnog okruženja za učenje koje podržava STEAM u učionici. STEAM je uključen u sve kriterije za kreiranje ovog projekta efektivnim uključivanjem:

Nauka

Tehnologija

Inženjering

Umjetnost

Matematika

Nedavno je u posljednjih nekoliko godina došlo do napora za poboljšanje medijske pismenosti i razvoja učenika od prvog razreda. Kao što sugeriše nastavni plan i program Ontarija, postojanje međupredmetnih mogućnosti za obrazovanje važno je za izgradnju ljubavi učenika (K-12) do učenja. Ovaj projekt je svjestan pristup rješavanju problema, saradnji, praktičnom učenju otvorenog koda koje je potrebno u mnogim predmetima u nastavnom planu i programu Ontarija, ali i šire!

Neograničene konstelacije

Konačno, važno je priznati da bi se ovaj dizajn mogao znatno poboljšati u rukama drugih ljudi. To znači da, iako se sve komponente nalaze ovdje, još uvijek postoji mnogo izmjena i dopuna ovog dizajna koje su moguće. Radeći zajedno, ovaj dizajn ima neograničeni potencijal. To je sjajan početni projekt za svakoga tko je zainteresiran za primjenu STEAM -a u vlastitoj praksi učenja. Budući da se dizajn temelji na matematici, može se mijenjati, mijenjati i prepravljati u mnogo različitih sazviježđa. Ovaj projekt promovira ideju da ne postoji jednosmjeran način izrade.

Korak 1: Umetnite ga

Možete li riješiti ovu zagonetku?

Korak 2: Generiranje Gears -a

Koristeći odjeljak s referencama koji se nalazi u nastavku, dali smo vam alate za generiranje zupčanika. Postoje dvije web stranice koja je ekskluzivna za matematičke nacrte, a druga web stranica raspravlja o različitim materijalima i varijacijama ako ste morali sami rezati zupčanike.

Oboje je važno pri planiranju i izgradnji datoteke za lasersko rezanje jer će vam oboje pomoći da razmotrite materijale i razumijete kako raditi u konstrukcijama malih nepredviđenih varijacija.

Istraživanje Zloglasno po svom zajedničkom znanju Matija je odjeknut u mnogim projektima zupčanika jer pruža pojednostavljene informacije o tome kako ručno sami izrezati zupčanike. On također pruža osnovne informacije kako biste mogli započeti svoj projekt s dobrim osnovama. Ovo je bitno za generiranje sistema koji radi i vještine rješavanja problema za kasnije rješavanje problema. Dolenavedeni rečnik u nastavku kreira i obezbeđuje: [email protected]

Korak 3: Razmak između zuba

Broj milimetara od jednog zuba do drugog, duž promjera koraka.

Zupčanik 1 zupčanik: Broj zubaca na zupčaniku za izradu zupčanika. Upravlja lijevom brzinom pri prikazivanju dvije brzine. Unesite negativnu vrijednost za zupčaste zupčanike.

Rack & Pinion: Prebacite zupčanik 1 u linearni zupčanik (rack). Drugu opremu možete napraviti i kao nosač unosom "0" za broj zuba.

Izmjerena udaljenost kal (mm): Nakon ispisa probne stranice izmjerite udaljenost između redova označenih "ovo bi trebalo biti 150 mm". Ako nije 150 mm, unesite vrijednost u ovo polje da biste nadoknadili skaliranje pisača. Sljedeći ispis trebao bi biti ispravne veličine.

Kontaktni ugao (stepeni): Ugao pritiska zupčanika. Za zupčanike s manjim brojem zubaca postavite ovo malo veće, kako biste dobili nagnute zube za koje je manje vjerojatno da će se zaglaviti.

Zupčanik 2 zubaca: Broj zubaca za zupčanik s desne strane, ako je ispisan. Potvrdni okvir kontrolira prikazuje li se jedan ili dva stupnja prijenosa.

Dva zupčanika: Prilikom štampanja predložaka pomaže da se prikaže samo jedan zupčanik.

Žbice: Pokažite opremu žbicama. Žbice su prikazane samo za zupčanike sa 16 ili više zuba.

Korak 4: Matematika

Pronašao sam donju jednadžbu koja mi je pomogla u izgradnji rasporeda zupčanika i u utvrđivanju da će zupčanici funkcionirati i pristajati zajedno.

Označimo R, S i P kao broj zubaca na zupčanicima.

Prvo ograničenje za rad planetarnog zupčanika je to što svi zubi imaju isti korak ili razmak između zuba. Time se osigurava zubna mreža. Ono što sam učinio bile su tri odvojene strane koje su imale istu visinu, ali se nisu podudarale jedna s drugom, tako da su zupčanici uvijek poravnati, ali u drugom uzorku. Drugo ograničenje je: R = 2 × P + S

To znači da je broj zubaca u prstenastom zupčaniku jednak broju zubaca u srednjem sunčevom zupčaniku plus dva puta veći broj zuba u planetarnim zupčanicima. Primjer ovoga bi bio 30 = 2 × 9 + 12. Ili možete otići na web stranicu za generiranje zupčanika na https://geargenerator.com ili

Korak 5: SVG datoteke i Illustrator

Ako uvozite datoteku iz generatora zupčanika, a niste je konstruirali u Illustratoru, morat ćete slijediti donje upute za rad sa SVG datotekama u Illustratoru.

Illustrator nudi zadani skup SVG efekata. Možete koristiti efekte sa zadanim svojstvima, uređivati XML kod za proizvodnju prilagođenih efekata ili pisati nove SVG efekte.

Za uvoz SVG datoteke u Illustrator:

Odaberite Efekt> SVG filter> Uvezi SVG filter.

Odaberite SVG datoteku iz koje želite uvesti efekte i kliknite Otvori.

Za manipulaciju SVG datotekom u Illustratoru: Odaberite objekt ili grupu (ili ciljajte sloj na ploči Slojevi).

Učinite nešto od sljedećeg: Da biste primijenili efekt sa zadanim postavkama, odaberite efekt u donjem odjeljku podizbornika Efekt> SVG filtri.

Da biste primijenili efekt s prilagođenim postavkama, odaberite Efekt> SVG filtri> Primijeni SVG filter.

U dijaloškom okviru odaberite efekt i kliknite gumb Uredi SVG filter fx.

Uredite zadani kôd i kliknite U redu.

Da biste stvorili i primijenili novi efekt, odaberite Efekt> SVG filtri> Primijeni SVG filter.

U dijaloškom okviru kliknite gumb Novi SVG filter, unesite novi kôd i kliknite U redu.

Kada primijenite efekt SVG filtra, Illustrator prikazuje rasteriranu verziju efekta na umjetnoj ploči. Rezolucijom ove slike za pregled možete kontrolirati promjenom postavke razlučivosti rasterizacije dokumenta.

Korak 6: Spremanje datoteke

Izvezite datoteku kao.eps ili.ai.

Idite na postavke i provjerite radite li u RGB načinu rada, a ne u CMYK -u.

Ovo možete promijeniti tako što ćete otići na:

Odaberite Datoteka -> Način boje dokumenta -> RGB

Sve rezane linije moraju biti označene crveno plavom i zelenom linijom s težinom hoda 0,01pt

Laser će interpretirati boje kao uređene linije reza koje rade iznutra prema van.

Počevši od crvene (RGB: 255, 0, 0), zatim plave (RGB 0, 0, 255), i na kraju zelene (RGB 0, 255, 0).

Sve unutrašnje rezove treba prvo izrezati, pa bi stoga trebali biti crveni, pri čemu su svi daljnji rezovi plavi, a posljednji vanjski rezovi zeleni. Prije postavljanja za ispis provjerite da li su vam svi zupčanici spojeni i da nema linija koje se sijeku.

Ako vaši zupčanici izgledaju kao da nisu pravilno formatirani, možete se vratiti na stranicu generatora zupčanika i ponovno procijeniti svoje proračune.

Spremite kao.ai datoteke i prenesite u Bosslaser program.

Ovaj program vam također omogućuje manipulaciju datotekom. Ovaj program možete koristiti za slanje datoteke direktno na laserski rezač.

Korak 7: Thingiverse i 3D štampanje

Kao što je spomenuto u glavnim crtama ovog projekta, svoje 3D svemirske brodove možete ispisati bilo kada! Osmislite vlastiti dizajn pomoću ThinkerCAD -a, OpenSCADFusion360 ili Rhino -a ili idite na Thingiverse i pronađite kreativni zajednički projekat za štampanje! Možda čak možete izmijeniti neke datoteke tako da odgovaraju vašem jedinstvenom dizajnerskom izazovu! Ovi svemirski brodovi štampani su na Taz Lulzbotu 6 sa PLA Village Plastics najvećom brzinom (trebalo je manje od 2 sata za 7 svemirskih brodova).

Korak 8: LED krug sklopke sa sklopkom

Trska je elektromagnetski prekidač koji se uključuje magnetom koji se dovodi u njegovu blizinu.

Ovaj krug uključuje trskasti prekidač, LED i napajanje od 3 V iz 2 AA baterije.

Ovaj projekt čini osnove načina rada trstičnih sklopki.

Sa donje sheme možete razabrati gdje su LED i prekidač postavljeni.

Baterija ima 2 žice crne i crvene. Crna žica je uzemljena, a crvena žica je napajanje.

Crvena žica će biti zalemljena na oba kraja trska.

Trskasti prekidač će biti zalemljen na dugačku stranu + LED diode. LED - kratka strana će biti lemljena za uzemljenje crne žice koja vodi do baterije.

Korak 9: Uključivanje kola u ploču

Važno je da izmjerite udaljenost magneta do vašeg prekidača. Bez testiranja možete izbušiti rupu koja je udaljena od vašeg magneta i tada prekidač neće raditi ispravno. Jačina vašeg magneta značit će da može postojati širi ili kraći jaz između Reed prekidača i magneta. To smo izmjerili, a zatim izbušili rupu za LED diodu i otvor za prekidač na našoj ploči od breze.

Korak 10: Zabavite se

U ovom trenutku ste uradili mnogo napornog posla. Vrijeme je za kreativnost!

Upotrijebite akrilnu (Molotow) boju u spreju kako biste postigli kozmički učinak i na akrilu i na drvetu. Koristite boje koje odgovaraju vašem projektu. Nosite zaštitnu masku (idealno respirator za pola lica ili organsku masku), rukavice za zaštitu ruku i UVIJEK radite u dobro prozračenom prostoru (nikada unutra!).

Ostavite zupčanike da se osuše oko 24 sata prije nego ih stavite na ploču kako biste izbjegli grebanje boje.

Takođe možete prskati svoje male svemirske brodove!

Korak 11: Lista materijala i drugih resursa

Evo opsežnog popisa materijala i daljnjih korisnih referenci:

Reed Switch

Otpor 470Ω

1 LED bijela

Magnet Adobe

Illustrator CC aplikacija za kreiranje vektorskih datoteka za lasersko rezanje

Bosslaser program za postavljanje datoteke za stroj za lasersko rezanje.

Brusni papir srednjeg kvaliteta.

1/8 šperploča od baltičke breze 48 inča dugačka x 27 inča visoka x 2

1/8 prozirni akril 48 inča dugačak x 27 inča visok x 1

Akrilna boja u spreju u različitim bojama

Respirator s organskim uloškom

Rukavice

Akumulatorska bušilica (sa raznim burgijama)

Ljepilo za drvo

Instant ljepilo (za svemirske brodove)

Cura-for Lulzbot

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastics Filament

Korisne reference:

geargenerator.com/#200, 200, 100, 6, 1, 0, 0, 4, 1, 8, 2, 4, 27, -90, 0, 0, 16, 4, 4, 27, -60, 1, 1, 12, 1, 12, 20, -60, 2, 0, 60, 5, 12, 20, 0, 0, 0, 2, -563https://woodgears.ca/gear_cutting/template.html

demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlan…

helpx.adobe.com/ca/illustrator/using/svg.h…