Урок «Передаточное отношение» по LEGO SPIKE Prime: скорость против силы

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 4 из 36
Раздел: Отдел механики: движение и передачи
Возраст: 5–7 класс
Длительность: 2 академических часа: теория 0,5 ч, практика 1,5 ч
Набор: LEGO Education SPIKE Prime (45678)
Тип занятия: занятие открытия новых знаний, лабораторная работа

Это сокращённый конспект. Полный — с ходом урока по минутам, вопросами педагога, протоколом испытаний и критериями приёмки — в программе «Инженерное бюро ПРАЙМ» для SPIKE Prime: 36 занятий, 72 часа.

Задача от заказчика

Курорт строит действующий макет канатной дороги: кабина поднимает груз 300 г по склону 15°. Мотор один и слабый, скорость не важна — главное, чтобы груз пополз вверх и не сорвался.

Чему научатся дети

считать передаточное отношение по числу зубьев
отличать понижающую передачу от повышающей
объяснять, почему выигрыш в силе даёт проигрыш в скорости
подбирать передачу под требование заказчика

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
набор грузов 50–500 г
наклонная плоскость (доска, угол 15°)
рулетка
секундомер
электронные весы
инженерный дневник, разворот 4

План занятия

Заказ от «заказчика» — 5 мин
Инженерный совет: гипотезы — 7 мин
Техническая справка — 8 мин
Сборка — 20 мин
Программирование — 15 мин
Перерыв — 10 мин
Испытание по протоколу — 15 мин
Инженерный вызов — 10 мин
Приёмка и рефлексия — 7 мин
Разборка и уборка — 3 мин

Сборка. Сборка подъёмного барабана с редуктором. Собираются три варианта: прямой привод, i ≈ 3, i ≈ 9. Режим: по описанию требований.

Программа. Единая программа подъёма на фиксированное число оборотов мотора для всех трёх вариантов — чтобы сравнение было корректным.

Что рассказать на теории

Передаточное отношение i = число зубьев ведомого / число зубьев ведущего.
i > 1 — понижающая передача: скорость падает, момент растёт.
i < 1 — повышающая передача: скорость растёт, момент падает.
«Золотое правило механики»: выигрыш в силе оборачивается проигрышем в расстоянии (и наоборот). Энергия не создаётся передачей.
Реальный аналог: понижающий редуктор лебёдки и повышающая передача велосипеда.

Испытание

Гипотеза: «Чем больше передаточное отношение, тем больший груз поднимет один и тот же мотор». Серия — 3 испытания. В протокол записывают: вариант передачи; i (расчёт); максимальный груз, г; время подъёма на 20 см, с.

Вопросы на повторение

Где взять силу, не меняя мотор?
Поставить понижающую передачу: маленькая шестерня на моторе ведёт большую. Момент растёт, скорость падает.

Как посчитать передаточное отношение?
Разделить число зубьев ведомого колеса на число зубьев ведущего. Больше единицы — передача понижающая.

Какая передача лучшая?
Универсальной нет. Для подъёма груза нужна понижающая, для скорости — повышающая.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: подберите передачу, при которой груз 300 г поднимается на 20 см быстрее всех в группе, но при этом ни разу не срывается. Зафиксируйте i.

Линия поддержки: собирает два варианта (прямой привод и i≈3), сравнивает их по одному параметру — грузу.
Базовая линия: собирает три варианта, рассчитывает i по числу зубьев, заполняет таблицу.
Линия вызова: выполняет вызов; проверяет, во сколько раз реально упала скорость, и объясняет расхождение с расчётом (трение, проскальзывание).

Итог урока

Момент и скорость связаны обратно: увеличение i повышает грузоподъёмность и во столько же раз замедляет подъём. Универсально «лучшей» передачи не существует.

Что в полном комплекте

Программа ДООП «Инженерное бюро ПРАЙМ» (DOCX и PDF, 135 страниц): паспорт, учебный план, результаты по ФГОС, аттестация и 36 конспектов занятий
Инженерный дневник ученика (75 страниц, 36 разворотов): заказ, гипотеза, протокол испытаний, вывод, самооценка
Альбом эталонных узлов (12 узлов) и 12 кинематических схем в PNG

Другие занятия раздела «Отдел механики»: Зубчатая передача · Ременная и червячная передачи · Преобразование движения · Рычаг и центр тяжести · Прочность и жёсткость · Разводной мост.

{{title}}