Урок «Преобразование движения» по LEGO SPIKE Prime: реечная, кулачковая и кривошипно-шатунная передачи

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 6 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

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

Музей типографии заказывает макет печатного станка: мотор вращается, а печатная плита ходит вверх-вниз 20 раз в минуту с ходом не меньше 4 см. Вращаться плита не должна.

Чему научатся дети

превращать вращение в движение по прямой с помощью рейки
объяснять, как форма кулачка задаёт движение толкателя
собирать кривошипно-шатунный механизм
рассчитывать ход по радиусу кривошипа

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
зубчатые рейки
кулачковые элементы
линейка
миллиметровая бумага
инженерный дневник, разворот 6

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 трёх мини-механизмов на общем основании, затем выбор одного для решения заказа. Режим: реечный — по фото, два других — по описанию.

Программа. Программа вращения с заданной частотой; расчёт мощности мотора под требуемые 20 ходов в минуту.

Что рассказать на теории

Реечная передача: шестерня + рейка, вращение → поступательное движение. Ход ограничен длиной рейки. Применение: станки, стеклоподъёмники, реечный домкрат.
Кулачковый механизм: профилированный кулачок толкает толкатель. Форма кулачка задаёт закон движения. Применение: распредвал двигателя.
Кривошипно-шатунный механизм: вращение → возвратно-поступательное движение и наоборот. Применение: поршневой двигатель, швейная машина, насос.
Ход механизма зависит от радиуса кривошипа: чем дальше точка крепления шатуна от оси, тем больше ход.

Испытание

Гипотеза: «Ход толкателя пропорционален расстоянию от точки крепления шатуна до оси вращения». Серия — 4 испытания. В протокол записывают: радиус кривошипа, отв.; ход толкателя, мм; ход / радиус; число ходов за 60 с.

Вопросы на повторение

Как из вращения получить движение по прямой?
Шестерня с рейкой даёт поступательное движение, кривошип с шатуном — движение туда и обратно.

От чего зависит ход плиты?
От радиуса кривошипа: ход равен двум радиусам. Чем дальше точка крепления шатуна от оси, тем больше ход.

Как получить 20 ходов в минуту?
Один оборот кривошипа — один цикл вверх-вниз. Значит, кривошип должен делать 20 оборотов в минуту.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: добейтесь ровно 20 ± 1 ход в минуту при ходе не менее 40 мм. Проверьте два раза подряд.

Линия поддержки: собирает реечный механизм, измеряет ход при двух положениях крепления.
Базовая линия: собирает кривошипно-шатунный механизм, проводит 4 измерения, находит отношение хода к радиусу.
Линия вызова: выполняет вызов; проектирует кулачок, дающий несимметричное движение (медленно вниз — быстро вверх), и объясняет, где это нужно.

Итог урока

Ход кривошипно-шатунного механизма равен удвоенному радиусу кривошипа; частота ходов задаётся скоростью вращения мотора и не зависит от радиуса.

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 · Передаточное отношение · Ременная и червячная передачи · Рычаг и центр тяжести · Прочность и жёсткость · Разводной мост.

{{title}}