Урок «Прочность и жёсткость» по LEGO SPIKE Prime: треугольник против прямоугольника

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 8 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

Служба спасения заказывает разборную вышку наблюдения: высота не меньше 30 см, на площадке груз 200 г, масса конструкции не больше 250 г. Вышка обязана выдержать вибрацию.

Чему научатся дети

отличать прочность от жёсткости
объяснять, почему квадрат складывается, а треугольник нет
усиливать конструкцию раскосами без лишней массы
находить слабое звено испытанием

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
грузы
линейка
вибростенд (модель с эксцентриком с занятия 6)
электронные весы
инженерный дневник, разворот 8

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. Две вышки одинаковой высоты: без раскосов и с раскосами. Режим: полностью самостоятельно по требованиям ТЗ.

Программа. Программа вибростенда: плавное увеличение мощности эксцентрикового мотора с шагом 10 % каждые 5 с; на матрице хаба отображается номер ступени.

Что рассказать на теории

Прочность — сопротивление разрушению, жёсткость — сопротивление деформации. Это разные свойства.
Четырёхугольник из шарнирно соединённых балок деформируется без разрушения; треугольник геометрически неизменяем.
Раскос превращает прямоугольник в два треугольника и резко повышает жёсткость при минимальном расходе материала.
Ферма — конструкция из треугольников; применяется в мостах, вышках, стрелах кранов, каркасах стадионов.
Слабое звено — то, что деформируется первым. Усиливать имеет смысл только его.

Испытание

Гипотеза: «Добавление раскосов повышает выдерживаемую вибрацию сильнее, чем равное по массе утолщение стоек». Серия — 3 испытания. В протокол записывают: вариант вышки; масса, г; прогиб под грузом 200 г, мм; ступень вибрации до разрушения.

Вопросы на повторение

Почему квадрат из балок складывается, а треугольник нет?
Треугольник геометрически неизменяем: при заданных сторонах его форму не изменить. Квадрат на шарнирах превращается в ромб.

Чем прочность отличается от жёсткости?
Прочность — сопротивление разрушению, жёсткость — сопротивление деформации.

Как сделать вышку прочнее при той же массе?
Поставить раскосы и усилить слабое звено. Важно не количество деталей, а то, как они расположены.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: соберите вышку массой менее 180 г, выдерживающую ту же ступень вибрации. Каждая снятая деталь — плюс к результату.

Линия поддержки: собирает и сравнивает два узла-квадрата: с раскосом и без, описывает разницу словами.
Базовая линия: строит обе вышки, измеряет массу и прогиб, заполняет таблицу.
Линия вызова: выполняет вызов; определяет слабое звено по видеозаписи разрушения и усиливает только его.

Итог урока

Жёсткость определяется не количеством деталей, а их расположением: треугольные связи дают больший прирост жёсткости на единицу массы.

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 · Преобразование движения · Рычаг и центр тяжести · Разводной мост.

{{title}}