Урок «Рычаг и центр тяжести» по LEGO SPIKE Prime: равновесие, устойчивость и противовес

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 7 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

Строительная компания заказывает макет башенного крана: поднять груз 300 г на вылете 25 см от мачты и не опрокинуться. Крепить основание к столу нельзя — устойчивость проверяют наклоном платформы на 10°.

Чему научатся дети

применять условие равновесия рычага F₁·l₁ = F₂·l₂
находить центр тяжести конструкции опытом
повышать устойчивость шириной опоры и противовесом
объяснять, почему кран опрокидывается вперёд

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
грузы 50–500 г
линейка
наклонная площадка с регулируемым углом
транспортир
инженерный дневник, разворот 7

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 башенного крана со стрелой и противовесом. Режим: по эскизу на доске (общая компоновка задана, размеры и связи — самостоятельно).

Программа. Управление лебёдкой средним мотором: подъём, удержание, спуск; ограничение подъёма по числу оборотов.

Что рассказать на теории

Рычаг в равновесии, когда произведения силы на плечо с обеих сторон равны: F₁·l₁ = F₂·l₂.
Центр тяжести — точка приложения равнодействующей силы тяжести. Тело устойчиво, пока вертикаль из центра тяжести проходит внутри опорной площадки.
Два способа повысить устойчивость: расширить опору или опустить/сместить центр тяжести (противовес).
Реальные краны используют оба: широкая база и бетонный противовес на противоположной стреле.

Испытание

Гипотеза: «Масса противовеса, необходимая для равновесия, обратно пропорциональна расстоянию от него до мачты». Серия — 4 испытания. В протокол записывают: груз на стреле, г; вылет стрелы, см; плечо противовеса, см; минимальный противовес, г.

Вопросы на повторение

Почему кран опрокидывается вперёд?
Груз на стреле создаёт опрокидывающий момент. Как только вертикаль из центра тяжести выходит за опору, кран падает.

Что выгоднее: расширить основание или добавить противовес?
Зависит от ограничений заказа. Настоящие краны используют оба способа: широкую базу и бетонный противовес.

Как уменьшить массу противовеса?
Отнести его дальше от мачты: во сколько раз больше плечо, во столько раз меньше нужная масса.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: добейтесь устойчивости при наклоне платформы 10° с минимальной суммарной массой противовеса. Побеждает самый лёгкий кран, выдержавший испытание.

Линия поддержки: работает с рычагом-балансиром на столе, находит равновесие подбором, заполняет два столбца.
Базовая линия: собирает кран, проводит 4 испытания, проверяет выполнение равенства F₁·l₁ = F₂·l₂.
Линия вызова: выполняет вызов; определяет положение центра тяжести крана опытным путём (подвешиванием) и отмечает его на схеме.

Итог урока

Условие равновесия рычага выполняется и для крана: увеличение плеча противовеса позволяет уменьшить его массу во столько же раз.

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 · Прочность и жёсткость · Разводной мост.

{{title}}