Sissejuhatus
Teema | Füüsika |
Raskusaste | Keskmine |
Tasemeskaala | 6–9 |
Kestus | 45 min õppetund, kokku neli õppetundi |
Selles koolitunnis õpivad õpilased projekteerima õhupallmootoriga autot. Nad saavad aru mõistetest jõud, liikumine ja Newtoni kolmas seadus. Samuti saavad õpilased selgeks jõudude analüüsi põhialused ning mõistavad raskusjõu ja hõõrdumise mõju liikuvatele objektidele. Hilisemas faasis võivad õpetajad korraldada õhupallmootoriga autode võidusõidu.
Õpieesmärgid
- Arusaamine Newtoni kolmanda seaduse sisust.
- Arusaamine liikuvale ja seisvale autole mõjuvatest jõududest.
- Õppida Tinkercadi kasutamist mudelite kujundamisel.
Vajalikud vahendid (ühe inimese kohta)
Õpetajad
- 1 tk internetiühenduse ja Snapmakeri tarkvaraga arvuti
- 1 tk valmis õhupallmootoriga auto
- 1 tk õhupall
- 1 tk USB-kettaseade
- 1 tk mõõdulint
- 1 tk A4 paberileht
Õpilased
- 1 tk internetiühenduse ja Snapmakeri tarkvaraga arvuti
- 1 tk pliiats
- 1 tk sirkel
- 1 tk kustutuskumm
- 1 tk joonlaud
- 1 tk õhupall
- 1 tk A4 paberileht
Asjakohased õppematerjalid
Vajalik varustus
- Snapmaker Originali kolm-ühes 3D-printer (3D-printimismoodul)
- 1,75 mm PLA filament
Tööetapid
1. Empaatia rakendamine
Newtoni kolmas seadus: kahe objekti vaheline mõju ja vastastikmõju on alati võrdse suuruse ning vastupidise suunaga, mõjudes samal sirgjoonel. Näiteks sõudmisel lükkavad aerud vett tahapoole (mõju) ning vesi lükkab aeru ja paati ettepoole (vastamõju), seega saab paat liikuda ettepoole. Samamoodi toimib Newtoni kolmas seadus ka raketi startimisel. Kui raketi mootoris põletatakse kütust, tekib suur hulk gaasi, mis põrkub kokku välisõhuga ning tekkiv vastastikmõju tõukab raketi kosmosesse. Kui õhu vastastikmõju võib lennutada raketi kosmosesse, siis kas saame kasutada õhku auto liikumapanekuks?
2. Teoreetiline taust ja praktilised nõuanded
Näidake õpilastele õhupallmootoriga autot, analüüsige autole mõjuvaid jõude staatilises ja dünaamilises olekus ning arutlege auto liikumist mõjutavate tegurite üle. Seejärel laske õpilastel konstrueerida õhupallmootoriga auto, võttes arvesse mõjuvaid tegureid.
Staatilises olekus autole mõjuvate jõudude analüüs. Kui auto on paigal, mõjub sellele ta peamiselt raskusjõud (G) ja laua reaktsioonijõud (F). Raskusjõud on suunatud allapoole ja reaktsioonijõud ülespoole. Need kaks jõudu mõjutavad teineteist sirgjooneliselt ja tasakaalustavad teineteist, mistõttu on auto erilises liikumisolekus – paigalseisus.
Liikuvale autole mõjuvate jõudude analüüs. Õhupalli tühjenemisel on väljavoolav gaas vastastiktoimes (F1) välisõhuga ja põhjustab autole mõjuva reaktsioonijõu (F2). Auto esialgne tasakaaluline olek kaob reaktsioonijõu mõju tagajärjel ja auto läheb staatilisest olekust üle dünaamilisse. Samal ajal, kui auto liigub edasi, takistab auto ja kontaktpinna (aluse) vaheline hõõrdejõud (F3) auto liikumist. Hõõrdejõu (F3) suurust mõjutavad tegurid on auto mass ja kontaktpinna karedus. Mida raskem on auto, mida karedam on ratas ja kontaktpind, seda suurem on hõõrdejõud. Kui reaktsioonijõud on suurem kui hõõrdejõud, hakkab auto jõudude summa mõjul kiirenevalt liikuma. Kuid seoses õhupalli tühjenemisega hakkab reaktsioonjõud aeglaselt vähenema. Hõõrdumise tõttu auto aeglustub, kuni jääb seisma, on taas staatilises olekus ja autole mõjuvad jõud on uuesti tasakaalus.
Õhupallmootoriga auto peamised osad on:
- 1 tk auto kereosa (koos õhudüüsi ja õhukanaliga)
- 2 tk ratta telg
- 4 tk ratas
- 1 tk õhupall
Korraldage õhupallmootoriga autode võidusõit ja selgitage võitja ühe sõiduga läbitud teepikkuse alusel.
 |
 |
3. Ideede genereerimine
Laske õpilastel visandada paberile auto kujundus erinevate vaatenurkade all ja tähistage mudeli mõõtkava.
4. Prototüüp
Kasutage õhupallmootoriga auto mudeli projekteerimiseks Tinkercadi.
- 1. samm: Tinkercadi ettevalmistamine
Juhendage õpilasi, et nad läbiksid Tinkercadi sissejuhatava õppe (vt „Asjakohased juhendid“) ja tunneksid Tinkercadi põhifunktsioone. - 2. samm: õhupallmootoriga auto kavandamine
Juhendage õpilasi õhupallmootoriga auto visandamisel Tinkercadis.- Auto kere kujundus
Kujundage auto kere sportauto tunnuste järgi.
Kujundamise põhipunktid
Põhjaosa peab olema teatud paksusega, et sinna saaks kavandada kanalid telgede jaoks (kaks allpool näidatud avaust). - Õhudüüsi ja õhukanali kujundus
Õhudüüsi ja õhukanali modelleerimine: õhudüüsi kujunduse põhieesmärk on tagada õhupalli paigaldamine ja kinnitamine ning sissevoolava õhu suunamine õhukanalisse, et auto saaks edasiliikumiseks vajaliku impulsi.
Projekteerimise põhipunktid- Projekteerige kumer struktuur õhupalli kinnitamiseks sissevooluavale.
- Väljavooluava kavandage auto tagaosa keskele.
- Rataste ja telgede kujundus
Projekteerige teljed, avad telgede jaoks ja rattad kavandi järgi.
Kujundamise põhipunktid- Silindri servade arv mõjutab pinna karedust, mis omakorda mõjutab liughõõrdumist. Seetõttu seadistage servade maksimaalne arv, veeretakistus on sel juhul minimaalne.
- Põhjaosas olevate teljeavade läbimõõt peab telje läbimõõdust olema 0,5 mm võrra suurem.
- Rataste telje pikkus (1,5 A) on 1,5 korda suurem kui kere laius (A) (alltoodud joonise kohaselt).
- Auto kere kujundus
- 3. samm: faili eksportimine
Klõpsake Tinkercadi paremal ülaosas oleval nupul „Export“, genereerige fail OBJ- või STL-vormingus ja laadige see alla oma arvutisse.- Kui struktuurne mudel on väike, siis võite selle salvestada samasse faili ja printida koos.
- Kui mudelid on suured, tuleb need eksportida ja printida eraldi failidena.
Nõuanded
Õhukanali kavandamiseks vajaliku toru mudeli saate leida valikust „Shape Generators - Selection“.
Töötage rühmades ja kasutage autokeresse teljeavade tegemiseks õõnsaid silindreid.
5. Faili töötlemine – 3D-printimine
Failitöötlus on OBJ- ja STL-faili töötlemine Snapmakeri juhtprogrammiga ja selle konverteerimine töötlustuvastusfailiks. Esmalt peate avama tarkvara ja sisenema 3D-printeri G-koodi generaatori liidesesse.
- Klõpsake nupul „Generate G-Code“ (Genereeri G-kood).
- Jälgige materjali, et tagada mudeli tõhus printimine.
- Klõpsake nupul „Export G-code to File“，andke sellele nimeks „BalloonCar“ ja dubleerige see USB-mäluseadmele.
Parameetrite seadistused | |
Mudel: Õhupallmootoriga auto | |
Import method (Impordimeetod) | Upload files (Failide üleslaadimine) |
Material (Materjal) | PLA |
Support (Tugi) | Everywhere |
Printing Settings (Printimisseaded) | Custom - Normal Quality (Kohandatud – normaalne kvaliteet) |
Parameetrite muutmine Normal Quality tingimusele vastavaks | |
Infill Density (täitetihedus) | 8% |
Initial Layer Print Speed (Lähtekihi printimiskiirus) | 10 mm/s |
Inner Wall Speed (Kiirus siseseina korral) | 30 mm/s |
Travel speed (Teisalduskiirus) | 40 mm/s |
Initial layer travel speed (Teisalduskiirus lähtekihi korral) | 30 mm/s |
6. 3D-printimine
Kasutage auto printimiseks Snapmaker Originali kolm-ühes 3D-printerit. (3D-printimismoodul)
- 1. samm: ohutus
Palun lugege enne printeri kasutamist läbi lisas olevad ohutusjuhised. - 2. samm: printeri ettevalmistamine
- Paigaldage Snapmaker Originali kolm-ühes 3D-printeri 3D-printimismoodul ja kuumutatav alusplaat.
- Ühendage USB-mäluseade ja lülitage printeri toide sisse.
- Loodige kuumutatav alusplaat.
- Sisestage PLA filament. Ärge unustage enne PLA paigaldamist düüsi soojendada.
- 3. samm: 3D-printimine
- Puudutage puuteekraanil ikooni „Files“ ja valige kujundusfail.
- 3D-printimine.
- 4. samm: õhupallmootoriga auto kokkupanek
- Valmistage ette kõik õhupallmootoriga auto osad.
- Pange õhupallmootoriga auto kokku.
- Paigaldage õhupall, kontrollige selle toimimist.
7. Tegevus – õhupallmootoriga autode võidusõit
Pange mõõdulint maha ja tõmmake teatud pikkuses välja, määrake ka stardikoht. Laske kõigil osalejatel teha autoga sõit. Õpetajad registreerivad iga vahemaa, mille auto läbib.
8. Arutelu
Laske õpilastel vahetada mõtteid oma projektide üle, lähtudes järgmistest aspektidest:
- milles seisneb jõu mõju auto liikumisele?
- kas auto töötas?
- kas on olemas võimalusi optimeerimiseks?
- järeldused õpitust.
9. Arendus
- Peale rakettide leiab Newtoni kolmas seadus rakendamist ka hõljukites. Innustage õpilasi selles õppetunnis õpitud lähenemisviisi kasutamisega valmistama 3D-printimisega aerodünaamilise laeva mudelit.
- Innustage õpilasi konstrueerima kiirusrada aerodünaamilise sõiduki kiiruse määramiseks, kasutades selleks Arduinot, infrapunaandurit, digitaalnäidikut ja 3D-printimist. Stopper käivitub, kui auto möödub esimesest infrapunaandurist ja seiskub möödumisel teisest infrapunaandurist. Kiiruse kuvamiseks kasutage digitaalnäidikut.
