Cijeli STEAM ispred! do beskonačnosti i dalje: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

Suradnja između Alicie Blakey i Vanesse Krause

Tko je jebote Fibonacci?

Na temelju Alicijinog dizajna (ugniježđeni planetarni zupčanici) odlučili smo surađivati kako bismo pokušali stvoriti radni sustav zupčanika koji se može prikazati u uspravnom položaju. U idealnom slučaju, želimo da se naša publika osjeća ugodno i prisiljeno na interakciju s ovim dizajnom. Koristeći različite metode navedene u ovom dokumentu, govorit ćemo o procesu projektiranja i o tome kako smo se borili kroz matematička pitanja, logiku i odabir materijala.

Bin-it

Uključivanje naše braće i sestara sklonih matematici u pomoć: Moj brat Joey poslao mi je Binetovu formulu … bez objašnjenja kako je koristiti. Kad sam mu poslala poruku i rekla "Hej Joey, možeš li mi to objasniti?" na što je on odgovorio: "Koji dio?"

Budući da nemam apsolutno nikakvu matematičku sklonost, zamolili smo Alicijina brata Merricka da objasni kako se formula može primijeniti za izradu zupčanika za gniježđenje. Potrošio je desetak minuta rješavajući to, odgovorio je s "da, radi", a zatim rekao "moram ići" i ostavio nas bez odgovora i bez prevedene formule.

Još 30 minuta tražili smo odgovor na naš upit …

Internet ima odgovore

Kako bismo nadmašili Binet barijeru, odlučili smo pretražiti internet za odgovore i prijedloge o rješavanju naše zagonetke. Pronašli smo nekoliko web stranica koje mogu stvoriti kompatibilne zupčanike.

Neke od ovih web stranica su:

Generator zupčanika Planetarni

Gear Catalyst

Nakon što smo imali ove generatore zupčanika za pomoć u matematičkim aspektima ovog projekta, preselili smo se u Adobe Illustrator kako bismo stvorili verzije ovih zupčanika. Alicia se usredotočila na to da svaki stupanj prijenosa bude kompatibilan s laserskim rezačima u centru 100 McCaul RP. Odlučili smo koristiti p”šperploču Baltic Birch ⅛” za početno rezanje, kako bismo bili sigurni da je matematika ispravno poravnana. Alicia je napravila preko 3 male makete kako bi ti zupčanici potencijalno mogli izgledati. Sa svakom iteracijom bilo je problema s time da je laserski rezač uzimao premalo ili previše od malih prijenosnih sustava, tako da se oni više nisu mogli učinkovito blokirati i okretati (koristila je i akril i šperploču (⅛”). Taj je postupak bio frustrirajuće, ali nam je pomoglo da shvatimo ograničenja laserskog rezanja za ovaj projekt.

Profesor najbolje zna

Alicia i ja smo jako tvrdoglave i odlučne u rješavanju zagonetke ugniježđenih zupčanika. Bio sam voljan zadovoljiti se planetarnim zupčanicima, međutim, Alicii su trebali odgovori! U posljednjem pokušaju da pronađe utjehu s matematikom, Alicia je kontaktirala umirovljenog profesora sa Sveučilišta Queen's. Objasnio je da bi za jednostavno mjerenje udaljenosti između svakog od zupčanika morala podijeliti i izmjeriti 37 segmenata. To bi omogućilo da se svi zubi pravilno poravnaju. Trošeći vrijeme na rješavanje zagonetke, i dalje je postojao mali matematički problem s usklađivanjem. S obzirom na sveukupno vremensko ograničenje, odlučili smo se za planetarne zupčanike.

Polijetanje

Dok je Alicia rješavala duboka matematička pitanja, ja sam se usredotočio na ispis 3D svemirskih brodova. To je pomoglo učvrstiti ukupnu temu, a našem je komadu dalo interaktivniju kvalitetu dobrodošlice. Koristeći Thingiverse uspio sam pronaći zabavan retro dizajn svemirskog broda (izradio cerberus333). Ovaj dizajn mi je omogućio da izmjerim ljestvicu da bude mnogo manja. Dodavanjem svemirskog broda, naša će se publika moći držati dok se zupčanici okreću zajedno. Ovo je bilo vrlo jednostavno rješenje kako bi komad bio ugodniji drugima. Na temelju open-source prirode Thingiverse-a, svatko s računalom i pristupom 3D pisaču može sam stvoriti ovaj objekt. Tisak je također bio relativno brz (trebalo je manje od 2 sata za ispis 7 svemirskih brodova). Na kraju smo koristili samo 3 ili 7 tiskanih primjeraka.

Snimajte za mjesec…

Na temelju početne ideje o dizajnu, Alicia i ja htjeli smo stvoriti planetarne zupčanike s mnogo ugrađenih LED svjetala koja bi se aktivirala pomoću naših magneta (pričvršćenih na stražnju stranu svakog zupčanika) kako bi model mogao stajati uspravno i osvijetliti svaku "zvijezdu" sustav dok se okreće. Alicia je otišla u Home Hardware i kupila LED sklop Reed prekidača i magnetske senzore. Upotrijebio sam bušilicu i ručnu pilu da napravim ispravan otvor za LED i magnetski senzor koji stane u drvenu ploču od šperploče. Kasnije smo shvatili da su baterije kupljene od Home Hardware na fakultetu i u Spadini zapravo neispravne i da su pale samo jednu LED žarulju dok je magnet prolazio.

Više od vandalizma

Za ovaj projekt također sam htio primijeniti još malo ruku na kreativne tehnike. Iako su drveni i akrilni zupčanici sami po sebi bili lijepi, nedostajalo im je zajedničke teme sa svemirskim brodovima. Odlučio sam upotrijebiti Molotow akrilnu boju u spreju za stvaranje motiva galaksije za sustave zupčanika. Iako smo planirali lakiranje cijele ploče raspršivačem, susreli smo se s malim mjestom kabine za raspršivanje koja se nalazi u laboratoriju Maker u našoj ustanovi za diplomirane studente. Na temelju ovog ograničenja veličine, odlučili smo zupčanike jednostavno raspršiti u spreju na asimetrične načine. Na ovaj način svemirski brod mogao bi sjediti na jednom od običnih ili sprejom obojenih zupčanika kako bi sudioniku pomogao u razumijevanju naše cjelokupne teme.

Orbita

Nakon što su svi zupčanici velikih razmjera sastavljeni, Alicia je pomoću alata za lemljenje zavarila magnetski senzor i LED. Odlučili smo se za postavljanje 1 radne LED diode i stavili je blizu srednjeg stupnja prijenosa. Kad su ispod svemirskog broda postavljena 3 jaka magneta, dogodio se željeni rezultat! Imali smo svjetlo! Međutim, drugi magneti ispod zupčanika (držati ih okomito) ometali bi senzor magneta. Stoga smo odlučili da dizajn mora ostati stolna verzija.

Tamna strana mjeseca

Glavni izazovi s kojima smo se suočili u ovoj suradnji bili su ograničenja laserskog rezanja i tehnologije baterija. Dizajn datoteka, svemirski brodovi za 3D ispis i ručno sastavljanje (pomoću tradicionalnih alata poput bušilica, ručne pile, ljepila i stezaljki bilo je iznenađujuće jednostavno). Ako netko želi ponovno stvoriti ovaj komad, glavni izazov bio bi za njih da pomoću matematike izrade najidealniji dizajn koji laser može izrezati. Također smo se borili s vremenskim ograničenjima i idealno bismo željeli ponovno pregledati ovaj projekt u bliskoj budućnosti kako bismo nastavili širiti ovaj koncept.

Alati i tehnologija

Da bi vjerno stvorili ovaj projekt, trebali bi imati osnovno znanje o procesu projektiranja, matematici, načinu korištenja umjetne inteligencije i ispravno postaviti za lasersku datoteku za rezanje. Zatim će im trebati osnovno razumijevanje električne energije (LED, magnetski senzor i lemljenje). Trebat će im pristup dobro prozračenom prostoru za bojanje sprejom i prilagođeno projektiranje ovih zupčanika. Za ispis svemirskog broda korišten je Taz Lulzbot 6, zajedno s filamentom PLA Village Plastics (bilo koja boja će biti dovoljna jer ih možete i raspršiti). Konačno, trebat će im osnovno znanje o tome kako pomoću bušilice i ručne pile izrezati odgovarajuće dimenzije rupa za svaki LED i magnetski senzor (to je potrebno pažljivo izmjeriti jer senzor nije jako jak i treba ga postaviti u neposrednoj blizini magneta). Konačno, ako želite vjerno rekreirati ovaj projekt, trebat će vam i malo prostora za montažu!

Veliki skok za čovječanstvo

Stigli smo do MARS -a! Samo se šalim! Korištenjem metoda digitalne izrade uspjeli smo stvoriti matematički sustav zupčanika od drveta i akrila (brzinom potrebnom za stavljanje kacige astronauta). To ne bi bilo moguće bez tehnologije Adobe Illustrator datoteka u kombinaciji s laserskim rezanjem. Laseri su izuzetno precizni i brzi. Nešto što bi bilo nemoguće postići samo s tradicionalnim alatima za izradu. Iako se tradicionalne metode nisu koristile u glavnom procesu izrade, postale su iznimno važne u konačnom sastavljanju i uključivanju tehnologije.

Puni STEAM ispred

Sa obrazovnog gledišta, ovaj sustav planetarnih zupčanika inkorporirao je sve temelje učenja kroz rad. Gamification igra veliku ulogu u krajnjem proizvodu kako bi bio privlačan korisnicima. Međutim, jedan od glavnih korisnika ovog projekta je obrazovanje. Ovaj projekt može naučiti praktične vještine, počevši od matematike, inženjeringa, prostornog zaključivanja i elektroničkih ciklusa. To može učenicima dati priliku da vide kako se matematika povezuje s fizičkim svijetom i kako mehanički procesi (poput laserskog rezanja) ovise o točnim izračunima. Konačno, studenti imaju priliku primijeniti kreativnost i vizualne umjetnosti u procesu dodavanja boje, boje, kolaža kako bi odredili svoj dizajn. Omogućuje im i stvaranje interaktivnog okruženja za učenje koje podržava STEAM u učionici. STEAM je uključen u sve kriterije stvaranja ovog projekta učinkovito uvrštavajući:

Znanost

Tehnologija

Inženjering

Umjetnosti

Matematika

Nedavno je u posljednjih nekoliko godina došlo do napora za poboljšanjem medijske pismenosti i razvoja učenika od 1. razreda. Kao što sugerira nastavni plan i program Ontarija, postojanje međupredmetnih mogućnosti obrazovanja važno je za izgradnju učeničke (K-12) ljubavi prema učenju. Ovaj projekt je svjestan pristup rješavanju problema, suradnji, praktičnom učenju otvorenog koda koje je potrebno u mnogim predmetima u nastavnom planu i programu Ontarija, ali i šire!

Neograničene konstelacije

Konačno, važno je priznati da bi se ovaj dizajn mogao uvelike poboljšati u rukama drugih ljudi. To znači da, iako se sve komponente nalaze ovdje, još uvijek postoji mnogo izmjena i dopuna ovog dizajna koje su moguće. Surađujući, ovaj dizajn ima neograničeni potencijal. To je sjajan početni projekt za svakoga tko je zainteresiran za primjenu STEAM -a u vlastitoj praksi učenja. Budući da se dizajn temelji na matematici, može se mijenjati, mijenjati i prepravljati u mnogo različitih sazviježđa. Ovaj projekt promiče ideju da ne postoji jednosmjeran način izrade.

Korak 1: Umetnite ga

Možete li riješiti ovu zagonetku?

Korak 2: Generiranje Gearsa

Koristeći odjeljak s referencama koji se nalazi u nastavku, dali smo vam alate za generiranje zupčanika. Postoje dvije web stranice koja je ekskluzivna za matematičke nacrte, a druga web stranica raspravlja o različitim materijalima i varijacijama ako ste sami morali rezati zupčanike.

Oboje je važno pri planiranju i izgradnji datoteke za lasersko rezanje jer će vam oboje pomoći da razmotrite materijale i razumijete kako raditi u konstrukcijama malih nepredviđenih varijacija.

Istraživanje Zloglasno po svom zajedničkom znanju Matija je odjeknut u mnogim projektima zupčanika jer pruža pojednostavljene informacije o tome kako ručno izrezati vlastite zupčanike. On također pruža osnovne informacije kako biste mogli započeti svoj projekt s dobrim temeljima. To je bitno kako bi se stvorio sustav koji radi i vještine rješavanja problema za kasnije rješavanje problema. Dolje navedeni rječnik izrađuje i pruža: [email protected]

Korak 3: Razmak između zuba

Broj milimetara od jednog do drugog zuba, duž promjera koraka.

Zupčanici 1: broj zubaca na zupčaniku za isticanje zupčanika. Upravlja lijevom brzinom pri prikazivanju dvije brzine. Unesite negativnu vrijednost za zupčaste zupčanike.

Rack & Pinion: Promijenite stupanj prijenosa 1 u linearni zupčanik (stalak). Drugu opremu možete napraviti i kao nosač unošenjem "0" za broj zuba.

Izmjerena udaljenost kal (mm): Nakon ispisa probne stranice izmjerite udaljenost između redaka označenih "ovo bi trebalo biti 150 mm". Ako nije 150 mm, unesite vrijednost u ovo polje kako biste kompenzirali skaliranje pisača. Sljedeći ispis trebao bi biti ispravne veličine.

Kontaktni kut (stupnjevi): Kut pritiska zupčanika. Za zupčanike s manjim brojem zubaca postavite ovo malo veće, kako biste dobili više nagnutih zuba za koje je manje vjerojatno da će se zaglaviti.

Zupčanik 2 zuba: Broj zubaca za zupčanik s desne strane, ako je prikazan. Potvrdni okvir kontrolira prikazuje li se jedan ili dva stupnja prijenosa.

Dva stupnja prijenosa: Prilikom ispisa predložaka pomaže prikazivanje samo jednog stupnja prijenosa.

Žbice: Pokažite opremu žbicama. Žbice su prikazane samo za zupčanike sa 16 ili više zuba.

Korak 4: Matematika

Pronašao sam donju jednadžbu koja mi je pomogla u izgradnji rasporeda zupčanika i u utvrđivanju da će zupčanici raditi i pristajati zajedno.

Označimo R, S i P kao broj zubaca na zupčanicima.

Prvo ograničenje za rad planetarnog zupčanika je da svi zubi imaju isti korak ili razmak između zuba. Time se osigurava zubna mreža. Ono što sam učinio bile su tri odvojene strane koje su imale isti korak, ali se nisu međusobno podudarale, tako da su zupčanici uvijek poravnati, ali u drugom uzorku. Drugo ograničenje je: R = 2 × P + S

To će reći, broj zubaca u prstenastom zupčaniku jednak je broju zubaca u srednjem sunčevom zupčaniku plus dva puta veći broj zubaca u planetarnim zupčanicima. Primjer ovoga bi bio 30 = 2 × 9 + 12. Ili možete otići na web stranicu za generiranje zupčanika na https://geargenerator.com ili

Korak 5: SVG datoteke i Illustrator

Ako uvozite datoteku iz generatora zupčanika, a niste je izgradili u Illustratoru, morat ćete slijediti donje upute za rad sa SVG datotekama u Illustratoru.

Illustrator nudi zadani skup SVG efekata. Možete koristiti efekte sa zadanim svojstvima, uređivati XML kôd za izradu prilagođenih efekata ili pisati nove SVG efekte.

Za uvoz SVG datoteke u Illustrator:

Odaberite Učinak> SVG filter> Uvoz SVG filtra.

Odaberite SVG datoteku iz koje želite uvesti efekte i kliknite Otvori.

Za manipuliranje SVG datotekom u Illustratoru: Odaberite objekt ili grupu (ili ciljajte sloj na ploči Slojevi).

Učinite nešto od sljedećeg: Da biste primijenili učinak sa zadanim postavkama, odaberite efekt u donjem odjeljku podizbornika Učinak> SVG filtri.

Da biste primijenili učinak s prilagođenim postavkama, odaberite Učinak> SVG filteri> Primijeni SVG filtar.

U dijaloškom okviru odaberite efekt i kliknite gumb Uredi SVG filter fx.

Uredite zadani kôd i kliknite U redu.

Da biste stvorili i primijenili novi efekt, odaberite Učinak> SVG filtri> Primijeni SVG filter.

U dijaloškom okviru kliknite gumb Novi SVG filter, unesite novi kôd i kliknite U redu.

Kad primijenite učinak SVG filtra, Illustrator prikazuje rasteriranu verziju učinka na umjetnoj ploči. Razlučivost ove slike za pregled možete kontrolirati promjenom postavke razlučivosti rasterizacije dokumenta.

Korak 6: Spremanje datoteke

Izvezite datoteku kao.eps ili.ai.

Idite na postavke i provjerite radite li u RGB načinu rada, a ne u CMYK -u.

To možete promijeniti ako odete na:

Odaberite Datoteka -> Način boje dokumenta -> RGB

Sve rezane linije moraju biti označene crveno plavim i zelenim linijama s težinom hoda 0,01pt

Laser će interpretirati boje kao uređene linije reza koje rade iznutra prema van.

Počevši od crvene (RGB: 255, 0, 0), zatim plave (RGB 0, 0, 255) i na kraju zelene (RGB 0, 255, 0).

Svi unutarnji rezovi trebaju se prvo izrezati i stoga trebaju biti crveni, pri čemu su svi daljnji rezovi plavi, a posljednji vanjski rezovi zeleni. Prije postavljanja za ispis provjerite jesu li svi zupčanici spojeni i nema li linija koje se sijeku.

Ako vaši zupčanici izgledaju kao da nisu pravilno oblikovani, možete se vratiti na stranicu generatora zupčanika i ponovno procijeniti svoje izračune.

Spremite kao.ai datoteke i prenesite u Bosslaser program.

Ovaj program vam također omogućuje manipulaciju datotekom. Pomoću ovog programa možete poslati datoteku izravno na laserski rezač.

Korak 7: Thingiverse i 3D ispis

Kao što je spomenuto u glavnim crtama ovog projekta, svoje 3D svemirske brodove možete ispisati bilo kada! Osmislite vlastiti dizajn koristeći ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 ili Rhino ili idite na Thingiverse i pronađite kreativni zajednički projekt za ispis! Možda čak možete izmijeniti neke datoteke tako da odgovaraju vašem jedinstvenom dizajnerskom izazovu! Ovi su svemirski brodovi tiskani na Taz Lulzbotu 6 s PLA Village Plastics najvećom brzinom (trebalo je manje od 2 sata za 7 svemirskih brodova).

Korak 8: LED krug sklopke Reed

Trska je elektromagnetski prekidač koji se uključuje magnetom koji se dovodi u njegovu blizinu.

Ovaj krug uključuje trskasti prekidač, LED i napajanje od 3 V iz 2 AA baterije.

Ovaj projekt čini osnove rada trstičnih sklopki.

Iz donje sheme možete razabrati gdje su LED i prekidač postavljeni.

Baterija ima 2 žice crne i crvene. Crna žica je uzemljena, a crvena žica je napajanje.

Crvena žica će biti zalemljena na oba kraja trska.

Trskasti prekidač će biti zalemljen na dugačku stranu + LED diode. LED - kratka strana bit će zalemljena za uzemljenje crne žice koja vodi do baterije.

Korak 9: Uključivanje kruga u ploču

Važno je da izmjerite udaljenost magneta do vašeg prekidača. Bez testiranja mogli biste izbušiti rupu koja je daleko od vašeg magneta i tada prekidač neće raditi ispravno. Snaga vašeg magneta značit će da može postojati širi ili kraći jaz između Reed prekidača i magneta. To smo izmjerili, zatim izbušili rupu za LED diodu i otvor za prekidač na našoj ploči od breze.

Korak 10: Zabavite se

U ovom ste trenutku učinili puno teškog posla. Vrijeme je za kreativnost!

Upotrijebite akrilnu (Molotow) boju u spreju kako biste postigli kozmički učinak i na akrilu i na drvetu. Koristite boje koje odgovaraju vašem projektu. Nosite zaštitnu opremu (idealno respirator za pola lica ili masku od organske pare), nosite rukavice za zaštitu ruku i UVIJEK radite u dobro prozračenom prostoru (nikada unutra!).

Ostavite zupčanike da se osuše oko 24 sata prije nego što ih stavite na ploču kako biste izbjegli grebanje boje.

Također možete prskati svoje malene svemirske brodove!

Korak 11: Popis materijala i drugih resursa

Ovdje je opsežan popis materijala i daljnje korisne reference:

Reed prekidač

Otpor 470Ω

1 LED bijela

Magnet Adobe

Illustrator CC aplikacija za izradu vektorskih datoteka za lasersko rezanje

Bosslaser program za postavljanje datoteke za stroj za lasersko rezanje.

Brusni papir srednjeg kvaliteta.

1/8 šperploča od baltičke breze 48 inča dugačka x 27 inča visoka x 2

1/8 prozirni akril 48 inča dugačak x 27 inča visok x 1

Akrilna boja u spreju u raznim bojama

Respirator s organskim uloškom

Rukavice

Akumulatorska bušilica (s raznim svrdlima)

Ljepilo za drvo

Instant ljepilo (za svemirske brodove)

Cura-for Lulzbot

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastics Filament

Korisne reference:

geargenerator.com/#200, 200, 100, 6, 1, 0, 0, 4, 1, 8, 2, 4, 27, -90, 0, 0, 16, 4, 4, 27, -60, 1, 1, 12, 1, 12, 20, -60, 2, 0, 60, 5, 12, 20, 0, 0, 0, 2, -563https://woodgears.ca/gear_cutting/template.html

demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlan…

helpx.adobe.com/ca/illustrator/using/svg.h…