Описание
Проект ветровой турбины – это проект OpenSCAD, представленный Мэттом Ларсоном. Данный проект выполняется в классе с углубленным изучением физики в старшей школе для исследования факторов, влияющих на мощность, генерируемую ветровой турбиной.
Сделаны пара незначительных изменений в файле OpenSCAD, чтобы имена переменных стали более интуитивными для учеников. Также добавлены некоторые поясняющие комментарии.
Заметки:
Возможно, понадобится добавить массу для некоторых конструкций, чтобы они не падали.
Для этих лопастей турбины использованы 2 периметра.
После печати
Зачистите ровный прямоугольник. Понадобятся твердая рука и бритвенные лезвия. Было обнаружено, что необходимо подрезать нижние углы основания, чтобы легко вставлять их в ступицы. Будьте очень осторожны, так как лопасти турбины легко ломаются. Возможна печать с большим количеством периметров, чтобы увеличить силу, но тогда есть риск, что они будут слишком тяжелые для того, чтобы вращаться.
Обзор и предыстория
Задачи:
- Учащиеся строят математическую модель влияния изменения параметра ветровой турбины на ее производительность.
- Учащиеся анализируют данные и модели, созданные другими группами, чтобы делать прогнозы
Аудитория
- Этот проект выполнялся в конце учебного года с учениками из класса с углубленным изучением физики в старшей школе.
- Возможно, его можно было бы сделать и в классе с углубленным изучением математики в старшей школе.
- Если «математическую модель» удалить, и предполагается, что ученики будут видеть только графики, сделанные каждой группой, то данный проект можно делать и в средней школе, и даже в начальной.
Предметы
- Физика в старшей школе
- Математика в старшей школе
- Информатика
- Высшая начальная или средняя школа
Стандарты
- Научно-техническая практика NGSS
- Разработка и использование моделей
- Анализ и интерпретация данных
- Использование математического и вычислительного мышления
- Перекрестные концепции NGSS
- Шаблоны - анализ данных для определения темпов изменения. В этом случае постоянный темп изменения скорости и переменный темп изменения положения.
- Масштаб, пропорция и количество
- Основные идеи NGSS - Физические науки
- PSA: Силы и движение
- PSA: Определение энергии
- PSB: Сохранение энергии и передача энергии
- PSC: Связь между энергией и силами
План урока и виды деятельности:
- Представьте проект и покажите учащимся OpenSCAD. Покажите им, как изменить переменные и отобразить модель.
- Разрешите учащимся поиграть, чтобы они могли определить, что делает каждая переменная.
- У каждой группы есть один фактор, который необходимо изменить, сохраняя при этом постоянные. Обратите внимание: это может означать изменение двух переменных. Изменение «bottom_height» без изменения «top_height» также изменило бы общую длину лезвия. Учащиеся могут изменять соотношение верхних и нижних высот, но поддерживать постоянную длину.
- Учащиеся в группах рассказывают классу и обсуждают, что они хотят изменить.
- Учащиеся создают 5 разных состояний, различающихся в соответствии с их выбором. На дополнительном изображении показано, как изменяется «жирная точка» (или соотношение сверху и снизу), в то время как все остальные факторы остаются постоянными.
- Распечатайте. Принтеру требуется 3-4 часа, чтобы распечатать полный набор лопастей, т.е. 3 каждого вида или 5 выбранных дизайнов.
- Подчистите и смонтируйте лезвия в ступицы.
- Учащиеся в группах тестируют свои лопасти
- Метод 1: Прикрепите вал небольшого мотора к отверстию на ступице. Присоедините провода двигателя к вольтметру. Установите максимум 20 см перед вентилятором. Снимите показание напряжения.
- Метод 2: Установите лопасть на выпрямленную скрепку. Установите максимум 20 см перед вентилятором. Для измерения скорости вращения используйте оптические ворота PASCO.
- Учащиеся создают график для своих данных и записывают уравнение, используя функцию регрессии на своих калькуляторах.
- Учащиеся делятся данными, графиками и математическими моделями с классом.
- Учащиеся в группах используют все данные для разработки «оптимальной» лопасти ветровой турбины
- Печатаются и тестируются финальные лопасти
Продолжительность
- Первый день: шаги 1-5 из описанных выше.
- Печать происходит ночью.
- Второй день: подчищаются и монтируются лезвия (шаг 7). Это занимает довольно много времени, больше, чем можно предположить.
- Третий день: Шаги 8-9
- День четвертый: шаги 10-11
- Печать происходит ночью.
- День пятый: Тестирование и объявление победителя!
Необходимые материалы
Студенческие навыки:
Знать, как построить точечный график x-y
Знать, как использовать функцию регрессии на своих калькуляторах
Знать, как анализировать данные графа
Необходимый материал:
Вентилятор
Испытательное оборудование (двигатель с постоянным током + вольтметр или оптические ворота)
Способ монтировать. Например, можно использовать кольцевую подставку и принадлежности из кабинета химии
