Visas STEAM į priekį! iki begalybės ir už jos ribų: 11 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Alicia Blakey ir Vanessa Krause bendradarbiavimas

Kas yra tas Fibonači?

Remdamiesi Alicia dizainu (įterptomis planetinėmis pavaromis), nusprendėme bendradarbiauti, kad sukurtume veikiančią pavarų sistemą, kurią būtų galima rodyti vertikalioje padėtyje. Idealiu atveju norime, kad mūsų auditorija jaustųsi patogiai ir būtų priversta bendrauti su šiuo dizainu. Naudodami įvairius šiame dokumente aprašytus metodus, mes kalbėsime apie projektavimo procesą ir tai, kaip mes kovojome sprendžiant matematinius klausimus, logiką ir medžiagą.

Bin-it

Į pagalbą pasitelkę mūsų matematiką broliai ir seserys: mano brolis Joey atsiuntė man Binet formulę … be paaiškinimo, kaip ja naudotis. Kai parašiau jam žinutę ir pasakiau: „Ei, Džo, ar galėtum man tai paaiškinti? į kurį jis atsakė: „Kurią dalį?

Kadangi neturiu visiškai jokio matematinio polinkio, paprašėme Alicijos brolio Merricko paaiškinti, kaip šią formulę galima pritaikyti lizdams gaminti. Jis praleido apie dešimt minučių ją sprendžiant, atsakė „taip, tai veikia“, tada pasakė „turiu eiti“ir nepaliko mums jokių atsakymų ir jokios išverstos formulės.

Dar 30 minučių ieškojome atsakymo į mūsų užklausą …

Internetas turi atsakymus

Norėdami peržengti Binet barjerą, nusprendėme ieškoti interneto atsakymų ir pasiūlymų, kaip išspręsti mįslę. Radome keletą svetainių, galinčių sukurti suderinamas pavaras.

Kai kurios iš šių svetainių yra:

Pavarų generatoriaus planeta

Pavarų katalizatorius

Kai turėjome šiuos pavarų generatorius, padedančius spręsti šio projekto matematinius aspektus, persikėlėme į „Adobe Illustrator“ir sukūrėme šių pavarų linijų versijas. Alicia sutelkė dėmesį į tai, kad kiekviena pavara būtų suderinama su lazeriniais pjovikliais 100 „McCaul RP“centre. Pradiniam pjovimui nusprendėme naudoti „Baltic Berch p“fanerą, kad matematika būtų tinkamai suderinta. Alicia padarė daugiau nei 3 mažas maketas, kaip šie įrankiai galėtų atrodyti. Su kiekviena iteracija iškilo problemų dėl to, kad lazerinis pjoviklis per mažai arba per daug išėmė mažų pavarų sistemas, kad jos nebebūtų veiksmingai susipynusios ir nesisuktų (ji naudojo ir akrilą, ir fanerą (⅛ “)). apmaudu, tačiau padėjo mums suvokti šio projekto pjovimo lazeriu apribojimus.

Profesas žino geriausiai

Abu su Alicia esame labai užsispyrę ir pasiryžę išspręsti įdėtų pavarų mįslę. Aš norėjau įsikurti planetinėse blokuojančiose pavarose, tačiau Alicijai reikėjo atsakymų! Paskutiniame bandyme rasti paguodą matematikoje, Alicia susisiekė su pensininku Karalienės universiteto profesoriumi. Jis paaiškino, kad norėdama lengvai išmatuoti atstumus tarp kiekvienos pavaros, ji turės padalyti ir išmatuoti 37 segmentus. Tai leistų visiems dantims tinkamai susilyginti. Skiriant laiko mįslės sprendimui, vis dar buvo nedidelė matematinė problema, susijusi su derinimu. Atsižvelgdami į bendrą laiko apribojimą, mes nusprendėme naudoti planetines pavaras.

Pakilimas

Kol Alicia sprendė gilias matematines problemas, daugiausia dėmesio skyriau 3D erdvėlaivių spausdinimui. Tai padėjo įtvirtinti bendrą temą ir taip pat suteikė mūsų kūriniui daugiau sveikinimo interaktyvios kokybės. Naudodamas „Thingiverse“, galėjau rasti įdomų retro erdvėlaivio dizainą (sukurtas cerberus333). Šis dizainas leido man pakeisti skalę, kad ji būtų daug mažesnė. Pridėję erdvėlaivį, mūsų publika galės jo laikytis, nes krumpliaračiai sukasi kartu. Tai buvo labai paprastas sprendimas, kad kūrinys būtų labiau laukiamas kitų. Remiantis atvirojo kodo „Thingiverse“pobūdžiu, kiekvienas, turintis kompiuterį ir turintis prieigą prie 3D spausdintuvo, gali sukurti šį objektą pats. Spausdinimas taip pat buvo palyginti greitas (7 erdvėlaivių atspausdinimas užtruko mažiau nei 2 valandas). Galiausiai panaudojome tik 3 ar 7 spausdintas kopijas.

Šaudyk į mėnulį…

Remdamiesi pradine dizaino idėja, mes su Alicia norėjome sukurti planetines pavaras su daugybe įterptų LED lempučių, kurias suaktyvintų mūsų magnetai (pritvirtinti kiekvienos pavaros gale), kad modelis galėtų stovėti vertikaliai ir apšviesti kiekvieną „žvaigždę“sistema sukasi. Alicia nuėjo į „Home Hardware“ir nusipirko „Reed“jungiklio LED grandinę ir magnetinius jutiklius. Aš naudoju grąžtą ir rankinį pjūklą, kad padarytų tinkamą angą, kad šviesos diodas ir magnetinis jutiklis tilptų į medinę faneros plokštę. Vėliau supratome, kad akumuliatoriai, įsigyti iš „Home Hardware“koledže ir „Spadina“, iš tikrųjų buvo sugedę ir pro magnetą praėjo tik viena LED lemputė.

Daugiau nei tik vandalizmas

Šiam projektui aš taip pat norėjau pritaikyti daugiau kūrybinių metodų. Nors medžio ir akrilo krumpliaračiai buvo gražūs savaime, jiems trūko bendros temos su erdvėlaiviais. Aš nusprendžiau naudoti „Molotow Acrylic Spray“dažus, kad sukurtų pavarų sistemų galaktikos motyvą. Nors planavome dažyti visą lentą purškimu, mus sutiko nedidelis purškimo būdelės mastelis, esantis „Maker Lab“mūsų aukštojo mokslo įstaigoje. Remdamiesi šiuo dydžio apribojimu, mes nusprendėme tiesiog purkšti krumpliaračius dažais asimetriškai. Tokiu būdu erdvėlaivis galėtų sėdėti ant vienos iš paprastų ar purškiamų dažų krumpliaračių, kad padėtų dalyviui suprasti mūsų bendrą temą.

Orbita

Surinkus visas didelio masto krumpliaračius, Alicia panaudojo litavimo įrankius, kad suvirintų magnetinį jutiklį ir šviesos diodą. Mes nusprendėme įdėti 1 veikiantį šviesos diodą ir pastatėme jį šalia vidurinės pavaros. Kai po erdvėlaiviu buvo įdėti 3 stiprūs magnetai, norimas rezultatas įvyko! Mes turėjome šviesą! Tačiau, jei po krumpliaračiais būtų kitų magnetų (kad jie būtų laikomi vertikaliai), tai trukdytų magneto jutikliui. Todėl nusprendėme, kad dizainas turi likti kaip stalo versija.

Juodoji menulio pusė

Pagrindiniai iššūkiai, su kuriais susidūrėme šioje bendradarbiavimo iteracijoje, buvo pjovimo lazeriu ir baterijų technologijos apribojimai. Projektavimo failas, 3D spausdinimo erdvėlaiviai ir rankinis surinkimas (stebėtinai paprasta naudoti tradicinius įrankius, tokius kaip grąžtai, rankinis pjūklas, klijai ir spaustukai). Jei kas nors galėtų iš naujo sukurti šį kūrinį, pagrindinis iššūkis būtų jiems panaudoti matematiką, kad būtų sukurtas idealiausias dizainas, kurį gali iškirpti lazeris. Mes taip pat kovojome su laiko apribojimu ir idealiu atveju norėtume artimiausiu metu peržiūrėti šį projektą, kad galėtume toliau plėsti šią koncepciją.

Įrankiai ir technologija

Norėdami ištikimai sukurti šį projektą, jie turėtų turėti pagrindinių žinių apie projektavimo procesą, matematiką, kaip naudoti AI ir teisingai nustatyti, kad lazerinis failas būtų supjaustytas. Be to, jiems reikės tam tikro pagrindinio elektros supratimo (LED, magnetinio jutiklio ir litavimo). Jiems reikės patekti į gerai vėdinamą vietą dažymui purškiant ir pagal užsakymą projektuojant šias krumpliaračius. Erdvėlaiviui spausdinti buvo naudojamas „Taz Lulzbot 6“kartu su „PLA Village Plastics“siūlais (tiks bet kokia spalva, nes taip pat galite purkšti dažus). Galiausiai jiems reikės pagrindinių žinių, kaip naudoti grąžtą ir rankinį pjūklą, kad būtų galima iškirpti tinkamus kiekvieno LED ir magnetinio jutiklio skylių matmenis (tai reikia atidžiai išmatuoti, nes jutiklis nėra labai stiprus ir jį reikia įdėti) arti magneto). Galiausiai, jei norite ištikimai atkurti šį projektą, jums taip pat reikės šiek tiek susirinkimo vietos!

Milžiniškas šuolis žmonijai

Mes pasiekėme MARS! Tik juokauju! Naudodami skaitmeninius gamybos metodus, mes sugebėjome sukurti matematinę pavarų sistemą ir pagaminti iš medžio ir akrilo (tokiu greičiu, kokiu reikia užsidėti astronauto šalmą). Tai nebūtų buvę įmanoma be „Adobe Illustrator“failų technologijos ir pjovimo lazeriu. Lazeriai yra labai tikslūs ir greiti. Tai, ko būtų buvę neįmanoma pasiekti vien naudojant tradicinius gamybos įrankius. Nors tradiciniai metodai nebuvo naudojami pagrindiniame gamybos procese, jie tapo nepaprastai svarbūs galutiniame surinkime ir technologijų įtraukime.

Visas garas priešais

Švietimo požiūriu, ši planetinė pavarų sistema įtraukė visus mokymosi iš darbo pagrindus. Žaidimas atlieka svarbų vaidmenį galutiniame produkte, kad jis būtų patrauklus vartotojams. Tačiau vienas iš pagrindinių šio projekto naudos gavėjų yra Švietimas. Šis projektas gali išmokyti praktinių įgūdžių, pradedant matematika, inžinerija, erdviniu mąstymu ir elektroniniais ciklais. Tai gali suteikti studentams galimybę pamatyti, kaip matematika jungiasi prie fizinio pasaulio ir kaip mechaniniai procesai (pvz., Pjovimas lazeriu) priklauso nuo tikslių skaičiavimų. Galiausiai studentai turi galimybę pritaikyti kūrybiškumą ir vaizduojamąjį meną dažų, spalvų, koliažo pridėjimo procesui, kad patikslintų savo dizainą. Tai taip pat leidžia jiems sukurti interaktyvią mokymosi aplinką, palaikančią STEAM klasėje. STEAM yra įtrauktas į visus šio projekto kūrimo kriterijus, veiksmingai įtraukiant:

Mokslas

Technologijos

Inžinerija

Menai

Matematika

Pastaruoju metu daug metų buvo stengiamasi gerinti žiniasklaidos priemonių naudojimo raštingumą ir ugdyti moksleivius nuo 1 klasės. Kaip rodo Ontarijo mokymo programa, kuriant studentų (K-12) meilę mokytis, svarbu turėti tarpmokyklines švietimo galimybes. Šis projektas yra apgalvotas požiūris į problemų sprendimą, bendradarbiavimą, atviro kodo praktinį mokymąsi, kurio reikia daugelyje Ontarijo mokymo programos dalykų ir už jos ribų!

Neribotas žvaigždynas

Galiausiai svarbu pripažinti, kad šį dizainą būtų galima gerokai patobulinti kitų žmonių rankose. Tai reiškia, kad nors visi komponentai yra rasti čia, vis dar yra daug modifikavimo ir pakartotinio sumaišymo. Bendradarbiaujant šis dizainas turi neribotą potencialą. Tai puikus pradinis projektas visiems, norintiems pritaikyti STEAM savo mokymosi praktikoje. Kadangi dizainas grindžiamas matematika, jį galima keisti, keisti ir pertvarkyti daugelyje skirtingų žvaigždynų. Šis projektas skatina idėją, kad nėra vieno kūrimo būdo.

1 žingsnis: surinkite

Ar galite išspręsti šį galvosūkį?

2 žingsnis: „Gears“sukūrimas

Naudodamiesi nuorodų skyriumi, kurį galite rasti žemiau, mes jums suteikėme įrankius krumpliaračiams generuoti. Yra dvi svetainės, viena skirta tik matematiniams brėžiniams, o kitoje svetainėje aptariamos skirtingos medžiagos ir variantai, jei reikėjo patiems pjaustyti pavaras.

Tai yra svarbu planuojant ir kuriant failą lazeriniam pjovimui, nes jie padės apsvarstyti medžiagas ir suprasti, kaip dirbti su nedideliais nenumatytais variantais.

Moksliniai tyrimai, garsėjantys bendromis žiniomis, Matthias kartojamas daugelyje pavarų projektų, nes jis pateikia supaprastintą informaciją apie tai, kaip rankiniu būdu pjaustyti pavaras. Jis taip pat pateikia pagrindinės informacijos, kad galėtumėte pradėti savo projektą su geru pagrindu. Tai būtina norint sukurti veikiančią sistemą ir problemų sprendimo įgūdžius, kad vėliau būtų galima išspręsti triktis. Žemiau pateiktą žodynėlį sukūrė ir pateikė: [email protected]

3 žingsnis: tarpas tarp dantų

Milimetrų skaičius nuo vieno danties iki kito, išilgai pikio skersmens.

1 krumpliaračio dantys: krumpliaračio krumpliaračių skaičius. Rodydamas dvi pavaras valdo kairę pavarą. Įveskite neigiamą žiedinių pavarų vertę.

Stovas ir krumpliaratis: pakeiskite 1 pavarą į linijinę pavarą (stovą). Taip pat galite paversti kitą pavarą stovu, įvesdami „0“dantų skaičiui.

Išmatuotas atstumas (mm): Atspausdinus bandomąjį puslapį, išmatuokite atstumą tarp eilučių, pažymėtų „tai turėtų būti 150 mm“. Jei jis nėra 150 mm, įveskite vertę į šį lauką, kad kompensuotumėte spausdintuvo mastelį. Kitas spaudinys turi būti tinkamo dydžio.

Kontaktinis kampas (deg): krumpliaračių slėgio kampas. Jei krumpliaračiai turi mažesnį dantų skaičių, nustatykite jį šiek tiek didesnį, kad gautumėte daugiau nuožulnių dantų, kurie mažiau įstrigtų.

2 krumpliaratis: dešinėje esančios krumpliaračio krumpliaračių skaičius, jei jis pateiktas. Žymimasis laukelis valdo, ar pateikiama viena ar dvi pavaros.

Dvi pavaros: spausdinant šablonus padeda parodyti tik vieną pavarą.

Stipinai: parodykite pavarą su stipinais. Smaigiai rodomi tik krumpliaračiams su 16 ir daugiau dantų.

4 žingsnis: matematika

Radau žemiau esančią lygtį, kuri padės sudaryti pavarų išdėstymą ir nustatyti, ar krumpliaračiai veiks ir dera tarpusavyje.

R, S ir P pažymėkite krumpliaračių dantų skaičių.

Pirmasis planetinės pavaros suvaržymas yra tas, kad visi dantys turi tą patį žingsnį arba atstumą tarp dantų. Tai užtikrina, kad dantys sujungiami. Tai, ką aš padariau, sudarė 3 atskiros pusės, kurios turėjo tą patį žingsnį, bet neatitiko viena kitos, todėl krumpliaračiai visada buvo sulygiuoti, bet kitokio modelio. Antrasis apribojimas yra: R = 2 × P + S

Tai reiškia, kad žiedinių krumpliaračių dantų skaičius yra lygus vidurinės saulės krumpliaračio dantų skaičiui plius dvigubai daugiau planetų krumpliaračių. To pavyzdys būtų 30 = 2 × 9 + 12. Arba galite apsilankyti krumpliaračių generavimo svetainėje adresu https://geargenerator.com arba

5 veiksmas: SVG failai ir iliustratorius

Jei importuojate failą iš pavarų generatoriaus ir nesukūrėte „Illustrator“, dirbdami su iliustratoriaus SVG failais turėsite vadovautis toliau pateiktomis instrukcijomis.

„Illustrator“pateikia numatytąjį SVG efektų rinkinį. Galite naudoti efektus su numatytosiomis ypatybėmis, redaguoti XML kodą, kad sukurtumėte pasirinktinius efektus, arba rašyti naujus SVG efektus.

Norėdami importuoti SVG failą į „Illustrator“:

Pasirinkite Efektas> SVG filtras> Importuoti SVG filtrą.

Pasirinkite SVG failą, iš kurio norite importuoti efektus, ir spustelėkite Atidaryti.

Norėdami manipuliuoti SVG failu „Illustrator“: pasirinkite objektą ar grupę (arba nukreipkite sluoksnį į sluoksnių skydą).

Atlikite vieną iš šių veiksmų: Norėdami pritaikyti efektą pagal numatytuosius nustatymus, pasirinkite efektą apatiniame meniu Efektas> SVG filtrai submeniu.

Norėdami pritaikyti efektą naudodami pasirinktinius nustatymus, pasirinkite Efektas> SVG filtrai> Taikyti SVG filtrą.

Dialogo lange pasirinkite efektą ir spustelėkite mygtuką Redaguoti SVG filtrą fx.

Redaguokite numatytąjį kodą ir spustelėkite Gerai.

Norėdami sukurti ir pritaikyti naują efektą, pasirinkite Efektas> SVG filtrai> Taikyti SVG filtrą.

Dialogo lange spustelėkite mygtuką Naujas SVG filtras, įveskite naują kodą ir spustelėkite Gerai.

Kai pritaikote SVG filtro efektą, „Illustrator“paveikslėlyje pateikia rastrinę efekto versiją. Galite valdyti šio peržiūros vaizdo skiriamąją gebą, pakeisdami dokumento rastravimo raiškos nustatymą.

6 veiksmas: išsaugokite failą

Eksportuokite failą kaip.eps arba.ai.

Eikite į nustatymus ir įsitikinkite, kad dirbate RGB režimu, o ne CMYK.

Tai galite pakeisti apsilankę:

Pasirinkite Failas -> Dokumento spalvų režimas -> RGB

Visos pjovimo linijos turi būti nurodytos naudojant raudonos mėlynos ir žalios linijas, kurių eiga sveria 0,01 taško

Lazeris spalvas interpretuos kaip užsakytas kirpimo linijas, veikiančias iš vidaus.

Pradedant raudona (RGB: 255, 0, 0), po to mėlyna (RGB 0, 0, 255) ir galiausiai žalia (RGB 0, 255, 0).

Pirmiausia reikia nupjauti visus vidinius pjūvius, todėl jie turi būti raudoni, o visi kiti pjūviai turi būti mėlyni, o galutiniai - išoriškai. Prieš pradėdami spausdinti, įsitikinkite, kad visos jūsų pavaros dera tarpusavyje ir nėra susikertančių linijų.

Jei jūsų krumpliaračiai atrodo netinkamai suformatuoti, galite grįžti į pavarų generatoriaus puslapį ir iš naujo įvertinti savo skaičiavimus.

Išsaugokite kaip.ai failus ir perkelkite į „Bosslaser“programą.

Ši programa taip pat leidžia jums valdyti savo failą. Šią programą galite naudoti norėdami nusiųsti failą tiesiai į lazerinį pjaustytuvą.

7 žingsnis: „Thingiverse“ir 3D spausdinimas

Kaip minėta pagrindinėje šio projekto schemoje, galite bet kada atsispausdinti savo 3D erdvėlaivius! Sugalvokite savo dizainą naudodami „ThinkerCAD“, „OpenSCADFusion360“arba „Rhino“arba eikite į „Thingiverse“ir raskite „Creative Commons“projektą, kurį norite spausdinti! Galbūt netgi galite pakeisti kai kuriuos failus, kad jie atitiktų jūsų unikalų dizaino iššūkį! Šie erdvėlaiviai buvo atspausdinti ant „Taz Lulzbot 6“su „PLA Village Plastics“didžiausiu greičiu (7 erdvėlaiviai užtruko mažiau nei 2 valandas).

8 žingsnis: „Reed Switch“LED grandinė

Nendrinis jungiklis yra elektromagnetinis jungiklis, kurį įjungia magnetas, atneštas į jo apylinkes.

Šioje grandinėje yra nendrinis jungiklis, LED ir 3 V maitinimo šaltinis iš 2 AA baterijų.

Šis projektas sudaro pagrindus nendrių jungiklių veikimui.

Žemiau esančioje schemoje galite suprasti, kur yra šviesos diodas ir jungiklis.

Akumuliatoriaus pakuotėje yra 2 juodos ir raudonos spalvos laidai. Juoda viela yra įžeminta, o raudona - maitinimas.

Raudona viela bus prilituota prie bet kurio nendrinio jungiklio galo.

Nendrinis jungiklis bus prilituotas prie ilgosios šviesos diodo + pusės. Šviesos diodas - trumpoji pusė bus lituojama, kad įžemintų juodą laidą, vedantį į akumuliatorių.

9 žingsnis: grandinės įtraukimas į plokštę

Svarbu išmatuoti atstumą, kuriuo magnetas turi būti savo jungiklyje. Be bandymų galite išgręžti skylę, esančią toli nuo jūsų magneto, tada jungiklis neveiks tinkamai. Dėl jūsų magneto stiprumo tarp „Reed“jungiklio ir magneto gali būti didesnis ar trumpesnis tarpas. Mes tai išmatavome, tada išgręžėme skylę šviesos diodui ir mūsų beržo plokštės jungiklio angą.

10 žingsnis: linksminkitės

Šiuo metu jūs padarėte daug sunkaus darbo. Atėjo laikas kūrybai!

Naudokite akrilinius (Molotow) purškiamus dažus, kad pasiektumėte kosmoso efektą tiek akrilui, tiek medienai. Naudokite bet kokias spalvas, tinkančias jūsų projektui. Būtinai dėvėkite apsaugines priemones (idealiu atveju-organinių garų pusės veido respiratorių arba kaukę), mūvėkite pirštines, kad apsaugotumėte rankas, ir VISADA dirbkite gerai vėdinamoje vietoje (niekada viduje!).

Leiskite krumpliaračiams išdžiūti maždaug 24 valandas prieš padėdami juos ant lentos, kad nesubraižytumėte dažų.

Taip pat galite purkšti dažais savo mažyčius erdvėlaivius!

11 žingsnis: Medžiagų ir kitų išteklių sąrašas

Čia yra išsamus medžiagų sąrašas ir kitos naudingos nuorodos:

Reed jungiklis

470Ω rezistorius

1 baltas LED

„Adobe“magnetas

„Illustrator CC“programa, skirta kurti vektorinius failus lazeriniam pjovimui

„Bosslaser“programa, skirta nustatyti failą lazerio pjovimo mašinai.

Vidutinio šlifavimo popierius.

1/8 Baltijos beržo fanera 48 colių ilgio x 27 colių aukščio x 2

1/8 colio skaidrus akrilas 48 colių ilgio x 27 colių aukščio x 1

Įvairių spalvų purškiami akriliniai dažai

Respiratorius su organine kasete

Pirštinės

Akumuliatorinis gręžtuvas (su įvairiais grąžtais)

Medienos klijai

Momentiniai klijai (erdvėlaiviams)

Cura-for Lulzbot

Tazas Lulzbotas 6

PLA kaimo plastiko siūlai

Naudingos nuorodos:

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…