Full STEAM Endavant! fins a Infinity & Beyond: 11 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Una col·laboració entre Alicia Blakey i Vanessa Krause

Qui és Fibonacci?

Basant-nos en el disseny d’Alicia (els engranatges planetaris niats) vam decidir col·laborar per intentar crear un sistema de treball d’engranatges que es pugui mostrar en posició vertical. Idealment, volem que el nostre públic se senti còmode i obligat a interactuar amb aquest disseny. En utilitzar una varietat de mètodes descrits en aquest document, parlarem del procés de disseny i de com hem lluitat per qüestions matemàtiques, lògica i opcions materials.

Bin-it

Demanar ajuda als nostres germans matemàtics: el meu germà Joey em va enviar una fórmula de Binet … sense cap explicació sobre com utilitzar-la. Quan li vaig enviar un missatge de text i li vaig dir "Ei Joey, em podries explicar?" al que va respondre: "Quina part?"

Com que no tinc cap inclinació matemàtica, vam demanar al germà d’Alicia, Merrick, que expliqués com es podria aplicar la fórmula per fabricar els engranatges de nidificació. Va passar uns deu minuts resolent-ho, va respondre amb "sí, funciona" i després va dir "he de marxar" i no ens va deixar cap resposta ni cap fórmula traduïda.

Hem passat 30 minuts més buscant una resposta a la nostra consulta …

Internet té respostes

Per anar més enllà de la barrera Binet, vam decidir buscar Internet per obtenir respostes i suggeriments per resoldre el nostre enigma. Hem trobat diversos llocs que poden crear engranatges compatibles.

Alguns d'aquests llocs són:

Generador d'engranatges planetari

Gear Catalyst

Un cop vam tenir aquests generadors d'engranatges per ajudar-nos amb els aspectes matemàtics d'aquest projecte, ens vam instal·lar a Adobe Illustrator per crear versions de línies d'aquests engranatges. Alicia es va centrar a fer que cada equip fos compatible amb els talladors làser del centre RP 100 McCaul. Vam decidir utilitzar fusta contraxapada de Baltic Birch ⅛”per al tall inicial, per garantir que les matemàtiques estiguessin alineades correctament. Alicia va fabricar més de tres petites maquetes de com podrien ser aquests engranatges. Amb cada iteració, hi havia problemes amb el tallador làser que treia massa o massa els sistemes d’engranatges petits, de manera que ja no s’enclavaven i giraven (feia servir tant acrílic com contraxapat (⅛”). Aquest procés era frustrant, però ens va ajudar a adonar-nos de les limitacions del tall amb làser per a aquest projecte.

El professor ho sap millor

L’Alicia i jo som molt tossuts i decidits a resoldre l’enigma dels engranatges niats. Estava disposat a conformar-me amb engranatges planetaris entrellaçats, però, Alicia necessitava respostes. En un últim intent de trobar consol amb les matemàtiques, Alicia es va posar en contacte amb un professor retirat de la Queen's University. Va explicar que per mesurar fàcilment les distàncies entre cadascun dels engranatges, hauria de dividir i mesurar 37 segments. Això permetria que totes les dents s’alineessin correctament. En dedicar el temps a resoldre l’enigma, encara hi havia un petit problema matemàtic amb l’alineació. Ens vam fixar en els engranatges planetaris, atesa la nostra limitació temporal.

Enlairar

Mentre Alicia resolia problemes matemàtics profunds, em vaig centrar en la impressió de naus espacials en 3D. Això va ajudar a consolidar el tema general i també va donar a la nostra peça una qualitat interactiva més acollidora. En utilitzar Thingiverse, vaig poder trobar un divertit disseny de nau espacial retro (creat per cerberus333). Aquest disseny em va permetre modificar l’escala perquè fos molt més petita. En afegir la nau espacial, el nostre públic podrà aguantar-la, mentre els engranatges giren junts. Aquesta era una solució molt senzilla per fer la peça més acollidora per als altres. Basat en la naturalesa de codi obert de Thingiverse, qualsevol persona que tingui un ordinador i tingui accés a una impressora 3D pot crear aquest objecte per si mateix. La impressió també va ser relativament ràpida (van trigar menys de 2 hores a imprimir 7 naus espacials). Només hem acabat fent servir 3 o les 7 còpies impreses.

Dispara a la lluna …

Basant-nos en la idea de disseny inicial, Alicia i jo volíem crear engranatges planetaris amb moltes llums LED incrustades que serien activats pels nostres imants (units a la part posterior de cada engranatge) perquè el model pogués estar en posició vertical i il·luminar cada "estrella". sistema mentre gira. Alicia va anar a Home Hardware i va comprar el circuit LED de commutació Reed i els sensors magnètics. He utilitzat un trepant i una serra manual per fer l’obertura correcta perquè el sensor LED i magnètic s’adaptés al tauler de fusta contraxapada. Més tard ens vam adonar que els paquets de bateries comprats a Home Hardware a College i Spadina eren realment defectuosos i només s’encenien una bombeta LED quan passava l’imant.

Més que un simple vandalisme

Per a aquest projecte, també volia aplicar algunes tècniques creatives. Tot i que els engranatges de fusta i acrílic eren bells per si sols, els mancava un tema comú amb les naus espacials. Vaig decidir utilitzar la pintura en pols acrílic Molotow per crear un motiu de galàxia per als sistemes d'engranatges. Tot i que teníem previst pintar amb esprai tota la pissarra, ens vam trobar amb la petita escala de la cabina de polvorització situada al Maker Lab de les nostres instal·lacions de postgrau. Basant-nos en aquesta limitació de mida, vam decidir pintar amb esprai els engranatges de manera asimètrica. D’aquesta manera, la nau espacial podria asseure’s sobre un dels engranatges simples o pintats amb esprai per ajudar el participant a entendre el nostre tema general.

Bitrbita

Un cop muntats tots els engranatges a gran escala, Alicia va utilitzar les eines de soldadura per soldar el sensor magnètic i el LED. Vam decidir la col·locació de l’1 LED de treball i el vam situar a prop de l’engranatge central. Quan es van col·locar 3 imants forts a sota de la nau espacial, es va produir el resultat desitjat. Teníem llum! Tanmateix, tenir altres imants sota els engranatges (per mantenir-los en posició vertical) hauria interferit amb el sensor d’imants. Per tant, vam decidir que el disseny havia de romandre com a versió de sobretaula.

El costat fosc de la lluna

Els principals reptes que vam afrontar en aquesta iteració col·laborativa van ser les limitacions del tall per làser i la tecnologia de la bateria. El fitxer de disseny, naus espacials d’impressió 3D i muntatge manual (va ser sorprenentment fàcil d’utilitzar eines tradicionals com ara broques, serra manual, cola i pinces). Si algú recrea aquesta peça, el principal repte seria que utilitzin les matemàtiques per traçar el disseny més ideal que pot tallar el làser. També hem lluitat amb la limitació de temps i, idealment, ens agradaria tornar a revisar aquest projecte en un futur proper per continuar ampliant aquest concepte.

Eines i tecnologia

Per crear aquest projecte fidelment, haurien de tenir coneixements bàsics sobre el procés de disseny, matemàtiques, com utilitzar la IA i configurar-los correctament perquè es talli un fitxer làser. A continuació, necessitarien una comprensió bàsica de l’electricitat (LED, sensor magnètic i soldadura). Necessitaran accés a una zona ben ventilada per pintar en aerosol i dissenyar a mida aquests engranatges. Es va utilitzar un Taz Lulzbot 6 per imprimir la nau espacial, juntament amb el filament PLA Village Plastics (farà qualsevol color, ja que també podeu pintar-los amb esprai). Finalment, necessitaran coneixements bàsics sobre com utilitzar un trepant i una serra manual per tallar les dimensions adequades dels forats de cada sensor LED i magnètic (cal mesurar-lo acuradament, ja que el sensor no és molt fort i s’ha de col·locar a una distància propera de l’imant). Finalment, si voleu recrear fidelment aquest projecte, també necessiteu un muntatge.

Un salt gegant per a la humanitat

Hem arribat a MARS! Només feia broma! Mitjançant l’ús de mètodes de fabricació digital, vam poder crear un sistema d’engranatges matemàtics i fer de fusta i acrílic (en la velocitat que es necessita per posar el casc d’astronauta). Això no hauria estat possible sense la tecnologia dels fitxers Adobe Illustrator combinada amb el tall per làser. Els làsers són extremadament precisos i ràpids. Una cosa que hauria estat impossible d’aconseguir només amb les eines de fabricació tradicionals. Tot i que no es van utilitzar mètodes tradicionals en el procés principal de fabricació, van esdevenir extremadament importants en el muntatge final i la inclusió de la tecnologia.

VAPOR complet per davant

Des del punt de vista educatiu, aquest sistema d’engranatges planetaris incorpora tots els fonaments de l’aprenentatge fent. La gamificació té un paper important en el producte final perquè sigui atractiu per als usuaris. Tot i això, un dels principals beneficiaris d’aquest projecte és Educació. Aquest projecte pot ensenyar habilitats pràctiques, començant per matemàtiques, enginyeria, raonament espacial i cicles electrònics. Pot donar als estudiants l'oportunitat de veure com les matemàtiques es connecten amb el món físic i com els processos mecànics (com el tall amb làser) depenen de càlculs precisos. Finalment, els estudiants tenen l’oportunitat d’aplicar la creativitat i les arts visuals al procés d’afegir pintura, color i collage per especificar el seu disseny. També els permet crear un entorn d’aprenentatge interactiu que doni suport a STEAM a l’aula. STEAM s’inclou en tots els criteris de creació d’aquest projecte mitjançant la incorporació efectiva de:

Ciència

Tecnologia

Enginyeria

Arts

Matemàtiques

Hi ha hagut un impuls recent en els darrers anys per millorar l’alfabetització i el desenvolupament mediàtic en estudiants tan petits com a primer any. Com suggereix el currículum d’Ontario, tenir oportunitats transversals d’educació és important per construir l’amor per l’aprenentatge dels estudiants (K-12). Aquest projecte és un enfocament conscient de la resolució de problemes, la col·laboració i l'aprenentatge pràctic de codi obert que es necessita en moltes assignatures del currículum d'Ontario i més enllà.

Constel·lacions il·limitades

Finalment, és important reconèixer que aquest disseny es podria millorar en mans d'altres persones. Això vol dir que, tot i que aquí es troben tots els components, encara hi ha moltes modificacions i remescles possibles d’aquest disseny. Treballant en col·laboració, aquest disseny té un potencial il·limitat. És un gran projecte d'inici per a qualsevol persona interessada a aplicar STEAM a la seva pròpia pràctica d'aprenentatge. Com que el disseny es basa en matemàtiques, es pot canviar, alterar i refer en moltes constel·lacions diferents. Aquest projecte promou la idea que no hi ha una manera única de fer.

Pas 1: Bin It

Pots resoldre aquest trencaclosques?

Pas 2: Generació de Gears

Utilitzant la secció de referències que es pot trobar a continuació, us hem proporcionat eines per generar engranatges. Hi ha 2 llocs web, un exclusiu de plànols matemàtics i l’altre discuteix els diferents materials i variacions si haguéssiu de tallar els engranatges vosaltres mateixos.

Tots dos són importants a l’hora de planificar i construir el fitxer per tallar amb làser, ja que us ajudaran a tenir en compte els materials i entendre com treballar dins de les construccions de lleugeres variacions imprevistes.

Recerca Infame pel seu coneixement compartit Matthias es fa ressò en molts projectes d’engranatges perquè proporciona informació simplificada sobre com tallar-se els vostres propis engranatges a mà. També proporciona informació general perquè pugueu començar el vostre projecte amb una bona base. Això és essencial per tal de generar un sistema que funcioni i habilitats de resolució de problemes per resoldre problemes posteriorment. El següent glossari proporcionat és creat i proporcionat per: [email protected]

Pas 3: espaiat de dents

Nombre de mil·límetres d'una dent a la següent, al llarg del diàmetre del pas.

Dents de l’engranatge 1: nombre de dents de l’engranatge que s’han de renderitzar per a l’engranatge. Controla l’engranatge esquerre quan es mostren dues marxes. Introduïu el valor negatiu per a les engranatges anellades.

Cremallera i pinyó: canvieu l’engranatge 1 per un engranatge lineal (cremallera). També podeu fer de l’altre engranatge un bastidor introduint “0” per al recompte de dents.

Distància cal mesurada (mm): després d'imprimir una pàgina de prova, mesureu la distància entre les línies marcades com "ha de ser de 150 mm". Si no és de 150 mm, introduïu el valor en aquest camp per compensar l'escala de la impressora. La següent impressió ha de tenir la mida correcta.

Angle de contacte (deg): angle de pressió dels engranatges. Per als engranatges amb un nombre menor de dents, ajusteu-lo una mica més per obtenir dents més inclinades que tinguin menys probabilitats de bloquejar-se.

Engranatge de 2 dents: nombre de dents de l’engranatge de la dreta, si estan representades. La casella de selecció controla si es representen un o dos engranatges.

Dos engranatges: en imprimir plantilles, ajuda a mostrar només un engranatge.

Raigs: mostra l’engranatge amb els radis. Els ràdios només es mostren per a engranatges de 16 o més dents.

Pas 4: Matemàtiques

Vaig trobar l'equació següent per ajudar a construir la meva disposició d'engranatges i per determinar que els engranatges funcionaran i encaixaran.

Indiqueu R, S i P com el nombre de dents dels engranatges.

La primera limitació perquè un engranatge planetari funcioni és que totes les dents tenen el mateix pas o espaiat entre dents. Això garanteix que les dents es mallen. El que vaig fer va ser formar tres costats separats que tenien el mateix to però que no coincidien de manera que els engranatges sempre estiguessin alineats però amb un patró diferent. La segona restricció és: R = 2 × P + S

És a dir, el nombre de dents de l’engranatge de l’anell és igual al nombre de dents de l’engranatge solar mitjà més el doble del nombre de dents dels engranatges del planeta. Un exemple d'això seria 30 = 2 × 9 + 12. O podeu anar al lloc web de generació d'engranatges a https://geargenerator.com o

Pas 5: fitxers SVG i Illustrator

Si esteu important un fitxer del generador d'engranatges i no heu construït a Illustrator, haureu de seguir les instruccions següents per treballar amb fitxers SVG a Illustrator.

Illustrator proporciona un conjunt d'efectes SVG per defecte. Podeu utilitzar els efectes amb les seves propietats predeterminades, editar el codi XML per produir efectes personalitzats o escriure nous efectes SVG.

Per importar un fitxer SVG a Illustrator:

Trieu Efecte> Filtre SVG> Importa filtre SVG.

Seleccioneu el fitxer SVG des del qual voleu importar efectes i feu clic a Obre.

Per manipular el fitxer SVG a Illustrator: seleccioneu un objecte o un grup (o orienteu una capa al tauler Capes).

Feu una de les accions següents: Per aplicar un efecte amb la configuració predeterminada, seleccioneu l'efecte a la secció inferior del submenú Efecte> Filtres SVG.

Per aplicar un efecte amb configuracions personalitzades, trieu Efecte> Filtres SVG> Aplica el filtre SVG.

Al quadre de diàleg, seleccioneu l’efecte i feu clic al botó Edita el filtre SVG fx.

Editeu el codi per defecte i feu clic a D'acord.

Per crear i aplicar un efecte nou, trieu Efecte> Filtres SVG> Aplica filtre SVG.

Al quadre de diàleg, feu clic al botó Nou filtre SVG, introduïu el codi nou i feu clic a D'acord.

Quan apliqueu un efecte de filtre SVG, Illustrator mostra una versió rasteritzada de l'efecte a la taula de treball. Podeu controlar la resolució d’aquesta imatge de previsualització modificant la configuració de resolució de ràsterització del document.

Pas 6: desar el fitxer

Exporteu el fitxer com a.eps o.ai.

Aneu a la configuració i assegureu-vos que esteu treballant en mode RGB, NO CMYK.

Podeu canviar-ho anant a:

Seleccioneu Fitxer -> Mode de color del document -> RGB

Cal indicar totes les línies de tall mitjançant línies vermelles blaves i verdes amb un pes de traçat de.01pt

El làser interpretarà els colors com línies de tall ordenades que funcionen de dins cap a fora.

Començant per Vermell (RGB: 255, 0, 0) seguit de Blau (RGB 0, 0, 255) i, finalment, Verd (RGB 0, 255, 0).

Tots els talls interiors s’han de tallar primer i, per tant, han de ser de color vermell, amb qualsevol altre tall blau i els talls exteriors finals de color verd. Assegureu-vos que tots els engranatges encaixin i que no hi hagi línies que s’entrecreuin abans de configurar la impressió.

Si els vostres engranatges semblen que no tenen un format correcte, podeu tornar a la pàgina del generador d'engranatges i tornar a avaluar els càlculs.

Deseu com a fitxers.ai i transfereix-los al programa Bosslaser.

Aquest programa també us permet manipular el fitxer. Podeu utilitzar aquest programa per enviar el fitxer directament al tallador làser.

Pas 7: Thingiverse i impressió 3D

Com s’esmenta a l’esquema principal d’aquest projecte, podeu imprimir les vostres naus espacials en 3D en qualsevol moment. Creeu el vostre propi disseny mitjançant ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 o Rhino, o aneu a Thingiverse i trobeu un projecte creative commons per imprimir. Potser fins i tot podeu modificar alguns dels fitxers perquè s’adapti al vostre repte de disseny únic. Aquestes naus espacials es van imprimir en un Taz Lulzbot 6 amb PLA Village Plastics a la velocitat més alta (van trigar menys de 2 hores en 7 naus espacials).

Pas 8: Circuit LED de commutació de canya

Un interruptor de llengüeta és un interruptor electromagnètic que s’encén mitjançant un imant que es porta a les seves rodalies.

Aquest circuit incorpora un interruptor reed, LED i font d'alimentació de 3 V de 2 piles AA.

Aquest projecte constitueix els fonaments del funcionament dels interruptors reed.

Des de l'esquema següent es pot distingir on es col·loquen el LED i l'interruptor.

La bateria té 2 cables negre i vermell. El fil negre està a terra i el fil vermell és alimentat.

El cable vermell es soldarà als dos extrems del commutador de canya.

L'interruptor reed es soldarà al costat llarg + del LED. LED: el costat curt es soldarà a terra el fil negre que condueix a la bateria.

Pas 9: incorporació del circuit a la placa

És important que mesureu la distància que necessita l’imant per situar-se al vostre interruptor. Sense fer proves, podríeu practicar un forat que estigui molt lluny del vostre imant i l’interruptor no funcionarà correctament. La força del vostre imant significarà que hi pot haver un espai més ampli o més curt entre l’interruptor Reed i l’imant. Ho vam mesurar i vam perforar un forat per al LED i una obertura per a l’interruptor a la nostra taula de bedolls.

Pas 10: Diverteix-te

Heu fet molta feina en aquest moment. És hora de ser creatius!

Utilitzeu pintura en aerosol acrílic (Molotow) per aconseguir un efecte cosmos tant sobre l’acrílic com sobre la fusta. Utilitzeu els colors que s’adaptin al vostre projecte. Assegureu-vos de portar un protector (idealment un respirador de mitja cara de vapor orgànic o màscara), portar guants per protegir-vos les mans i treballar SEMPRE en una zona ben ventilada (mai a l’interior).

Deixeu assecar els engranatges durant unes 24 hores abans de col·locar-los a la pissarra per evitar ratllar la pintura.

També podeu pintar amb esprai les vostres petites naus espacials.

Pas 11: Llista de materials i altres recursos

Aquí teniu una llista completa de materials i altres referències útils:

Reed Switch

Resistència de 470Ω

1 LED blanc

Imant Adobe

Aplicació Illustrator CC per crear fitxers vectorials per tallar amb làser

Programa Bosslaser per configurar el fitxer de la màquina de tall per làser.

Paper de vidre de grau mitjà.

Fusta contraxapada de bedoll de 1/8 de 48 polzades de llarg x 27 polzades d'alt x 2

Acrílic transparent de 1/8 de 48 polzades de llarg x 27 polzades d'alt x 1

Pintura acrílica en aerosol de diversos colors

Respirador amb cartutx orgànic

Guants

Broca sense fil (amb diverses broques)

Cola de fusta

Cola instantània (per a naus espacials)

Cura-per a Lulzbot

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastic Filament

Referències útils:

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, -563

demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlan…

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