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Serie: Aplicaciones en Diseño e Ingeniería – Sección 3

Poleav2.0

IntroducciónEsta lección Kid Spark STEM-Maker utilizará los siguientes pasos para aprender acerca de las poleas.

Elementos de una poleaPropósito de una poleaAplicaciones en la vida realCrear ventaja mecánica con las poleas

1. Aprender2. Construir& Modificar

3. Diseñar &Construir

Plan de Estudios

Construir un sistema de poleas fijaConstruir un sistema poleas movibleModificar el sistema de poleas de una ventaja mecánica de 2:1 a 3:1

Diseñar y construir una polea personalizada para resolver un desafío

Paquete del Plan de Estudios

o o

Objetivos del Aprendizaje

Comprender los elementos básicos de una polea.

Comprender cómo una polea redirige el movimiento y crea una ventaja mecánica.

Calcular la cantidad de ventaja mecánica en un sistema de poleas.

Modificar un sistema de poleas para aumentar la ventaja mecánica.

Diseñar y construir un sistema de poleas personalizado.

Recursos

Lab deLabSnapStack

*4 Estudiantes por Lab

AdvancedProjects Lab

*4 Estudiantes por Lab

RobóticaProgramable

*4 Estudiantes por Lab

Términos Principales

Máquina Simple: un dispositivo que transmite o modifica la fuerza o el movimiento.

Polea: una máquina simple que se compone de una rueda con un borde acanalado en el que al tirar de un cable puede cambiar la dirección de la tracción y así levantar una carga .

Ventaja Mecánica: la cantidad que una máquina multiplica la fuerza.

Fuerza: tirar o empujar.

Trabajo: usar una fuerza para mover un objeto a una distancia.

Esfuerzo: una fuerza aplicada a una máquina para hacer el trabajo.

Carga: el objeto o peso que se mueve o levanta.

2

2cm

18cm

9 Aberturas

6cm

3 Aberturas

2cm

2cm

Fundamentosde Construcción

Conceptos Básicos de Construcción Kid Spark

Los siguientes consejos serán de utilidad al utilizar el Sistema de Diseño e Ingeniería del Estudiante de Kid Spark.

Conexión/Separación de los ROK Blocks:

Los ROK Blocks usan un sistema de ajuste por fricción, pirámide y abertura para conectarse. Simplemente presione las pirámides en las aberturas para conectarse. Para separar los bloques, tire de ellos.

Conexión/Separación de los Componentes Kid Spark:

Los componentes Kid Spark más pequeños usan una pestaña y un sistema de abertura para conectarse. Coloque en ángulo una pestaña en la abertura, y luego insértela. Para separar el componente, inserte la llave en la ranura y gírela.

Ajuste Entre las Aberturas:

Las pestañas de los componentes Kid Spark también se pueden ajustar entre las aberturas para brindar un soporte estructural a un diseño. Esto también permitirá que ciertos diseños funcionen correctamente.

Colocar una Cuerda:

En algunos casos, puede ser necesario utilizar una cuerda en un diseño. Coloque una cuerda a través de la abertura e inserte cualquier componente Kid Spark con pestañas o pirámides en esa abertura. Asegúrese que las pestañas estén perpendiculares a la cuerda para lograr un ajuste ceñido.

Medición:

La dimensión exteriores de cada bloque conector Kid Spark es de 2 cm3. Esto significa que la longitud, profundidad y altura es de 2 cm cada una. Para determinar el tamaño de una construcción Kid Spark en centímetros, simplemente cuente la cantidad de aberturas y multiplique la cantidad por dos. Repita este proceso para la longitud, profundidad y altura.

En un solo sistema de polea fija (ejemplo 1), la cantidad de esfuerzo necesario para elevar la carga debe ser mayor que la carga misma. Por ejemplo, si la carga es de 45 kg, se necesitaría una fuerza superior a 45 kg para elevar la carga. Un sistema de polea fija solo se usa para redirigir el movimiento. Si un usuario tira de un extremo del Cable ( ), el otro extremo ( ) se elevará a la misma distancia en la dirección Esfuerzo Cargaopuesta.

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Propósitos

Redirigir el Movimiento

Crear Ventaja Mecánica

Aplicaciones en la Vida Real

Las poleas se utilizan de diferentes maneras para facilitar el trabajo. Aquí hay algunos ejemplos de la vida real.

Ejemplo 1 – Polea Fija

PoleaFija

Esfuerzo Carga

Ejemplo 2 – Polea Movible

Esfuerzo

Carga

Aparejo/Polipasto Pozo Grúa Mástil para Bandera Poleas de Banda

Rueda

Cable Eje

Aprender

La Polea

Una polea es una máquina simple que consiste en una rueda y un eje con una ranura acanalada en el borde que permite colocar un cable. La polea permite que el cable se ate a una carga y transfiere la tracción hacia abajo del cable para elevar la carga.

Las poleas se pueden usar para redirigir el movimiento o para reducir la cantidad de esfuerzo necesario para elevar una carga al crear una ventaja mecánica.

Las poleas se utilizan para reducir la cantidad de esfuerzo necesario para elevar una carga al crear una ventaja mecánica. Para crear una ventaja mecánica en un sistema de poleas, se debe unir una polea móvil directamente a la (ejemplo 2). Un sistema de Cargapolea móvil intercambia una mayor distancia para reducir el . esfuerzo

PoleaFija

PoleaMovible

Instrucciones

Siga las instrucciones paso a paso para construir un sistema de polea.

Construir& Modificar

4

4x Bloque

2x Travesaño

3x Medio Travesaño

2x Tarima

2

3x Travesaño

2x Medio Travesaño

3x Bloque de Un Broche

3

1x Bloque

3x Travesaño

1x Medio Travesaño

3x o Bloque de 60

3x oBloque de 30

1

5

3x Bloque

4x Travesaño

2x oBloque de 60

6x Bloque de Un Broche

2x Tarima

6

1x Bloque para Cuerda

5x Polea

4 5

Instrucciones

Siga las instrucciones paso a paso para construir un sistema de polea.

Construir& Modificar

6

7

4x Enganche de Remolque

Enganchec/separaciónde 5 Bloques

Enganche:Boca Arriba

Corte una cuerda de 40 cm de largo. Coloque cada extremo de la cuerda a través de los bloques de broche individuales como se muestra. Coloque una cuerda en la parte superior de los bloques conectores rojos y ajústelo. Una vez conectado, coloque un cuerda de pesas sobre poleas fijas.

2x Bloque

2x Rueda de Ajuste por Presión

2x Bloque de Un Broche

2x Bloque

2x Rueda de Ajuste por Presión

1x Polea

1x Bloque de Un Broche

Bloque para Cuerda

Enganches deRemolque Superiores

Peso 1

Peso 2

9

8

Instrucciones

Siga las instrucciones paso a paso para construir un sistema de polea.

Construir& Modificar

EnganchesMedio/Inferior:

Lado Derecho Arriba

Enganchesc/separación

de 10 Bloques

Ensamble dos pesos usando los componentes enumerados. Corte una cuerda de 50 cm de largo. Haga un nudo en un extremo de la cuerda y coloque el nudo en el bloque para cuerda para asegurarlo. Pase el otro extremo de la cuerda a través de las poleas fijas y la polea móvil (peso 2) como se muestra. Conecte la cuerda al peso 1 para asegurarla.

Nota: Ajuste la cuerda si es necesario para que cuando el peso 1 descanse sobre el marco, la parte superior del peso 2 esté nivelada con los enganches superiores.

7

Gire el sistema de poleas para que pueda probar el sistema de poleas fijas. Observe cómo los pesos se equilibran entre sí. Tire del Peso 1 ( ) y Esfuerzoobserve cómo el peso 2 ( ) se mueve la misma distancia en la dirección Cargaopuesta.

Peso 1 Peso 2

Polea Fija (Redirigir el Movimiento)

Polea Movible (Ventaja Mecánica)

Sistema de Poleas Fija

PoleaFija

Esfuerzo Carga

Movable Pulley System

Probar el Sistema de Poleas

Siga las instrucciones paso a paso para probar ambos lados del Modelo de Polea Kid Spark.

Construir& Modificar

PoleaFija

Polea Fija Polea Fija

CargaEsfuerzo

Gire el sistema de poleas hacia un lado con la polea móvil. Levante el Peso 1 ( ) hasta que la parte superior esté nivelada con enganches superiores. EsfuerzoEn este punto, el Peso 2 ( ) debe estar parejo con el enganche de en Cargamedio. Suelte el Peso 1 ( ) y observe cómo es capaz de elevar el Peso 2 Esfuerzo( ) a los enganches superiores.Carga

PoleaFija

Esfuerzo

Carga

PoleaFija

PoleaMovible

Peso 1

Peso 2Carga

Esfuerzo

EnganchesSuperiores

EngancheMedio

EngancheInferior

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Comprender la Ventaja Mecánica

El objetivo principal de una máquina simple es facilitar el trabajo. Esto significa redirigir el movimiento o crear una ventaja mecánica. La ventaja mecánica existe cuando la fuerza de salida de una máquina es mayor que la fuerza de entrada que se le aplicó. Para lograr esto, la máquina debe cambiar un mayor tiempo o distancia por un menor esfuerzo.

Calcular la Ventaja Mecánica

El cálculo de la ventaja mecánica en un sistema de poleas se puede hacer dividiendo la distancia que recorre el esfuerzo entre la distancia que recorre la carga. Si el sistema de poleas tiene una polea móvil, la cantidad de cuerdas conectadas a la polea móvil también se puede utilizar para determinar la ventaja mecánica.

Modificar: Sistema de PoleasAhora que han construido un sistema de poleas que tiene una ventaja mecánica de 2:1, modifique ligeramente el sistema para aumentar la ventaja mecánica a 3:1.

Sistema de Polea Móvil

Sistema de Poleas Fijas

Sistemas de Polea Movible

=

Sistema de Polea Fija

Sistema de Polea Movible

Weight 1(Effort)

Weight 2(Load)

Esfuerzo – 20 cm

Carga – 10 cm= 2 = 2

2 cuerdasconectas a lapolea movible

10 cm

10 cm

Fórmula de Distancia

Distancia que recorre el esfuerzo

Distancia que recorre la carga

VentajaMecánica =

Construir& Modificar

Peso 1 Peso 2CargaEsfuerzo

Peso 2Carga

Peso 1Esfuerzo

VentajaMecánica

Cantidad decuerdas

conectadas a la polea movible

En el sistema de poleas fijas, si se jala ha abajo el Peso 1 ( ), entonces el Esfuerzopeso 2 se elevará la misma distancia en dirección opuesta. Divida 8/8 y esto dará una ventaja mecánica de 1:1. Esto significa que por cada unidad de medida que recorre el , la recorrerá una unidad de medida igual en sentido esfuerzo cargaopuesto. Esto demuestra que no hay ventaja mecánica en un sistema de polea fija. Para elevar uno de los pesos, sería necesario un esfuerzo o una masa extra para superar la masa de la carga.

En el sistema de polea móvil, Peso 1 ( ) recorre una distancia de 10 bloques Esfuerzo(20 cm). El Peso 2 ( ) se desplaza una distancia de 5 bloques (10 cm). Divida Carga20/10, esto dará una ventaja mecánica de 2:1. Esto significa que por cada dos unidades de medida que recorre el esfuerzo, la carga se desplazará una unidad de medida en la dirección opuesta. Hay dos cuerdas conectadas a la polea móvil en este ejemplo, que también confirma que este sistema de polea tiene una ventaja mecánica de 2:1. Este sistema de polea es capaz de dar salida a una fuerza mayor que la fuerza de entrada que se aplicó a la misma.

Proceso de Diseño e Ingeniería

Para desarrollar un diseño de alta calidad, los equipos trabajarán a través de cada paso del proceso de diseño e ingeniería. Los equipos deben registrar el avance en el libro de trabajo de ingeniería del estudiante.

El Proceso deDiseño &

IngenieríaKid Spark

Identificarel Desafío

Lluvia deIdeas &

Soluciones

Construirel Prototipo

Prueba &Mejora del

Diseño

Explicar elDiseño

9

1x Tarima

1xBloque

4x 1x Ménsula

1x

Ensamble del Go-CartDiseño Breve: Escenario

Acaba de heredar de su tío un go-cart motorizado. Está en buen estado, pero necesita un cambio de aceite antes de conducirlo. El tapón de drenaje para el aceite está por debajo del chasis del go-cart por lo que es difícil cambiar el aceite mientras está en el piso.

Desafío de Diseño e Ingeniería

Especificaciones & Desafíos Secundarios

Desafío de Diseño e Ingeniería: Sistema de PoleasEn este desafío, cada equipo debe diseñar y construir un sistema de poleas personalizado. Lean cuidadosamente el siguiente resumen de diseño, y utilicen el Proceso de Diseño & ingeniería para desarrollar una solución para el desafío.

Diseñar &Construir

Su desafío es diseñar y construir un sistema de poleas que pueda subir y bajar un go-cart para hacerle el mantenimiento de rutina.

Rueda de Ajustepor Presión

Bloque deUn Broche

1. Los equipos pueden trabajar en grupos hasta cuatro integrantes para completar este reto.

2. Los equipos deben trabajar en cada paso del Proceso de Diseño & Ingeniería Kid Spark para diseñar, crear el prototipo y afinar un sistema de poleas personalizado. Los equipos serán responsables documentar la información por escrito en el libro de trabajo de ingeniería del estudiante.

3. Desafío Secundario: El sistema de poleas debe elevar el go-cart por lo menos a 18 cm del suelo.

4. Desafío Secundario: El sistema de poleas debe poder bajar cuidadosamente el go-cart hasta el nivel del suelo.

5. Desafío Secundario: El sistema de poleas debe contar con un pasador de seguridad para mantener la cuerda o el cable en su lugar mientras se trabaja.

6. El sistema de poleas debe ser estéticamente atractivo.

7. Desafío Secundario: El sistema de poleas debe crear una ventaja mecánica.

8. Con cada componente de construcción con un costo de $2, el sistema de poleas debe costar menos de $120.(Los componentes del go-cart no cuentan en el presupuesto de $120).

9. Cada equipo debe explicar de manera efectiva todos los aspectos de la lluvia de ideas, creación de prototipos, pruebas y mejora del sistema de poleas. Los equipos también serán responsables de explicar cómo funciona el sistema de poleas y cómo crea una ventaja mecánica.

Proceso de Diseño e Ingeniería Libro de Trabajo de Ingenieríadel Estudiante

Evaluación del DesafíoCuando los equipos hayan completado el desafío de diseño e ingeniería, se debe presentar al maestro y a los compañeros de clase para su evaluación. Se calificará a los equipos según los siguientes criterios:

Diseñar &Construir

1055-01191-200#HV

Especificaciones: ¿El diseño cumple con todas las especificaciones como se indica en el resumen del diseño?

Funcionamiento: ¿Qué tan bien funciona el diseño? Funciona de manera consistente?

Colaboración del Equipo: ¿Qué tan bien trabajó el equipo? ¿Cada alumno puede describir cómo contribuyeron?

Calidad/Estética del Diseño: ¿El diseño es de alta calidad? ¿Es estructuralmente fuerte, atractivo y bien proporcionado?

Costo del Material: ¿Cuál fue el costo total del diseño? ¿El equipo pudo mantenerse dentro o por debajo del presupuesto?

Presentación: ¿Qué tan bien comunicó el equipo a los demás todos los aspectos del diseño?

Especificaciones

Funcionamiento

Colaboración en Equipo

Calidad/Estéticadel Diseño

Cumple todas lasespecificaciones

No cumple con lasespecificaciones

Cumple algunasespecificaciones

Cumple con la mayoríade las especificaciones

El diseño funcionaconsistentemente bien

No cumple con lasespecificaciones

El diseño funcionaparcialmente

El diseño funciona bienen general

Cada miembro delequipo contribuyó

El equipo no trabajójunto

Algunos miembros delequipo contribuyeron

La mayoría de losmiembros del equipocontribuyeron

Excelentediseño/estética

Diseño/estéticapobre

Diseño/estéticapromedio

Buendiseño/estética

En Presupuesto($120 o Menos)

Muy por Encima delPresupuesto (+$141)

Por Encima delPresupuesto($130 – $140)

Ligeramente Arriba delPresupuesto($120 – $130)

Excelente presentación/bien explicada

No hubo presentación/explicación

Presentación/explicación regular

Buena presentación/bien explicada

Costo delMaterial

Presentación

Puntos

Total de Puntos

Avanzado5 Puntos

Eficiente4 Puntos

/30

Guía deCalificación

Parcialmente Eficiente3 Puntos

No Fue Eficiente0 Puntos