Проект ветровой турбины

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:

1. Представьте проект и покажите учащимся OpenSCAD. Покажите им, как изменить переменные и отобразить модель.
2. Разрешите учащимся поиграть, чтобы они могли определить, что делает каждая переменная.
3. 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.
4. Учащиеся в группах рассказывают классу и обсуждают, что они хотят изменить.
5. 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.
6. Распечатайте. Принтеру требуется 3-4 часа, чтобы распечатать полный набор лопастей, т.е. 3 каждого вида или 5 выбранных дизайнов.
7. Подчистите и смонтируйте лезвия в ступицы.
8. 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.
9. Учащиеся создают график для своих данных и записывают уравнение, используя функцию регрессии на своих калькуляторах.
10. Учащиеся делятся данными, графиками и математическими моделями с классом.
11. Учащиеся в группах используют все данные для разработки «оптимальной» лопасти ветровой турбины
12. 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

Источник