Robotická stavebnice FISCHERTECHNIK Mechanic + static - 93291 Stroje kolem nás Kdo dnes přenáší ručně těžké náklady? Kdo vrtá díry do zdí čistě jen silou svalů? Kdo stále pere prádlo na valše? Skoro nikdo. Lidé vynalezli mnoho zařízení, která jim usnadňují život. To začalo mlýnem, pokračovalo přes proudová letadla a skončilo počítači. Stroje mohou:
Příklady:
Převážet náklady
Nákladní automobily, jeřáby, rypadla a další
Zpracovávat materiály
Měchač těsta, míchačka na beton, mixér a další
Přeměňovat elektrickou energii na pohybovou Elektrický motor Zpracovávat údaje
Kalkulačka, počítač a další
Co je to mechanika? Mechanika má co do činění s účinky a silami, které ovlivňují pevná i pohyblivá tělesa. Mechanika se dělí na různá odvětví, jako statika, dynamika, kinetika nebo termodynamika. My se omezíme na dvě oblasti: dynamiku a statiku. I v minulosti vědci zkoumali mechaniku. Staří stavitelé katedrál stavěli vyšší a vyšší kostely, které posouvaly experimenty s rovnováhou sil až k limitům. Dnes stavební inženýři peovádí výpočty pro stabilitu budov. Jejich profese vychází z části mechaniky o statice. Více o této části se dozvíte v části o statice. Kdykoliv jsou do pohybu uvedeny stroje nebo převody, jedná se o dynamiku. Dynamika popisuje změny pohybu, například otáčení hřídele, pohyby vpřed a vzad nebo přenos pohybu pomocí ozubených koleček. Dynamika je tak vědou o změnách pohybu. Další se o ní naučíte v následujících kapitolách. Elektrický motor Stroje lze pohánět pomocí motoru. Jsou dva typy motorů: spalovací a elektrické motory. Například auta jsou poháněna spalovacími motory. Takový složitý motor pochopitelně v sadě není, ale máte k dispozici elektrický motor, zkráceně Emotor. Elektrické motory jsou pohonem většiny dnešních strojů. Lze je použít všude, kde je k dispozici elektrická energie. Elektrický motor ve vaší sadě má velmi vysoký počet otáček za minutu (RPM), což znamená, že se otáčí tak rychle, že jednotlivou otáčku ani nepostřehnete. Váš motor je ale velmi "slabý", což znamená, že nemůže zvedat náklady ani řídit vozidla. Abyste snížili počet otáček a učinili motor "silnějším", potřebujete převodovku. Šnekové soukolí Šnekové soukolí je to nejlepší pro snížení vysokých otáček motoru. Kvůli tomu umístěte šnekové soukolí na hřídel motoru, což je tyčka, která vystupuje z krytu motoru. Šnekové soukolí pohání ozubené kolečko. Tento typ převodovky je používán tam, kde je potřeba snížit vysoké množství otáček v malé oblasti. Šnekové soukolí pracuje tak, že ozubené kolo je poháněno šnekovým soukolí, ale na druhou stranu uzamyká převodovku. Závora Závory a jeřáby používají tuto převodovku, protože bezpečnostní uzamčení zajišťuje, že závora nebo připojená zátěž "neobrátí" pohon. Váš úkol: Postavte model závory. Zvedněte závoru nahoru pomocí kliky. Kolikrát musíte otočit klikou, aby byla závora ve vertikální poloze? Pokuste se stáhnout závoru dolů rukou. Co se stane? Abyste zvedli závoru do úhlu 90°, musíte pochopitelně klikou otočit několikrát. Šlo vám dát závoru dolů? Jak vidíte, uzamykání převodovky funguje. Pomocí malé kliky jste bez problémů zvedli velkou závoru, takže jste zvýšili pomocí šnekového soukolí sílu. Šnekové soukolív má mnoho výhod: - Šetří místo. - Snižuje mnohonásobně otáčky motoru. - Jeho pohyb se nedá obrátit. - Zvyšuje vynaloženou sílu. - Také ale mění směr otáčivého pohybu o 90°.
Otočné zařízení Mechanismus šnekového soukolí se používá v mnoha strojích. Jednoduchým příkladem je otočné zařízení, váš další model. U tohoto modelu budou otáčky za minutu sníženy a změněn směr otáčení. Odpor připojené nátěže nesmí zastavit motor. Váš úkol: Postavte model otáčecího zařízení. Postavte na otáčející se plošinu nádobku s vodou nebo hlínou. Pochopitelně jen tak velkou, která se tam vejde. Zvládne malý motor otočit velkou nádobou? Ozubená kolečka V této kapitole se naučíte víc o převodovkách s ozubenými kolečky. Ozubená kolečka patří mezi nejstarší a nejrobustnější prvky strojl. Existují různé typy a velikosti. Podobnou funkci znáte z ozubených kol na svém jízdním kole. Zde jsou ale ozubená kolečka nahrazena řetězovým kolem a řetězem. Pomocí ozubených koleček můžete přenášet a měnit otáčivý pohyb. Ozubená kolečka mohou: - Přenášet točivý pohyb. - Měnit počet otáček za minutu. - Zvýšit nebo snížit sílu otáčení - nebo změnit směr otáčení. Kolečka s klikou V následujícím modelu sestavíte převod z válcových ozubených koleček s přímými zuby. Válcová kolečka se používají, pokud má být točivý pohyb přenesen na paralelní hřídel. Váš úkol: Postavte kolečka s klikou 1. Otočte klikou jednou. Kolikrát se otočila hřídel s druhým ozubeným kolečkem. Otočte klikou proti směru hodinových ručiček. Jakým směrem se otočilo druhé ozubené kolečko a tím pádem také hřídel? Pokud chcete vozidlem pohybovat tímto způsobem, pohybovali byste se jen velmi pomalu. Také byste se mohli pohybovat pozpátku. Tento model slouží pouze pro ukázku toho, jak postavit jednoduchou převodovku a pro výpočet pro převodovku. Výpočet poměru otáček pro ozubená kolečka Pohánějící kolečko
Poháněné kolečko
Kolečko číslo
1
2
Číslo zubu na kolečku
Z1
Z2
Počet otáček
n1
n2
Směr otáčení (vlevo, vpravo) Váš úkol: Postavte kolečka s klikou 2. Otočte klikou jednou. Kolikrát se otočila hřídel s druhým ozubeným kolečkem. Otočte klikou proti směru hodinových ručiček. Jakým směrem se otočilo druhé ozubené kolečko a tím pádem také hřídel? Pokud byste tímto způsobem poháněli vozidlo, jesli byste o něco rychleji, než s prvním modelem. Spočítejte poměr i pro tuto převodovku. Výpočet poměru otáček pro ozubená kolečka Pohánějící kolečko
Poháněné kolečko
Kolečko číslo
1
2
Číslo zubu na kolečku
Z1
Z2
Počet otáček
n1
n2
Směr otáčení (vlevo, vpravo)
Pohánění vozidel Nyní jste se naučili dost o převodovkách, takže můžete vyzkoušet svoje znalosti na modelu. Postavte vozidlo 1. S motorem a převodovkou máte nyní skutečné vozidlo. Abyste mohli jet ještě rychleji, postavte vozidlo 2. Nyní se pohybujete 1,5 krát rychleji, než předtím. Ale tento poměr převodu bude mít problém v kopci. Vozidlo 3 má "obrácenou" převodovku ve srovnání s vozidlem 2. Jak se změní jeho rychlost oproti jiným modelům? S třemi ozubenými kolečky jste vytvořili poměr přenosu 1:1 při stejných otáčkách za minutu a stejném točivém momentu. Váš druhý model má poměr přenosu 1:1,5 a snížený točivý moment. To znamená, že je rychlejší, ale má méně "síly". Vozidlo 3 má poměr přenosu 2:1, jede pomaleji, než předchozí dva a proto je nazýván redukčním poměrem. Tento typ přenosu má výhodu, že je "silnější", myšleno že má vyšší točivý moment. Tento efekt se používá například u traktoru. Pochopitelně jede pomaleji, než auto, ale má mnohem větší výkon. Všechny tři přenosy přes převodovku znáte ze svého jízdního kola. Vepředu řídíte velké kolo a vzadu menší pro větší rychlost. Při jízdě do kopce ale přepnete na menší poměr přenosu, jako je 1:1 nebo na opravdu strmém kopci 2:1. Pokud je mezi dvěma hřídelemi větší vzdálenost, používá se pro její překonání napnutá převodovka. Jako přenosové médium se používají řetězy nebo řemeny. Spojí pohánějící a poháněné kolečko na velkou vzdálenost a udržují kontakt mezi částmi stroje. Váš úkol: Postavte vozidlo s řetězovým pohonem. Nejprve jen s klikou namísto motoru. Otočte jednou klikou. Kolikrát se otočilo ozubené kolečko? Otočte klikou proti směru hodinových ručiček. V jakém směru se kolečko otočilo? Výpočet poměru otáček pro ozubená kolečka Pohánějící kolečko
Poháněné kolečko
Kolečko číslo
1
2
Číslo zubu na kolečku
Z1
Z2
Počet otáček
n1
n2
Směr otáčení (vlevo, vpravo) Takovou převodovku máte na jízdním kole. Vzdálenost mezi pedály a zadním kolečkem je překonána pomocí řetězu. Na horském nebo závodním kole pochopitelně nemáte jen jedno kolečko, ale můžete si vybrat z mnoha. To znamená, že můžete přizpůsobit svoji rychlost v závislosti na potřebné síle, síle, která bude přenesena a otáčkách za minutu. V tomto případě nemáte válcová kolečka, ale kolečka řetězová. Připojte na vaše vozidlo s řetězovým pohonem motor. Přesně takto vypadá přenos na mopedu nebo motorce. Pochopitelně nyní můžete pomocí dílků fischertechnik postavit vlastní motorku. Vozidlo s řízením Různé modely vám předvedou, jak důležitý je správný poměr ozubených koleček pro různé typy vozidel a rychlosti. Aby ale vaše vozidlo nejelo jen dopředu, dostane řízení. Postavte model vozidla s řízením. Tento způsob řízení je nejjednodušší a nejstarší, jaký lidé vymysleli. Jedná se o řízení pátým kolem. Tento systém vymysleli Keltové pro svoje vozy, aby mohli řídit předek vozu. Používá se dodnes u mnoha vozíků, kárek a koňmi tažených vozů. Jak systém vypadá, vidíte na následujícím obrázku.
Převodovka s několika převody Pomocí následující konstrukce rozšíříte jednoduchý přenos ozubeným kolečkem za několik ozubených koleček. Takhle byla vyvinuta například převodovka pro automobil, drtačku nebo moped. Tento model je složenou převodovkou, což znamená převodovku, která sestává z více než dvou ozubených koleček. Experimentujte s účinkem přenosu ozubených koleček. Váš úkol: Postavte převodovku. Zapněte motor a přesuňte páčku pro změnu převodu pomalu od převodu 1 k převodu 3. Ujistěte se, že do sebe přesně zapadají ozubená kolečka. Zapište výsledky svých pozorování. Pozorování jednotlivých převodů Kolečko číslo
1
2
3
Pozorování: rychlejší, pomalejší Směr otáčení: stejný, opačný Tato převodovka má v převodu 3 jiný směr, než v převodu 1 a 2. Je to proto, že jsou tam sériově tři ozubená kolečka. Když je zapojen v sérii lichý počet koleček, pak má poháněné kolečko stejný směr otáčení jako pohánějící kolečko. Tento efekt se používá pro zpátečku u automobilů. Další pokusy: Postavte vlastní model s různým počtem ozubených koleček v sérii. Vyměňte otočné zařízení za navíjecí válec. Nyní máte naviják kabelu na jeřábu, pro zvedání těžkých nákladů. Můžete dát do převodovky více koleček? Vyzkoušejte za pomoci dalších koleček ze sady fischertechnik. Úkol pro experty: Postavte převodovku s řetězem. Planetová převodovka Planetová převodovka je velmi komplikovaný systém s různými typy ozubených koleček. Používá se pro mnoho účelů, například šlehač v kuchyňských spotřebičích nebo automatická převodovka v autě. Tak je ale konstrukce poněkud složitější. Váš úkol: Postavte model planetové převodovky. Otočte klikou, která je "pohonem" a sledujte, kterou kombinací hřídelí a ozubených koleček pomocí kliky otočíte. Pomocí šoupátka, což je spodní část páčky na vašem modelu, můžete přerušit otáčení. Účel planetové převodovky je jednoduchý. Umožňuje změnu poměru přenosu pod zátěží, což znamená bez oddělení přenosu energie mezi pohánějícím a poháněným kolečkem. Díky vnitřnímu ozubení korunového kola jsou ozubená kolečka uspořádána velmi směstnaně. Pro zpátečku u planetové převodovky není třeba další hřídele s reverzním kolečkem. V nejjednodušším případě planetová převodovka sestává z centrálního kola (1), satelitních kol (2), unašeče satelitů (3) a korunového kola (4). U této jednoduché planetové převodovky je centrální kolo uprostřed pomocí několika satelitních kol spojeno s korunovým kolem. Centrální kolo, unašeč satelitů nebo korunové kolo mohou pohánět, být poháněny nebo zastaveny. Abyste vyzkoušeli vaši převodovku pořádně, máte k dispozici šoupátko. Bez přídavného ozubeného kolečka můžete zastavenjí unašeče satelitů (3) nastavit převodovku tak, aby výstup šel jednou skrze unašeč satelitů a jednou skrze korunové kolo. Tento proces se používá ve vozidlech pro přepnutí na zpátečku. Abyste tak učinili, pohon (klika) musí být připojena k centrálnímu kolu a osa pohonu s korunovým kolem. Váš úkol: Ozkoušejte charakteristiky vaší planetární převodovky nejprve přidržením unašeče satelitů na místě a poté zapojením převodovky do korunovího kola. Vyplňte následující tabulku: Pohon Korunové kolo Unašeč planet Směr otáčení Poměr redukce
Kuželová převodovka S kuželovou převodovkou se můžete naučit, jak funguje jednoduchý přenos pomocí ozubených koleček. Váš úkol: Postavte model kuželové převodovky. Sledujte počet otáček za minutu, směr otáčení a změnu točivého komentu tohoto modelu. Tato převodovka mění směr otáčení pouze o 90°, ale otáčky za minutu a točivý moment zůstávají stejné. Kuchyňský spotřebič Tento model kombinuje kuřelovou převodovku a planetovou převodovku. Postavte jej podle návodu. Šlehač fischertechnik je model pro opravdové profesionály. Víte, že v něm spolupracují všechny typy ozubených koleček? Tento model můžete modifikovat na mnoho zajímavých variací. Stačí zapojit představivost. Na podkladovou desku můžete umístit nádobu a promíchat její obsah. Diferenciál Diferenciál je potřeba neustále, například pro vícestopá vozidla jako auto, kde je na nápravě řízeno několik kol. Diferenciály mají dva účely: rozložení hnací síly na dvě osy a kompenzace rozdílu otáček za minutu mezi tyto větve. S touto funkcí se diferenciál používá ve dvou oblastech: Diferenciál nápravy se používá na nápravě pro rozložení síly z kardanové hřídele na dvě hřídele kol. Centrální deferenciál se používá mezi dvěma nápravami pro rozložení síly mezi přední a zadní nápravou. Váš úkol: Postavte model převodovky. Sledujte počet otáček za minutu, směr otáčení a změnu točivého momentu u tohoto modelu. Přidržte jedno poháněné kolečko a poté jej pusťte a přidržte druhé, poté přidržte otáčející se těleso (upevnění pro střed kuželové převodovky) ve středu. Zaznamejte svá pozorování do tabulky. Přidržte Poháněné kolečko 1 Poháněné kolečko 2 Otáčky za minutu Směr otáčení Diferenciál vypadá jako opravu kouzelná převodovka. Používá se většinou v autech. Když auto jede do zatáčky, vnější kolo projede větší dráhu, než vnitřní kolo. Bez diferenciálu by poháněná kolečka by se poháněná kolečka rychleji opotřebovala. Diferenciál na nápravě má ještě jednu charakteristiku: rozděluje točivé momenty na stejný poměr (50:50) a přenáší je na kola. Hever Jsou situace, v nichž potřebujete zvednou těžký náklad. Napřiklad auto při výměně pneumatiky. Jen si představte, že byste jej museli zvedat sami. Ovšemže byste to nezvládli. Proto máme takovou věc jako je hever. S tím to zvládne každý. Trik spočívá v šroubové tyči. Má charakteristiky podobné šnekovému soukolí, o kterém jsme se již vše naučili. Vaše úkoly: Postavte model heveru. Otočte jednou klikou a sledujte, jak daleko se pohne šneková matice a jak vysoko se zvedne paže. Zatlačte na paži. Otáčí se šroubová hřídel nazpátek? Můžete říct dva důvody, proč se tento mechanismus používá právě k tomuto důvodu? Abyste dostali paži do vertikální pozice, musíte otočit klikou několikrát. Jistě jste si všimli, že paže nejde stlačit dolů! Tento mechanismus má mnoho výhod: - Snižuje mnohonásobně počet otáček za minutu. - Je samozamykací. - Zvyšuje sílu pohonu.
Nůžková zvedací plošina Nůžková zvedací plošina ukazuje, jak přenést otočný pohyb na paralelní pohyb nahoru nebo dolů s pomocí šroubové tyče, kloubů a pák. Váš úkol: Postavte model nůžkové zvedací plošiny. Dejte na plošinu nádobku s vodou. Jak se plošina a nádobka pohybují, když otočíte klikou? Šroubová tyč pohybuje šnekovou maticí dopředu a dozadu. Pomocí kloubu tento pohyb hýbe plošinou nahoru a dolů. Protože je otočný střed společným středem pro oba klouby, zvedání probíhá paralelně k otočnému středu. Oba klouby se pohybují ve stejné vzdálenosti jako nůžky. Protože se tomu říká nůžková zvedací plošina. Soustruh Tento model má dvě otočné části. Soustruh fischertechnik je model pro skutečné profesionály. Zde spolu obě otočné části spolupracují. Dovedete si představit, proč má soustruh dvě oddělené otočné části? Stěrače Jste si jistí, že víte, jak fungují stěrače? Další model vám ukáže, jak pracují. Zde je točivý pohyb přeměněn na pohyb vpred a vzad nebo oscilaci. Pro to potřebujete váčku nebo váčkovou hřídel. Čtyřkloubý řetězec Jak název napovídá, skládá se tento převod z čtyř kloubů, v nichž se něco otáčí. Zjednodušený diagram ukazuje, jak to pracuje. Poznáváte díly? Vaše úkoly: Postavte čtyřkloubý řetězec. Povšimněte si, jak spolu jednotlivé díly spolupracují. Které díly se pohybují a které ne? Popište typ pohybu v tabulce. Díl
Pohybuje se: ano/ne Druh pohybu
Váčka Spojovací tyčka Vahadlo Rámeček Rámeček je pevný a absorbuje pohyb. Váčka musé být schopna provádět kompletní otáčky a spojovací tyčka přenáší pohyb váčky na vahadlo. Vahadlo se pohybuje jen do oblouku, protože je připojeno k rámečku. Aby převodovka fungovala, délky všech čtyř dílů musí být v jistém poměru vůči sobě. Rámová pila Efekt vahadla lze využít i jinde. Dlouho byla rámová pila velkou pomocí pro stavby konstrukcí z kovu. Její jednoduchá konstrukce vám pomůže lépe pochopit mechanismus spojovačů. U tohoto typu převodovky se otáčivý pohyb mění na pohyb dopředu a dozadu. Koncové body, za něž už pila nemůže dál, jsou označeny jako T1 a T2. Váš úkol: Postavte model rámové pily. Změřte její cyklus.
Váhy V minulosti se cena předmětu odvozovala od jeho hmotnosti. Toho se dalo dosáhnout pomocí páky a vah, na niž se poměřovala hmotnost dvou předmětů. U vašeho modelu bude páka připojena k otočnému středu a bude mít na obou končích mistku. Oba indikátory ve středu měřicí páky musí být v případě vyvážení v jedné linii. Váš úkol: Postavte model vah. Dejte na obě misky jednu kostičku fischertechnik. Pracují vaše váhy správně? Nyní najděte dva předměty, které mají dle vás stejnou hmotnost. Dejte je na váhy. Měli jste pravdu? Tyto váhy pracují na principu pák o stejné délce. Páka je rovný díl, která je upevněn tak, aby se natáčet na stranu, na kterou působí větší síla. Obě strany od otáčejícího se středu mají stejnou délku a hmotnost. Tento princip znáte z houpačky pro dva. Abyste měli obě páky vyvážené, závaží na nich a jejich vzdálenost od otáčejícího se středu musí být stejné. Váhy s posuvným závažím Musíte být trpělivý, než najdete dvě závaží o stejné hmotnosti. Proto další vývoj směřoval k váhám s posuvným závažím. Tyto váhy také pracují na principu pák o stejné délce, ale zde je točivý moment použit pro malý trik. Čím dál od středu je zavěšeno závaží na ramenu se závažím, tím větší je síla. S pomocí posuvníku lze měnit točivý moment ramene. Váš úkol: Postavte model vah s posuvným závažím Pohněte posuvným závažím, aby byly váhy vyvážené, když na misce není žádné závaží. Indikátor ve středu vah by vám s tímto měl pomoct. Dejte na misku závaží. Vyvažte váhy pomocí posuvného závaží. Abyste vyvážili páku, musí být součet točivých momentů ve směru i proti směru hodinových ručiček rovný. Zní to složitě, ale není to tak. Pravidlo praví, že ramena vlevo a vprevo od otáčejícího se středu musí mít stejnou hmotnost, ale ne že musí mít i stejnou délku. Čím dále je závaží od otáčejícího se středu, tím větší je síla na rameni a také jejím závaží. Kladky a kladkostroje Jen si představte, že byste měli zvednout na laně svého kamaráda. Protože váží stejně jako vy, museli byste kvůli tomu vyvinout neuvěřitelnou sílu. Kladka na stropě vám pomáhá pouze držet, ne zvedat. Model kladkostroje vám dává možnost zvedat snadno velmi těžké náklady. Kladkostroj s dvěma kladkami Váš úkol: Postavte model kladkostroje s dvěma kladkami, jednou pevnou a druhou volnou. Zavěste na hák závaží. Zatáhněte za lano a měřte, jak daleko musíte táhnout, abyste zvedli závaží o 10 cm. Potřebujete na to hodně síly? Zaznamenejte svá pozorování do tabulky. Délka tažení v cm Podle vás potřebná síla Počet provázků Kladkostroj s dvěma kladkami U tohoto modelu se potřebná síla snížila na polovinu. Co délka taženého provázku? Kladkostroj s třemi kladkami Váš úkol: Rozšiřte podle návodu váš model na kladkostroj s třemi kladkami. Zatáhněte opět za provázek a změřte, jak daleko musíte táhnout nyní pro zvednutí závaží o 10 cm. Potřebujete na to hodně síly? Zaznamenejte svá pozorování do tabulky a porovnejte je Délka tažení v cm Podle vás potřebná síla Počet provázků Kladkostroj s dvěma kladkami Když už víte, jak kladkostroj funguje, můžete postavit kladkostroj s čtyřmikladkami. Navíc zapojte namísto vlastní síly motor.
Kladkostroj s čtyřmi kladkami Váš úkol: Rozšiřte model o další kladku a motor. Pomocí gumiček připojte k háku peneženku. Zvládne motor zvednout mince? Abyste zvládli zvedat těžké náklady za použití malé síly, je třeba používat kladkostroje s dvěma, čtyřmi nebo šesti kladkami. Podle počtu kladek se potřebná síla zmenší na polovinu, čtvyrtinu a šestinu. S tímto kladkostrojem musí motor zvedat pouze jednu čtvrtinu nákladu. Nicméně má toto nevýhodu: když je náklad zvedán o 10 cm, jak daleko musí motor tahat peovázek. 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm Fyzici rozumí způsobu, jakým kladkostroj funguje, a přišli na následující pravidlo: Prací nelze šetřit. Cokoliv je ušetřeno na práci, musí být přidáno na čase a vzdálenosti. Svět statiky Statika studuje podmínky, za nichž se síla působí na těleso v klidu. To činí statiku základem všech výpočtů a návrhů konstrukcí, jako jsou mosty nebo domy. Na části statiky působí různé síly. Hmotnost konstrukce se nazývá mrtvá váha. Hmotnost lidí, nábytku a dokonce i aut se nazývá dopravní zatížení. Stůl Váš stůl je také statickým objektem. Nese vlastní hmotnost, která je mrtvou vahou, a dopravní zatížení. To jsou talíře, sklenice, jídlo a pití, které se nachází na stole, ale také se do něj počítá, když do stolu omylem vrazíte. Aby stůl vydržel všechny tyto zátěže, musí mít mnoho výpomocí se statikou. Váš úkol: Postavte model stolu. Ujistěte se, že diagonální díly jsou správně zapojeny. Nejprve dejte na stůl zátěž seshora. Poté zatlačte na desku stolu ze strany a poté proti jedné z noh. Co se v těchto případech stalo? Statickými charakteristikami vašeho modelu jsou nohy. Konstrukce rámu stolu také obsahuje diagonální díly a výztuhy. Žluté diagonální díly stabilizují rám s ohledem na tlak a zatížení. Nejdůležitější částí statiky jsou ale spojovací body, které tvoří trojúhelníky. Trojúhelníky jsou také stabilní, když mají tyče na spojovacích bodech pohyblivé klouby. Takové trojúhelníky se nazývají statické trojúhelníky. Takže váš model stolu je staticky stabilní ve třech ohledech. Váš úkol: Odpojte výztuhy a dejte na stůl zátěž. Jaký to má účinek na statiku stolu? Dejte výztuhy zpět. Sundejte diagonální díly. Umístěte opět na stůl zátěž. Jak je stůl stabilní teď? Nyní sundejte výztuhy. Umístěte na stůl zátěž. Co vidíte? Štafle Štafle mají velmi jednoduchou statickou konstrukci. Také mají výztuž. Ta slouží jako výztuž mezi oběma žebříky. Štafle se skládají ze dvou samostatných žebříků, které jsou spojeny nahoře otáčejícím se středem. Navíc mají oba žebříky na spodní straně výztuž. Váš úkol: Postavte štafle, nejprve ale bez výztuže. Dejte na štafle zátěž tak, že zatlačíte na vršek. Zůstanou štafle stabilní? Nyní přidejte na štafle výtzuž. Ozkoušejte štafle znovu. Jak stojí teď? Štafle sestávají ze dvou polovin, které jsou stejné a jsou spojeny nahoře otáčejícím se středem. V závislosti na úhlu obou polovin štafle mohou zůstat stát i bez výztuhy. V jistém bodě ale "nohy" štaflí uklouznou a oba žebříky jsou od sebe vzájemně odtlačeny. Výztuha štafle stabilizuje. Trámový most Optimální most má čtyři charakteristiky: je bezpečný, dlouhý, levný a vypadá dobře. U vašeho prvního modelu mostu se naučíte postavit klasický most. Váš úkol: Postavte model mostu. Umístěte zátěž do středu mostu. Kde by šel tento most použít?
Tento jednoduchý trámový most je vynikající pro slabé zátěže a překonání krátkých vzdáleností. Splňuje všechny požadavky. Nicméně, pokud je vzdálenost delší, most ztrácí stabilitu. Most se spodní výztuží Most se spodní výztuží připomíná zavěšené mosty, které překonávají divoké strže. Tento most s nimi ale nemá nic společného. Váš úkol: Rozšiřte první model mostu na most se spodní výztuží. Umístěte do středu mostu zátěž. Můžete použít těžší zátěž. Při pokusech se zátěžemi jste jistě zjistili, že váš most je velmi stabilní a vydrží značné stlačení. Most se spodní výztuží to zvládá díky svému armování. Tento typ je vhodný pro velké zátěže, ale ne velké vzdálenosti. Největší vzdálenosti můžete překonat se závěsnými mosty, ale ty nevydrží takovou sílu. Most se spodním vyztužením a závěsný most pouze vypadají podobně. Z hlediska statiky jsou však zcela odlišné. Most s horním vyztužením Horní pás mostu může mít značně delší délku a vydržet větší zátěže. Tento most má také armování. . Vzpěry, výztuže a statické trojúhelníky stabilizují most. Váš úkol: Postavte most s horní výztuží. Umístěte doprostřed mostu zátěž. Jak se změnila stabilita mostu? Vyjmenujte všechny statické prvky, které na obrázku vidíte. Tento typ mostu může vydržet větší zátěže, než trámový most. Tlačící síla je nyní přenášena nejen na trámy, ale také rozložena na přídavné díly. Horní pás se skládá z překřížených diagonálních prvků, které jsou připojeny k horním kloubům postranních prvků. Diagonální prvky na horním pásu zabraňují pokroucení mostu. Když výztuže směřují směrem nahoru, nazývá se tento typ mostu armovací rámec. Posed Pokud chcete do výšek, posed je přesně tím, co potřebujete. Statickým základem je rámeček skládající se z trojúhelníků. Váš úkol: Postavte model posedu. Poznáváte konstrukční prvky? Složení různých prvků dohromady se nazývá kostra. Kostra z rámců se používá pro domy, věže, mosty a i pro tento model posedu. Takové kostry mají výhodu, že je nemusíte vyplňovat žádným materiálem. Takto vystavují větru méně povrchu. Tento typ konstrukce také šetří stavební materiál a přitom je stále stabilní. Jeřáb Díky předchozím modelům jste zíkali mnoho zkušeností o mechanice, pákách a statice. Poslední model tyto zkušenosti zužitkuje. Jeřáb vám umožní rozeznat souhru těchto prvků a ozkoušet statiku pro jejich kapacitu při zvedání nákladu. Váš úkol: Postavte základ pro jeřáb a použijte šnekové soukolí. Pamatujete si, proč používáte šnekové soukolí? Zaznamenejte do tabulky. Poté postavte kostru. Znáte statické prvky, které používáte? Zapište do tabulky. Jeřáb je svým způsobem páka. Jak si zachová stabilitu? Jak je stabilizován? Pro zdvihání nákladu je několik různých typů převodovek. - Zapojte do svého modelu jeřábu různé převodovky. - Porovnejte jejich funkce. - Zapište do tabulky výsledky.
Dále do modelu zapojte kladkostroj. - Vytvořte vhodný kladkostroj pro váš model. - Co musíte zvážit, když váš jeřák zvedá a spouští velmi těžké náklady? Skupina
Výhody, charakteristiky Možná použití Díly
Mechanika Šnekové soukolí Statika Páka
GM electronic spol. s r.o.
Robotická stavebnica FISCHERTECHNIK Mechanic + static - 93291 Stroje okolo nás Kto dnes prenáša ručne ťažké náklady? Kto vŕta diery do stien čisto len silou svalov? Kto stále perie bielizeň na valche? Skoro nikto. Ľudia vynašli mnoho zariadení, ktorá im uľahčujú život. To začalo mlynom, pokračovalo cez prúdové lietadlá a skončilo počítači. Stroje môžu:
Príklady:
Prevážať náklady
Nákladné automobily, žeriavy, rýpadlá a ďalšie
Spracovávať materiály
Měchač cesta, miešačka na betón, mixér a ďalšie
Premieňať elektrickú energiu na pohybovú
Elektrický motor
Spracovávať údaje
Kalkulačka, počítač a ďalšie
Čo je to mechanika? Mechanika má čo do činenia s účinkami a silami, ktoré ovplyvňujú pevná aj pohyblivá telesá. Mechanika sa delí na rôzne odvetvia, ako statika, dynamika, kinetika alebo termodynamika. My sa obmedzíme na dve oblasti: dynamiku a statiku. Aj v minulosti vedci skúmali mechaniku. Starí stavitelia katedrál stavali vyššiu a vyššiu kostoly, ktoré posúvali experimenty s rovnováhou síl až k limitom. Dnes stavební inžinieri peovádí výpočty pre stabilitu budov. Ich profesie vychádza z časti mechaniky o statike. Viac o tejto časti sa dozviete v časti o statike. Kedykoľvek sú do pohybu uvedené stroja alebo prevody, jedná sa o dynamiku. Dynamika popisuje zmeny pohybu, napríklad otáčanie hriadeľa, pohyby vpred a vzad alebo prenos pohybu pomocou ozubených koliesok. Dynamika je tak vedou o zmenách pohybu. Ďalšie sa o nej naučíte v nasledujúcich kapitolách. Elektrický motor Stroja možno poháňať pomocou motora. Sú dva typy motorov: spaľovacie a elektrické motory. Napríklad autá sú poháňané spaľovacími motormi. Takýto zložitý motor pochopiteľne v sade nie je, ale máte k dispozícii elektrický motor, skrátene E-motor. Elektrické motory sú pohonom väčšiny dnešných strojov. Možno ich použiť všade, kde je k dispozícii elektrická energia. Elektrický motor vo vašej sade má veľmi vysoký počet otáčok za minútu (RPM), čo znamená, že sa otáča tak rýchlo, že jednotlivú otáčku ani nepostrehnete. Váš motor je ale veľmi "slabý", čo znamená, že nemôže zdvíhať náklady ani riadiť vozidlá. Aby ste znížili počet otáčok a urobili motor "silnejším", potrebujete prevodovku. Šnekové súkolie Šnekové súkolie je to najlepšie pre zníženie vysokých otáčok motora. Kvôli tomu umiestnite závitovkové súkolesie na hriadeľ motora, čo je tyčka, ktorá vystupuje z krytu motora. Šnekové súkolie poháňa ozubené koliesko. Tento typ prevodovky je používaný tam, kde je potreba znížiť vysoké množstvo otáčok v malej oblasti. Šnekové súkolie pracuje tak, že ozubené koleso je poháňané šnekovým súkolia, ale na druhú stranu uzamyká prevodovku. Závora Závory a žeriavy používajú túto prevodovku, pretože bezpečnostné uzamknutie zabezpečuje, že závora alebo pripojená záťaž "neobráti" pohon. Vaša úloha: Postavte model závory. Zdvihnite závoru hore pomocou kľuky. Koľkokrát musíte otočiť kľukou, aby bola závora vo vertikálnej polohe? Pokúste sa stiahnuť závoru dole rúk. Čo sa stane? Aby ste zdvihli závoru do uhla 90 °, musíte pochopiteľne kľučkou otočiť niekoľkokrát. Išlo vám dať závoru dole? Ako vidíte, uzamykanie prevodovky funguje. Pomocou malej kliky ste bez problémov zdvihli veľkú závoru, takže ste zvýšili pomocou šnekového súkolia silu. Šnekové soukolív má mnoho výhod: - Šetrí miesto. - Znižuje mnohonásobne otáčky motora. - Jeho pohyb sa nedá obrátiť.
- Zvyšuje vynaloženú silu. - Tiež ale mení smer otáčavého pohybu o 90 °. Otočné zariadenie Mechanizmus šnekového súkolia sa používa v mnohých strojoch. Jednoduchým príkladom je otočné zariadenie, váš ďalší model. U tohto modelu budú otáčky za minútu znížené a zmenený smer otáčania. Odpor pripojené nátěže nesmie zastaviť motor. Vaša úloha: Postavte model otáčacieho zariadenia. Postavte na otáčajúce sa plošinu nádobku s vodou alebo hlinou. Pochopiteľne len tak veľkú, ktorá sa tam zmestí. Zvládne malý motor otočiť veľkou nádobou? Ozubené kolieska V tejto kapitole sa naučíte viac o prevodovkách s ozubenými kolieskami. Ozubené kolieska patrí medzi najstaršie a najrobustnejší prvky strojl. Existujú rôzne typy a veľkosti. Podobnú funkciu poznáte z ozubených kolies na svojom bicykli. Tu sú ale ozubené kolieska nahradená reťazovým kolesom a reťazou. Pomocou ozubených koliesok môžete prenášať a meniť otáčavý pohyb. Ozubené kolieska môžu: - Prenášať točivý pohyb. - Meniť počet otáčok za minútu. - Zvýšiť alebo znížiť silu otáčania - Alebo zmeniť smer otáčania. Kolieska s kľukou V nasledujúcom modeli zostavíte prevod z valcových ozubených koliesok s priamymi zubami. Valcová kolieska sa používajú, ak má byť krútiaci pohyb prenesený na paralelný hriadeľ. Vaša úloha: Postavte kolieska s kľučkou 1. Otočte kľukou raz. Koľkokrát sa otočila hriadeľ s druhým ozubeným kolieskom. Otočte kľukou proti smeru hodinových ručičiek. Akým smerom sa otočilo druhej ozubené koliesko a tým pádom tiež hriadeľ? Ak chcete vozidlom pohybovať týmto spôsobom, pohybovali by ste sa len veľmi pomaly. Tiež by ste sa mohli pohybovať pospiatky. Tento model slúži len pre ukážku toho, ako postaviť jednoduchú prevodovku a pre výpočet pre prevodovku. Výpočet pomeru otáčok pre ozubené kolieska Poháňajúci koliesko
Poháňané koliesko
Koliesko číslo
1
2
Číslo zuba na koliesku
Z1
Z2
Počet otáčok
n1
n2
Smer otáčania (vľavo, vpravo) Vaša úloha: Postavte kolieska s kľučkou 2. Otočte kľukou raz. Koľkokrát sa otočila hriadeľ s druhým ozubeným kolieskom. Otočte kľukou proti smeru hodinových ručičiek. Akým smerom sa otočilo druhej ozubené koliesko a tým pádom tiež hriadeľ? Ak by ste týmto spôsobom poháňali vozidlo, jasliach by ste o niečo rýchlejšie, než s prvým modelom. Spočítajte pomer aj pre túto prevodovku. Výpočet pomeru otáčok pre ozubené kolieska Poháňajúci koliesko
Poháňané koliesko
Koliesko číslo
1
2
Číslo zuba na koliesku
Z1
Z2
Počet otáčok
n1
n2
Smer otáčania (vľavo, vpravo)
Poháňanie vozidiel Teraz ste sa naučili dosť o prevodovkách, takže môžete vyskúšať svoje znalosti na modeli. Postavte vozidlo 1. S motorom a prevodovkou máte teraz skutočné vozidlo. Aby ste mohli ísť ešte rýchlejšie, postavte vozidlo 2. Teraz sa pohybujete 1,5 krát rýchlejšie, než predtým. Ale tento pomer prevodu bude mať problém v kopci. Vozidlo 3 má "obrátenú" prevodovku v porovnaní s vozidlom 2. Ako sa zmení jeho rýchlosť oproti iným modelom? S tromi ozubenými kolieskami ste vytvorili pomer prenosu 1: 1 pri rovnakých otáčkach za minútu a rovnakom krútiacom momente. Váš druhý model má pomer prenosu 1: 1,5 a znížený krútiaci moment. To znamená, že je rýchlejší, ale má menej "sily". Vozidlo 3 má pomer prenosu 2: 1, ide pomalšie, než predchádzajúce dva a preto je nazývaný redukčným pomerom. Tento typ prenosu má výhodu, že je "silnejší", myslené že má vyšší krútiaci moment. Tento efekt sa používa napríklad u traktora. Pochopiteľne ide pomalšie, než auto, ale má oveľa väčší výkon. Všetky tri prenosy cez prevodovku poznáte zo svojho bicykla. Vpredu riadite veľké koleso a vzadu menšie pre väčšiu rýchlosť. Pri jazde do kopca ale prepnete na menšie pomer prenosu, ako je 1: 1 alebo na naozaj strmom kopci 2: 1. Ak je medzi dvoma hriadeľmi väčšiu vzdialenosť, používa sa pre jej prekonanie napnutá prevodovka. Ako prenosové médium sa používajú reťaze alebo remene. Spojí poháňajúci a poháňané koliesko na veľkú vzdialenosť a udržujú kontakt medzi časťami stroja. Vaša úloha: Postavte vozidlo s reťazovým pohonom. Najprv len s kľučkou namiesto motora. Otočte jednou kľučkou. Koľkokrát sa otočilo ozubené koliesko? Otočte kľukou proti smeru hodinových ručičiek. V akom smere sa koliesko otočilo? Výpočet pomeru otáčok pre ozubené kolieska Poháňajúci koliesko
Poháňané koliesko
Koliesko číslo
1
2
Číslo zuba na koliesku
Z1
Z2
Počet otáčok
n1
n2
Smer otáčania (vľavo, vpravo) Takú prevodovku máte na bicykli. Vzdialenosť medzi pedálmi a zadným kolieskom je prekonaná pomocou reťaze. Na horskom alebo pretekárskom bicykli pochopiteľne nemáte len jedno koliesko, ale môžete si vybrať z mnohých. To znamená, že môžete prispôsobiť svoju rýchlosť v závislosti na potrebnej sile, sile, ktorá bude prenesená a otáčkach za minútu. V tomto prípade nemáte valcová kolieska, ale kolieska reťazová. Pripojte na vaše vozidlo s reťazovým pohonom motor. Presne takto vyzerá prenos na mopede alebo motorke. Pochopiteľne teraz môžete pomocou dielikov fischertechnik postaviť vlastnú motorku. Vozidlo s riadením Rôzne modely vám predvedú, ako dôležitý je správny pomer ozubených koliesok pre rôzne typy vozidiel a rýchlosti. Aby ale vaše vozidlo nešlo len dopredu, dostane konanie. Postavte model vozidla s riadením. Tento spôsob riadenia je najjednoduchší a najstarší, aký ľudia vymysleli. Jedná sa o riadení piatym kolesom. Tento systém vymysleli Kelti pre svoje vozidlá, aby mohli riadiť predok vozidla. Používa sa dodnes u mnohých vozíkov, karek a koňmi ťahaných vozov. Ako systém vyzerá, vidíte na nasledujúcom obrázku.
Prevodovka s niekoľkými prevodmi Pomocou nasledujúcej konštrukcie rozšírite jednoduchý prenos ozubeným kolieskom za niekoľko ozubených koliesok. Takto bola vyvinutá napríklad prevodovka na automobil, drtačku alebo moped. Tento model je zloženou prevodovkou, čo znamená prevodovku, ktorá pozostáva z viac ako dvoch ozubených koliesok. Experimentujte s účinkom prenosu ozubených koliesok. Vaša úloha: Postavte prevodovku. Zapnite motor a presuňte páčku pre zmenu prevodu pomaly od prevodu 1 k prevodu 3. Uistite sa, že do seba presne zapadajú ozubené kolieska. Zapíšte výsledky svojich pozorovaní. Pozorovanie jednotlivých prevodov Koliesko číslo
1
2
3
Pozorovanie: rýchlejší, pomalší Smer otáčania: rovnaký, opačný Táto prevodovka má v prevode 3 iný smer, než v prevode 1 a 2. Je to preto, že sú tam sériovo tri ozubené kolieska. Keď je zapojený v sérii nepárny počet koliesok, potom má poháňané koliesko rovnaký smer otáčania ako poháňajúci koliesko. Tento efekt sa používa pre spiatočku u automobilov. Ďalšie pokusy: Postavte vlastný model s rôznym počtom ozubených koliesok v sérii. Vymeňte otočné zariadenie za navíjací valec. Teraz máte navijak kábla na žeriave, pre zdvíhanie ťažkých nákladov. Môžete dať do prevodovky viac koliesok? Vyskúšajte za pomoci ďalších koliesok zo sady fischertechnik. Úloha pre expertov: Postavte prevodovku s reťazou. Planétová prevodovka Planétová prevodovka je veľmi komplikovaný systém s rôznymi typmi ozubených koliesok. Používa sa pre mnoho účelov, napríklad šľahač v kuchynských spotrebičoch alebo automatická prevodovka v aute. Tak je ale konštrukcia trochu zložitejšie. Vaša úloha: Postavte model planétovej prevodovky. Otočte kľukou, ktorá je "pohonom" a sledujte, ktorú kombináciou hriadeľov a ozubených koliesok pomocou kľuky otočíte. Pomocou šupátka, čo je spodná časť páčky na vašom modeli, môžete prerušiť otáčania. Účel planétovej prevodovky je jednoduchý. Umožňuje zmenu pomeru prenosu pod záťažou, čo znamená bez oddelenia prenosu energie medzi poháňajúcim a poháňaným kolieskom. Vďaka vnútornému ozubenie korunového kolesa sú ozubené kolieska usporiadané veľmi natlačené. Pre spiatočku u planétovej prevodovky nie je potrebné ďalšie hriadele s reverzným kolieskom. V najjednoduchšom prípade planétová prevodovka pozostáva z centrálneho kolesa (1), satelitných kolies (2), unášače satelitov (3) a korunového kolesa (4). U tejto jednoduchej planétovej prevodovky je centrálne koleso uprostred pomocou niekoľkých satelitných kolies spojené s korunovým kolesom. Centrálne koleso, unášač satelitov alebo korunové koleso môžu poháňať, byť poháňané alebo zastavené. Aby ste vyskúšali vašu prevodovku poriadne, máte k dispozícii šupátko. Bez prídavného ozubeného kolieska môžete zastavenie unášača satelitov (3) nastaviť prevodovku tak, aby výstup šiel raz skrze unášač satelitov a raz skrze korunové koleso. Tento proces sa používa vo vozidlách pre prepnutie na spiatočku. Aby ste tak urobili, pohon (kľučka) musí byť pripojená k centrálnemu kolesu a os pohonu s korunovým kolesom. Vaša úloha: Otestujte s charakteristiky vašej planetárnej prevodovky najprv pridržaním unášača satelitov na mieste a potom zapojením prevodovky do korunovího kola.
Vyplňte nasledujúcu tabuľku: Pohon
Korunové koleso
Unašač planét
Smer otáčania Pomer redukcie Kužeľová prevodovka S kužeľovou prevodovkou sa môžete naučiť, ako funguje jednoduchý prenos pomocou ozubených koliesok. Vaša úloha: Postavte model kužeľové prevodovky. Sledujte počet otáčok za minútu, smer otáčania a zmenu krútiaceho Koment tohto modelu. Táto prevodovka mení smer otáčania iba o 90 °, ale otáčky za minútu a krútiaci moment zostávajú rovnaké. Kuchynský spotrebič Tento model kombinuje kuřelovou prevodovku a planétovej prevodovky. Postavte ho podľa návodu. Šľahač fischertechnik je model pre naozajstných profesionálov. Viete, že v ňom spolupracujú všetky typy ozubených koliesok? Tento model môžete modifikovať na mnoho zaujímavých variácií. Stačí zapojiť predstavivosť. Na podkladovú dosku môžete umiestniť nádobu a premiešať jej obsah. Diferenciál Diferenciál je potreba neustále, napríklad pre viacstopové vozidlá ako auto, kde je na náprave riadené niekoľko kôl. Diferenciály majú dva účely: rozloženie hnacej sily na dve osi a kompenzácia rozdielu otáčok za minútu medzi tieto vetvy. S touto funkciou sa diferencial používa v dvoch oblastiach: Diferenciál nápravy sa používa na náprave pre rozloženie sily z kardanové hriadele na dve hriadele kolies. Centrálne deferenciál sa používa medzi dvoma nápravami pre rozloženie sily medzi prednou a zadnou nápravou. Vaša úloha: Postavte model prevodovky. Sledujte počet otáčok za minútu, smer otáčania a zmenu krútiaceho momentu u tohto modelu. Podržte jedno poháňané koliesko a potom ho pustite a pridržte druhé, potom pridržte otáčajúce sa teleso (upevnenie pre stred kužeľové prevodovky) v stredu. Zapíšte svoje pozorovania do tabuľky. Rridržte Poháňané koliesko 1
Poháňané koliesko 2
Otáčky za minútu Smer otáčania Diferenciál vyzerá ako naozaj čarovná prevodovka. Používa sa väčšinou v autách. Keď auto ide do zákruty, vonkajšie koleso prejde väčšiu dráhu, než vnútorné koleso. Bez diferenciálu by poháňaná kolieska by sa poháňaná kolieska rýchlejšie opotrebovala. Diferenciál na náprave má ešte jednu charakteristiku: rozdeľuje krútiaci moment na rovnaký pomer (50:50) a prenáša ich na kolesá. Hever Sú situácie, v ktorých potrebujete zdvihnú ťažký náklad. Napríklad auto pri výmene pneumatiky. Len si predstavte, že by ste ho museli dvíhať sami. Isteže by ste to nezvládli. Preto máme takú vec ako je hever. S tým to zvládne každý. Trik spočíva v skrutkové tyči. Má charakteristiky podobné šnekovému súkolia, o ktorom sme sa už všetko naučili. Vaše úlohy: Postavte model hever. Otočte jednou kľučkou a sledujte, ako ďaleko sa pohne šneková matice a ako vysoko sa zdvihne paže.
Zatlačte na paži. Otáča sa skrutková hriadeľ naspäť? Môžete povedať dva dôvody, prečo sa tento mechanizmus používa práve k tomuto dôvodu? Aby ste dostali pažu do vertikálnej pozície, musíte otočiť kľukou niekoľkokrát. Iste ste si všimli, že paže nejde stlačiť dolu! Tento mechanizmus má mnoho výhod: - Znižuje mnohonásobne počet otáčok za minútu. - Je samozamykací. - Zvyšuje silu pohonu. Nožnicové zdvíhacie plošiny Nožnicové zdvíhacie plošiny ukazuje, ako preniesť otočný pohyb na paralelný pohyb nahor alebo nadol s pomocou skrutkové tyče, kĺbov a pák. Vaša úloha: Postavte model nožnicové zdvíhacie plošiny. Dajte na plošinu nádobku s vodou. Ako sa plošina a nádobka pohybujú, keď otočíte kľukou? Skrutková tyč pohybuje závitovkovou maticou dopredu a dozadu. Pomocou kĺbu tento pohyb hýbe plošinou hore a dole. Pretože je otočný stred spoločným stredom pre oba kĺby, zdvíhanie prebieha paralelne k otočnému stredu. Oba kĺby sa pohybujú v rovnakej vzdialenosti ako nožnice. Pretože sa tomu hovorí nožnicová zdvíhacia plošina. Sústruh Tento model má dve otočné časti. Sústruh fischertechnik je model pre skutočných profesionálov. Tu spolu obe otočnej časti spolupracujú. Viete si predstaviť, prečo má sústruh dve oddelené otočnej časti? Stierače Ste si istí, že viete, ako fungujú stierače? Ďalší model vám ukáže, ako pracujú. Tu je krútiaci pohyb premenený na pohyb vpred a vzad alebo osciláciu. Pre to potrebujete vačku alebo vačkové hriadele. Čtyřkloubý reťazec Ako názov napovedá, skladá sa tento prevod z štyroch kĺbov, v ktorých sa niečo otáča. Zjednodušený diagram ukazuje, ako to pracuje. Spoznávate diely? Vaše úlohy: Postavte čtyřkloubý reťazec. Všimnite si, ako spolu jednotlivé diely spolupracujú. Ktoré diely sa pohybujú a ktoré nie? Opíšte typ pohybu v tabuľke. Diel
Pohybuje sa: áno / nie
Druh pohybu
Vačka Spojovacie tyčka Vahadlo Rámček Rámček je pevný a absorbuje pohyb. Vačka musí byť schopný vykonávať kompletné otáčky a spojovacie tyčka prenáša pohyb vačky na vahadlo. Vahadlo sa pohybuje len do oblúka, pretože je pripojené k rámčeku. Aby prevodovka fungovala, dĺžky všetkých štyroch dielov musí byť v istom pomere voči sebe. Rámová píla Efekt vahadla možno využiť aj inde. Dlho bola rámová píla veľkou pomocou pre stavby konštrukcií z kovu. Jej jednoduchá konštrukcia vám pomôže lepšie pochopiť mechanizmus spojovačov. U tohto typu prevodovky sa otáčavý pohyb mení na pohyb dopredu a dozadu. Koncové body, za ktoré už píla nemôže ďalej, sú označené ako T1 a T2.
Vaša úloha: Postavte model rámové píly. Zmerajte jej cyklus. Váhy V minulosti sa cena predmetu odvodzovala od jeho hmotnosti. Toho sa dalo dosiahnuť pomocou páky a váh, na ktorú sa hodnotili hmotnosť dvoch predmetov. U vášho modelu bude páka pripojená k otočnému stredu a bude mať na oboch koncoch Místku. Obidva indikátory v stredu meracie páky musia byť v prípade vyváženie v jednej línii. Vaša úloha: Postavte model váh. Dajte na obe misky jednu kocku fischertechnik. Pracujú vaše váhy správne? Teraz nájdite dva predmety, ktoré majú podľa vás rovnakú hmotnosť. Dajte ich na váhy. Mali ste pravdu? Tieto váhy pracujú na princípe pák o rovnakej dĺžke. Páka je rovný diel, ktorá je upevnený tak, aby sa natáčať na stranu, na ktorú pôsobí väčšia sila. Obe strany od otáčajúceho sa stredu majú rovnakú dĺžku a hmotnosť. Tento princíp poznáte z hojdačky pre dvoch. Aby ste mali obe páky vyvážené, závažia na nich a ich vzdialenosť od otáčajúceho sa stredu musia byť rovnaké. Váhy s posuvným závažím Musíte hoci trpezlivý, než nájdete dve závažia o rovnakej hmotnosti. Preto ďalší vývoj smeroval k váham s posuvným závažím. Pulovr nebo vesta váhy tiez pracujte na princípe pák o rovnakej dlzka, ale tú je krútiaci moment použitý pre malý trik. Čím Ďalej od stredu je zavesený závažie na ramena VUR závažím, tím vacsie je sila. S pomocou posuvníka možné meniť krútiaci moment ramená. Vaša úloha: Postavte model váhy s posuvným závažím Pohybujte posuvným závažím, aby bolí váhy vyvážené, ked na miske nie je ziadna závažia. Indikátor v stredu váh by vám s tymto mal pomoct. Dajte na misku závažie. Vyváža váhy pomocou posuvného závažia. Aby ste vyvážili páku, musí hoci súčet krútiacich momentov v smeroch ai proti smeru hodinových ručičiek rovný. Znie to zložitá, ale nie je to tak. Pravidlo hovor, že ramená Vlavo a vprevo od otáčajúceho sa stredu musí mať k Rovňák hmotnosť, ale nie že musí mať k ai Rovňák dlzka. Čím Ďalej je závažie od otáčajúceho sa stredu, tím vacsie je sila na ramena a tiez ho závažia. Kladky a kladkostroje Len si predstavte, že by ste mali zdvihnúť na lane svojho kamaráta. Pretože váži rovnako ako vy, museli by ste kvôli tomu vyvinúť neuveriteľnú silu. Kladka na strope vám pomáha iba držať, nie dvíhať. Model kladkostroja vám dáva možnosť dvíhať ľahko veľmi ťažké náklady. Kladkostroj s dvoma kladkami Vaša úloha: Postavte model kladkostroje s dvoma kladkami, jednou pevnou a druhú voľnú. Zaveste na hák závažie. Zatiahnite za lano a merajte, ako ďaleko musíte ťahať, aby ste zdvihli závažia o 10 cm. Potrebujete na to veľa sily? Zaznamenajte svoje pozorovania do tabuľky. Dĺžka ťaženie v cm Podľa vás potrebná sila Počet povrázkov Kladkostroj s dvoma kladkami U tohto modelu sa potrebná sila znížila na polovicu. Čo dĺžka ťahaného povrázku? Kladkostroj s tromi kladkami Vaša úloha: Rozšírte podľa návodu váš model na kladkostroj s troma kladkami. Zatiahnite opäť za povrázok a zmerajte, ako ďaleko musíte ťahať teraz pre zdvihnutie závažia o 10 cm. Potrebujete na to veľa sily? Zaznamenajte svoje pozorovania do tabuľky a porovnajte ich
Dĺžka ťaženie v cm Podľa vás potrebná sila Počet povrázkov Kladkostroj s dvoma kladkami Keď už viete, ako kladkostroj funguje, môžete postaviť kladkostroj s čtyřmikladkami. Navyše zapojte namiesto vlastnej sily motor. Kladkostroj s štyrmi kladkami Vaša úloha: Rozšírte model o ďalšie kladku a motor. Pomocou gumičiek pripojte k háku peňaženku. Zvládne motor zdvihnúť mince? Aby ste zvládli zdvíhať ťažké náklady za použitia malej sily, je potrebné používať kladkostroja s dvoma, štyrmi alebo šiestimi kladkami. Podľa počtu kladiek sa potrebná sila zmenší na polovicu, čtvyrtinu a šestinu. S týmto kladkostrojom musí motor zdvíhať iba jednu štvrtinu nákladu. Avšak má toto nevýhodu: keď je náklad zdvíha o 10 cm, ako ďaleko musí motor ťahať peovázek. 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm Fyzici rozumie spôsobu, akým kladkostroj funguje, a prišli na nasledujúce pravidlo: Prác nedá šetriť. Čokoľvek je ušetrené na prácu, musí byť pridané na čase a vzdialenosti. Svet statiky Statika študuje podmienky, za ktorých sa sila pôsobí na teleso v pokoji. To činí statiku základom všetkých výpočtov a návrhov konštrukcií, ako sú mosty alebo domy. Na časti statiky pôsobia rôzne sily. Hmotnosť konštrukcia sa nazýva mŕtva váha. Hmotnosť ľudí, nábytku a dokonca aj áut sa nazýva dopravné zaťaženie. Stôl Váš stôl je tiež statickým objektom. Nesie vlastná hmotnosť, ktorá je mŕtvu váhou, a dopravné zaťaženie. To sú taniere, poháre, jedlo a pitie, ktoré sa nachádza na stole, ale tiež sa do neho počíta, keď do stola omylom vrazíte. Aby stôl vydržal všetky tieto záťaže, musí mať veľa výpomocí so statikou. Vaša úloha: Postavte model stola. Uistite sa, že diagonálne diely sú správne zapojené. Najprv dajte na stôl záťaž zhora. Potom zatlačte na dosku stola zo strany a potom proti jednej z nôh. Čo sa v týchto prípadoch stalo? Statickými charakteristikami vášho modelu sú nohy. Konštrukcia rámu stola tiež obsahuje diagonálny diely a výstuhy. Žlté diagonálne diely stabilizujú rám s ohľadom na tlak a zaťaženie. Najdôležitejšou časťou statiky sú ale spojovacie body, ktoré tvoria trojuholníky. Trojuholníky sú tiež stabilné, keď majú tyče na spojovacích bodoch pohyblivé kĺby. Také trojuholníky sa nazývajú statické trojuholníky. Takže váš model stola je staticky stabilný v troch ohľadoch. Vaša úloha: Odpojte výstuhy a dajte na stôl záťaž. Aký to má účinok na statiku stola? Dajte výstuhy späť. Zložte diagonálne diely. Umiestnite opäť na stôl záťaž. Ako je stôl stabilný teraz? Teraz zložte výstuhy. Umiestnite na stôl záťaž. Čo vidíte? Štafle Štafle majú veľmi jednoduchú statickú konštrukciu. Tiež majú výstuž. Tá slúži ako výstuž medzi oboma rebríky. Štafle sa skladajú z dvoch samostatných rebríkov, ktoré sú spojené hore otáčajúcim sa stredom. Navyše majú obaja rebríky na spodnej strane výstuž. Vaša úloha: Postavte rebrík, najprv ale bez výstuže. Dajte na štafle záťaž tak, že zatlačíte na vŕšok. Zostanú štafle stabilný? Teraz pridajte na štafle výtzuž. Otestujte štafle znova. Ako stojí teraz? Štafle pozostávajú z dvoch polovíc, ktoré sú rovnaké a sú spojené hore otáčajúcim sa stredom. V závislosti na uhle oboch polovíc štafle môžu zostať stáť aj bez výstuhy. V istom bode ale "nohy" štaflí pošmykne a obaja rebríky sú od seba vzájomne odtlačenie. Výstuha štafle stabilizuje.
Trámový most Optimálna most má štyri charakteristiky: je bezpečný, dlhý, lacný a vyzerá dobre. U vášho prvého modelu mosta sa naučíte postaviť klasický most. Vaša úloha: Postavte model mosta. Umiestnite záťaž do stredu mosta. Kde by išiel tento most použiť? Tento jednoduchý trámový most je vynikajúci pre slabé záťaže a prekonanie krátkych vzdialeností. Spĺňa všetky požiadavky. Avšak, ak je vzdialenosť dlhšia, most stráca stabilitu. Most sa spodnou výstužou Most sa spodnou výstužou pripomína zavesené mosty, ktoré prekonávajú divoké strže. Tento most s nimi ale nemá nič spoločné. Vaša úloha: Rozšírte prvý model mosta na most so spodnou výstužou. Umiestnite do stredu mosta záťaž. Môžete použiť ťažšie záťaž. Pri pokusoch sa záťažami ste určite zistili, že váš most je veľmi stabilný a vydrží značné stlačenie. Most sa spodnou výstužou to zvláda vďaka svojmu armovanie. Tento typ je vhodný pre veľké záťaže, ale nie veľké vzdialenosti. Najväčšej vzdialenosti môžete prekonať so závesnými mosty, ale tie nevydržia takú silu. Most sa spodným vystužením a závesný most len vyzerajú podobne. Z hľadiska statiky sú však úplne odlišné. Most s horným vystužením Horný pás mosta môže mať značne dlhšiu dĺžku a vydržať väčšej záťaže. Tento most má tiež armovanie. . Vzpery, výstuže a statické trojuholníky stabilizujú most. Vaša úloha: Postavte most s hornou výstužou. Umiestnite doprostred mosta záťaž. Ako sa zmenila stabilita mosta? Vymenujte všetky statické prvky, ktoré na obrázku vidíte. Tento typ mosta môže vydržať väčšie záťaže, ako trámový most. Tlačiaci sila je teraz prenášaná nielen na trámy, ale tiež rozložená na prídavné diely. Horný pás sa skladá z prekrížených diagonálnych prvkov, ktoré sú pripojené k horným kĺbom postranných prvkov. Diagonálne prvky na hornom páse zabraňujú pokrútení mosta. Keď výstuže smerujú smerom nahor, nazýva sa tento typ mosta armovacie rámec. Posed Ak chcete do výšok, posed je presne tým, čo potrebujete. Statickým základom je rámček skladajúci sa z trojuholníkov. Vaša úloha: Postavte model posedu. Spoznávate konštrukčné prvky? Zloženie rôznych prvkov dohromady sa nazýva kostra. Kostra z rámcov sa používa pre domy, veže, mosty a aj pre tento model posedu. Takéto kostry majú výhodu, že ich nemusíte vyplňovať žiadnym materiálom. Takto vystavujú vetra menej povrchu. Tento typ konštrukcie tiež šetrí stavebný materiál a pritom je stále stabilný. Žeriav Vďaka predchádzajúcim modelom ste zíkali veľa skúseností o mechanike, pákach a statike. Posledný model tieto skúsenosti zužitkuje. Žeriav vám umožní rozoznať súhru týchto prvkov a odskúšať statiku pre ich kapacitu pri zdvíhaní nákladu.
Vaša úloha: Postavte základ pre žeriav a použite závitovkové súkolesia. Pamätáte si, prečo používate šnekové súkolie? Zaznamenajte do tabuľky. Potom postavte kostru. Poznáte statické prvky, ktoré používate? Zapíšte do tabuľky. Žeriav je svojím spôsobom páka. Ako si zachová stabilitu? Ako je stabilizovaný? Na zdvíhanie nákladu je niekoľko rôznych typov prevodoviek. - Zapojte do svojho modelu žeriavu rôzne prevodovky. - Porovnajte ich funkcie. - Zapíšte do tabuľky výsledky. Ďalej do modelu zapojte kladkostroj. - Vytvorte vhodný kladkostroj pre váš model. - Čo musíte zvážiť, keď váš jeřák dvíha a spúšťa veľmi ťažké náklady? Skupina
Výhody, charakteristiky Možno použitie Diely
Mechanika Šnekové súkolie Statika Páka
GM electronic spol. s r.o.
