البكرات البسيطة
نشاط STEM
ملخص:
يواصل الطلاب استكشاف قصة بناء هرم ، والتعرف على آلة بسيطة تسمى البكرة. يتعلمون كيف يمكن استخدام بكرة لتغيير اتجاه القوى المطبقة وتحريك رفع الأشياء الثقيلة ، والمزايا الميكانيكية القوية لاستخدام نظام متعدد البكرات. يقوم الطلاب بإجراء عرض توضيحي بسيط لمعرفة الميزة الميكانيكية لاستخدام بكرة ، كما يقومون بتحديد التطبيقات الهندسية الحديثة للبكرات. في نشاط عملي ، يرون كيف يمكن للبكرة أن تغير اتجاه القوة ، والفرق بين البكرات الثابتة والمتحركة ، والميزة الميكانيكية المكتسبة من البكرات المتعددة / المدمجة. يتعلمون أيضًا الطرق العديدة التي يستخدم بها المهندسون البكرات للأغراض اليومية.
الارتباط الهندسي :
المهندسون خبراء في استغلال مزايا الآلات البسيطة في جميع أنواع تطبيقات العالم الحقيقي التي تفيد المجتمع. وهي تدمج الميزة الميكانيكية للبكرات في تصميمها للعديد من الهياكل والآلات والمنتجات والأدوات الحديثة ، مثل الرافعات والمصاعد وسلاسل العلم وخطوط الانزلاق والمحركات وحلقات / سلاسل الدراجات وخطوط الملابس ودلو / حبل آبار المياه وأجهزة تسلق الصخور وستائر النوافذ وقوارب الشراع / الصيد. باستخدام بكرات متعددة جنبًا إلى جنب مع المحركات والإلكترونيات ، ينشئ المهندسون أجهزة حديثة معقدة تؤدي الكثير من العمل مقابل القليل جدًا من الطاقة.
أهداف التعلم :
وضح كيف يتم استخدام البكرات.
اشرح كيف كان من الممكن أن يستخدم المهندسون البكرات في العصور القديمة للقيام بالعمل.
تحديد التطبيقات الحديثة التي يستخدم فيها المهندسون البكرات.
مقدمة :
لا أحد يعرف على وجه اليقين ما إذا كانت البكرات إحدى الآلات البسيطة التي استخدمتها الثقافات القديمة لبناء الأهرامات. يعتقد قلة من الناس أن الأهرامات الجميلة والضخمة لا يمكن أن تُبنى باستخدام شيء بسيط مثل الآلات البسيطة. بعض الناس لديهم نظريات جامحة حول كيفية ظهور الأهرامات .
البكرة هي آلة بسيطة تتكون من خيط (أو حبل) ملفوف حول عجلة مع أحد طرفي الخيط متصل بجسم والطرف الآخر متصل بشخص أو بمحرك. قد تبدو البكرات بسيطة ، لكنها يمكن أن توفر ميزة ميكانيكية قوية بحيث يمكن القيام بمهام الرفع بسهولة.
تستخدم البكرات بعدة طرق ، كل يوم. ما نوع البكرات التي يمكن أن تخطر ببالك؟
بعض الأمثلة الشائعة هي رافعات البناء الكبيرة التي تستخدم البكرات لرفع الأشياء الثقيلة بما يمكن أن يكون عادة محركًا ضعيفًا للغاية (انظر الشكل 1) ، وآلات الوزن في صالة الألعاب الرياضية ، وبعض المصاعد ، وأعمدة العلم ، وستائر النوافذ ، وحلقات / سلاسل الدراجات ، وخيوط الغسيل ، ودلو / حبل آبار المياه ، وخطوط الانزلاق ، والمحركات ، وأجهزة تسلق الصخور ، وقوارب الإبحار والصيد (انظر الشكل 2).
شكل 1
شكل 2
بكرة مستخدمة في قارب صيد
المصعد هو استخدام هندسي حديث لنظام بكرة يشبه إلى حد كبير رفع حجر كبير لبناء الهرم. بدون استخدام البكرات ، سيتطلب المصعد محركًا كبيرًا لسحب الكابل بشكل مستقيم. بدلاً من استخدام محرك كبير ، تستخدم بعض المصاعد وزنًا كبيرًا يستفيد من الجاذبية للمساعدة في رفع عربة المصعد (انظر الشكل 3). في هذه الحالة ، يمكن أن يكون محرك الطاقة أصغر بكثير ويمكن استخدامه فقط لتحديد الاتجاه الذي يجب أن يسلكه المصعد.
شكل 3
ولكن كيف يمكن لعجلة بها خيط أن تساعدنا في تحريك الأحجار الضخمة المطلوبة لبناء هرم؟ حسنًا ، تساعدنا البكرات عن طريق تغيير اتجاه القوة التي نستخدمها لرفع جسم ما.
هل من الأسهل عليك سحب الحبل أو شد الحبل للأسفل؟ باستخدام بكرة ، لا يتعين علينا سحب حبل لرفع جسم ثقيل متصل به ، ولكن بدلاً من ذلك يمكننا شده لأسفل. فكر في سارية العلم كمثال. عندما تسحب حبل سارية العلم لأسفل ، يرتفع العلم إلى أعلى العمود ليلوح في الهواء. هذا لأن سارية العلم بها بكرة. باستخدام البكرات لإعادة توجيه القوة ، يمكن رفع الحجر عن الأرض ، مما يسمح لمزيد من الناس بالإمساك بالحبل ، وزيادة الوزن بحيث يضطر العمال إلى سحب أقل. لتبسيط هذا الجهد أكثر ، يمكن للعمال الذين يستخدمون بكرة تحريك حجر كبير على منحدر عن طريق سحب حبل أثناء السير على المنحدر ، باستخدام الجاذبية لصالحهم.
تتمثل الميزة الميكانيكية الحقيقية للبكرة في استخدام العديد من البكرات في وقت واحد. يؤدي استخدام بكرات متعددة إلى تقليل مقدار القوة اللازمة لتحريك الجسم عن طريق زيادة مقدار الحبل المستخدم في رفع الجسم. الميزة الميكانيكية (MA) لنظام البكرة تساوي عدد الحبال التي تدعم الحمل المتحرك. نحن نعلم من الدروس الأخرى على الآلات البسيطة أنه للحصول على ميزة ميكانيكية أكبر ، هناك مفاضلة. مع البكرة ، تكون المقايضة هي المسافة. لذلك ، إذا تم استخدام بكرتين معًا ، يتم قطع مقدار القوة المطلوبة إلى النصف ، ولكن يلزم سحب ضعف كمية الحبل لرفع الجسم إلى نفس الارتفاع المطلوب.
خاص بمعلم STEM
البكرة ، هي آلة بسيطة ، تساعدنا على أداء العمل عن طريق تغيير اتجاه القوى وتسهيل تحريك الأشياء الكبيرة. عند التفكير في البكرات ، يفكر معظم الناس في نوع البكرة التي تسمح للشخص بإعادة توجيه اتجاه القوة. مع هذا النوع من البكرات - يسمى بكرة ثابتة - يؤدي سحب حبل لأسفل إلى رفع الجسم عن الأرض. هناك أيضًا أنظمة بكرات وبكرات متحركة. منذ آلاف السنين ، استخدم المهندسون الأوائل البكرات للمساعدة في البناء والعديد من المهام اليومية المفيدة. تم نصب العديد من المسلات باستخدام البكرات والآبار بها بكرات للمساعدة في استرداد المياه.
المفهوم الأكثر شيوعًا للبكرة هو أنها آلة بسيطة تعيد توجيه القوة. هذا يعني أنه من خلال لف الحبل حول بكرة وربط الحبل بجسم ما ، يسحب المرء الحبل لأسفل لرفع الجسم ، بدلاً من الاضطرار إلى رفع الشيء .على الرغم من أن هذا استخدام مفيد ومريح للبكرات ، إلا أن له قيودًا كبيرة: القوة التي يجب أن تطبقها لرفع الجسم هي نفس المقدار كما لو كنت ترفع الجسم بدون البكرة (وهو أمر مقبول لرفع العلم ، ولكنه ليس مفيدًا بدرجة كافية إذا كنت تحاول رفع حجر هرمي). هذا يعني أن البكرة الثابتة لا تعطي أي ميزة ميكانيكية.
يعد تكوين البكرة الثابتة مفيدًا لرفع الجسم إلى مستوى أعلى من رأسك. يتيح لك استخدام هذا النوع من البكرات أيضًا الاستفادة من الجاذبية. ومن خلال ربط أوزان بنهاية الحبل الذي تسحبه ، يمكنك تقليل مقدار القوة التي يجب عليك تطبيقها. يمكن أيضًا استخدام هذا النوع من البكرات لموازنة جسم ما ، عن طريق ربط أشياء متساوية الوزن بجانبي الحبل ، ولا يتحرك أي جسم. بمجرد تطبيق القوة على أي من الجانبين ، يستمر النظام في التحرك في هذا الاتجاه. يستخدم هذا النوع من نظام البكرة في بعض المصاعد. يحتوي المصعد على كابل متصل به يرتفع لأعلى ، حول بكرة ، ثم ينزل ويرتبط بثقل موازن. يستخدم المحرك الذي يحرك عربة المصعد طاقة أقل بكثير لأن الثقل الموازن يحافظ على توازن المصعد.
نوع آخر من البكرة هو بكرة متحركة. في نظام البكرة المتحركة ، يتم توصيل الحبل بنقطة ثابتة (غير متحركة) ، ويتم توصيل البكرة بالجسم الذي تريد تحريكه ويترك الطرف الآخر من الحبل حراً. عن طريق سحب الحبل ، تتحرك البكرة ويرفع الجسم. هذا النوع من النظام جيد إذا كنت تحاول رفع كائن يقع أسفلك إلى مستواك. في التباين ، إذا تم إصلاح كلا جانبي نظام البكرة المتحركة وكان الحبل مشدودًا بين النقاط الثابتة ، يصبح النظام مثل عجلة ومحور لأن الجسم يمكن أن يركب على طول الحبل إذا تم تطبيق قوة عليه.
النشاط الخاص بالدرس:
الأدوات المطلوبة لكل مجموعة:
· بكرتان صغيرتان ( استخدم بكرة خيطية مع عود ، أو ماصة ، أو قلم رصاص ، أو وتد ، أو عود أسنان ، أو أسياخ طبخ خشبية تتناسب مع فتحة البكرة كمحور ، مما يسمح للبكرة بالدوران بحرية حولها)
· 1 متر من الخيط (قوي بما يكفي لدعم الجسم المرفوع)
· وزن يجب رفعه بواسطة البكرة (على سبيل المثال، قطعة صابون / علبة بلاستيكيه بداخلها ماء أو رمل ؛ يجب أن يزن الجسم ¾ من أقصى وزن يمكن قياسه بواسطة مقياس الزنبرك)
تكامل تخصصات STEM
العلوم: البكرات البسيطة والآلات الميكانيكية
الرياضيات: قوانين الدائرة – القياس
التقنية: استخدام الأدوات المتاحة لبناء وتصميم النموذج ( ورق كرتوني – مسطرة – بكرات – مقص) تصميم العمل في مواقع تقنية مختلفة مثل Prezi و بوربوينت.
الهندسة: تطبيق النموذج باستخدام خطوات التصميم الهندسي
خطوات العمل:
1 - وزع أوراق العمل على المجموعات
2 - وزع الأدوات على المجموعات
3 - اربط أحد طرفي الخيط بالجسم المراد رفعه.
4 - اربط حلقة صغيرة في الطرف الآخر من السلسلة.
5 - قم بوزن الجسم عن طريق ربط حلقة الخيط بالخطاف بالميزان الزنبركي وسحب الجسم مباشرة في الهواء. سجل هذه القيمة في ورقة خاصة.
6 - قم بإنشاء بكرة ثابتة عن طريق تمرير الخيط فوق عجلة البكرة.
7 - في حالة استخدام البكرات ، اطلب من الطلاب إنشاء بكرة بوضع قلم رصاص أو عود أو قش في منتصف البكرة كمحور (انظر الصورة 1 ). تأكد من أن البكرة قادرة على الدوران بحرية حول المحور.
صورة 1
8 - اطلب من أحد الطلاب أن يمسك البكرة بينما يسحب آخر الخيط جانبًا أو لأسفل، كما هو موضح في الصورة 2. سجل القوة المطلوبة (القياس على مقياس الزنبرك) في نفس الورقة السابقة.
صورة 2
9 - بعد ذلك ، قم بإنشاء بكرة متحركة عن طريق ربط البكرة بالكائن انظر الصورة الثالثة.. إذا كنت تستخدم بكرات مسبقة الصنع ، فقم بإرفاقها بشريط لاصق. إذا كنت تستخدم البكرات ، فقم بإرفاق محور البكرة بالكائن بشريط أو خيط ، وتأكد من أن البكرة لا تزال تدور بحرية.)
10 - أحد الطلاب يحمل الخيط في مكانه بينما يرفع طالب آخر الشيء عن طريق سحب سلسلة مقياس الزنبرك ،
صورة 3
11- لاحظ مقدار القوة المطلوبة لرفع الجسم (قياس مقياس الزنبرك) وقم بتسجيله في ورقة العمل الخاصة بك.
12 - أخيرًا ، قم بإنشاء نظام بكرة. مرر الخيط خلال بكرة واحدة (البكرة الثابتة) ومن خلال الأخرى (البكرة المتحركة التي يوجد بها الجسم المتصل بها) ، كما في الصورة 4
صورة 4
13 - اطلب من أحد الطلاب أن يمسك الطرف الحر للحبل والبكرة الثابتة ، بينما يرفع طالب آخر الجسم عن طريق سحبه لأسفل على مقياس الزنبرك. سجل في ورقة العمل القوة المطلوبة لرفع الجسم (قياس مقياس الزنبرك) باستخدام نظام البكرتين هذا.
14 - وفر الوقت لفرق الطلاب لإكمال باقي ورقة العمل.
15 - اختتم بمقارنة النتائج كفئة ، ومناقشة المزايا الميكانيكية التي تظهر باستخدام تكوينات البكرات المختلفة.
مقطع فيديو يوضح التجربة :
المهام الإضافية أثناء تنفيذ الدرس :
العصف الذهني: اجعل الطلاب يشاركون في مناقشة مفتوحة. ذكر الطلاب أنه في عملية العصف الذهني ، لا توجد فكرة أو اقتراح "خاطئ". يجب سماع جميع الأفكار باحترام. اتخذ موقفًا غير نقدي ، وشجع الأفكار الجامحة وتثبيط انتقاد الأفكار. اطلب منهم رفع أيديهم للرد. اكتب أفكارهم على السبورة.
اسأل الطلاب:
ما هي الآلات البسيطة؟ ما هي ميزة الآلات البسيطة؟
الإجابات المحتملة: آلة ذات أجزاء متحركة قليلة أو بدون أجزاء متحركة تُستخدم لتسهيل العمل. الآلات البسيطة تجعل العمل أسهل من خلال إنشاء ميزة ميكانيكية ، مثل المقايضة بمسافة أكبر مقابل قوة أقل.)
لماذا يهتم المهندسون بالآلات البسيطة؟
الإجابة: تستخدم المعدات والهياكل والأدوات الحديثة مبادئ الآلة البسيطة لأداء مهام بسيطة ومعقدة. على الرغم من أنك قد لا ترى أبدًا بكرة تعمل في موقع العمل ، فإن البكرات مخفية داخل المحركات وداخل الرافعات وتعمل خلف الكواليس طوال الوقت.)
مخطط المعرفة / تريد أن تعرف / تعلم (KWL): قم بإنشاء مخطط KWL للفصل الدراسي للمساعدة في تنظيم التعلم حول موضوع جديد. على ورقة كبيرة أو على لوحة الفصل ، ارسم مخططًا بعنوان "الآلات البسيطة: البكرات." ارسم ثلاثة أعمدة بعنوان K و W و L ، تمثل ما يعرفه الطلاب عن البكرات وما يريدون معرفته عن البكرات وما تعلموه عن البكرات ومزاياها الميكانيكية. املأ قسمي K و W أثناء مقدمة الدرس حيث تظهر الحقائق والأسئلة. املأ القسم L في نهاية الدرس.
أسئلة للمناقشة: اطلب إجابات الطلاب ودمجها ولخصها.
ماذا لاحظنا أثناء عرض المكنسة والحبل؟ ما هو تأثير إضافة المزيد من البكرات؟
الإجابات المحتملة: البكرات تعمل ، باستخدام الميزة الميكانيكية لتسهيل العمل ، وإضافة المزيد من البكرات (لفات الحبل) جعلت سحب المكانس معًا أسهل.)
اشرح كيفية العثور على الميزة الميكانيكية لنظام البكرة.
الإجابة: الميزة الميكانيكية للبكرة هي النظام تساوي عدد الحبال التي تدعم بكرة متحركة.
ما هي ميزة المفاضلة الميكانيكية في نظام البكرة؟
الجواب: المسافة أو طول الحبل.
ما هي بعض الأمثلة على العناصر الحديثة التي صممها المهندسون بالبكرات؟
الإجابات المحتملة: الرافعات ، والمصاعد ، والكتل والمعالجة على القوارب ، وسارية العلم ، وخطوط الانزلاق ، والمحركات ، وحلقات / سلاسل الدراجات ، وأجهزة تسلق الصخور ، وستائر النوافذ ، والقوارب الشراعية.
أنشطة إضافية للدرس:
حاول صنع بكرة بشرية. أنت بحاجة إلى لوح وحبل قوي ومكان به دعامة علوية، مثل مرمى كرة قدم أو معدات ملعب. لف أحد طرفي الحبل حول 2 × 4 (أو شيء قوي مثل مقعد من أرجوحة) ولف الطرف الآخر من الحبل حول المرمى، واترك الطرف الخلفي معلقًا على الأرض. اسمح لطفل واحد بالجلوس على 2 × 4 بينما يحاول طفلان آخران رفعهما عن طريق سحب الطرف الحر للحبل لأسفل. استمر في لف الحبل حول الهدف أو شريط الدعم حتى يتمكن الطفلان من رفع الطفل الجالس لأعلى ولأسفل بسهولة. قد يكون من المفيد أن تبدأ الطفل الجالس من وضعية الوقوف (كلا القدمين على الأرض).
إذا لم يكن الطلاب على دراية بالخط البريدي، اطلب منهم البحث عن هذا على الإنترنت. الخط المضغوط هو مثال ممتع على بكرة متحركة.
تحدي الطلاب الأكثر تقدمًا لحساب الميزة الميكانيكية لاستخدام بكرات متعددة، والتي تتطلب القسمة مع الباقي أو الكسور.
اذا اعجبك النشاط شاركه مع غيرك لتعم الفائدة على الجميع.