® Education HANDLEIDING LEERKRACHT TANDWIELEN EN VERSNELLING ENKELVOUDIGE MACHINES 78630
ENKELVOUDIGE MACHINES TANDWIELEN EN VERSNELLING Handleiding Leerkracht 96566-V3-10/14 © 2014 K’NEX Limited Partnership Group and its licensors. K’NEX Education zijn gedeponeerde handelsmerken van K’NEX Commanditaire vennootschap Groep. K’NEX Limited Partnership Group P.O. Box 700 Hatfield, PA 19440-0700 Conforms to the Requirements of ASTM Standard Consumer Safety Specification on Toy Safety, F963-03. Manufactured under U.S. Patents 5,061,219; 5,199,919; 5,350,331; 5,137,486. Other U.S.
ENKELVOUDIGE MACHINES Voorwoord: OVERZICHT Deze handleiding voor de leerkracht is ontwikkeld om de leerlingen te kunnen begeleiden als ze werken aan de K’NEX Education Intro Enkelvoudige Machines: Tandwielen en Versnelling. De combinatie van het K’NEX-materiaal, het lesmateriaal voor de individuele leerling en de informatie uit deze handleiding stelt leerlingen in staat om wetenschappelijke concepten te ontwikkelen en hun onderzoeken in zinvolle leerzame ervaringen om te zetten.
2
TANDWIELEN Tandwielen ACHTERGRONDINFORMATIE DOELEN De leerlingen: 1. Onderzoeken de kenmerken van een tandwielsystemen om te begrijpen hoe ze werken. 2. Beschrijven het verband tussen de verschillende onderdelen van het systeem. 3. Bouwen tandwielsystemen en laten zien hoe ze werken. 4. Begrijpen hoe verschillen in tandwielgrootte binnen een systeem de snelheid en de kracht opbrengst beïnvloeden. 5.
TANDWIELEN Aandrijftandwiel: Het tandwiel waar de ingangskracht op werkt. Het aandrijftandwiel brengt de ingangskracht over op het volgende tandwiel in de tandwieltrein. Aangedreven tandwiel: Het tandwiel dat de last beweegt. Loos tandwiel: Dit tandwiel zorgt dat de tandwielen aan beide kanten dezelfde kant op draait.
TANDWIELEN Om te kunnen werken moeten de tanden op de tandwielen in elkaar grijpen of door een ketting of aandrijfriem verbonden zijn. Een eenvoudige tandwieltrein bestaat uit twee of meer op elkaar passende tandwielen met op elke as slechts èèn tandwiel. Het tandwiel waarop de ingangskracht werkt heet het aandrijftandwiel. In het K’NEX Education Ventilator model is het aandrijftandwiel vastgemaakt op de as met de slinger.
TANDWIELEN De kracht vermenigvuldigen om een klus te doen. Door verschillende tandwielen te gebruiken in een tandwieltrein of kamraderen verbonden door een ketting, wordt de uitgangskracht beïnvloed. Een klein tandwiel, dat een groter tandwiel aandrijft vermenigvuldigt de kracht ten koste van de snelheid. (Geschikt voor leerlingen met voldoende rekenvaardigheden om het te kunnen begrijpen en voldoende vaardig zijn met breuken en verhoudingen.
TANDWIELEN • Vertragen. Een klein aandrijftandwiel, dat een groot aangedreven tandwiel doet draaien vermindert de draaisnelheid van de as van het aangedreven tandwiel. Bijv.: Een aandrijftandwiel met 14 tanden maakt 6 omwentelingen voor iedere keer dat een aangedreven tandwiel met 84 tanden één omwenteling maakt. De verhouding 6:1 laat zien, dat de ingangssnelheid van het kleine aandrijftandwiel 6 keer zo groot is als de uitgangssnelheid van het grote aangedreven tandwiel. Dit heet omlaag schakelen.
TANDWIELEN Kroontandwielen: Deze tandwielen liggen in vlakken die loodrecht op elkaar staan. Kroontandwielen van verschillende grootte draaien met verschillende snelheden en verschillende krachten. Heugels: Dit overbrengsysteem bestaat uit een tandwiel en een rechte staaf met tanden. Wordt gebruikt om een draaiende beweging om te zetten in een rechtlijnige. Wormwielen: De worm is een cilinder met tanden in de vorm van een spiraal. Hierop is een tandwiel aangesloten.
TANDWIELEN Ventilator met Slinger DE VENTILATOR MET SLINGER Een voorbeeld van een spoortandwielsysteem DOELEN De leerlingen: 1. Begrijpen en beschrijven de overdracht van beweging door een spoortandwielsysteem. 2. Onderzoeken de relatie tussen tandwielgrootte, draaisnelheid en kracht. MATERIALEN Elk groepje leerlingen heeft nodig: - 1 K’NEX Education bouwset met instructieboekje.
TANDWIELEN Leg uit, dat tandwielen eenvoudige machines zijn, die energie in de vorm van beweging overdragen van de ene plaats naar de andere. Gebruik een stukje speelgoed met een tandwiel of een tandwieltrein van karton om te laten zien, wat er gebeurt als je een tandwiel rond draait, dat in contact staat met een tweede tandwiel. Suggestie: Gebruik kartonnen wieltjes en plak er zorgvuldig prikkertjes op om als tanden.
TANDWIELEN U wilt nu misschien het begrip beweging introduceren en formele termen gaan gebruiken om bewegingsvormen te omschrijven, die de leerlingen in eerdere activiteiten zijn tegengekomen. Enkele termen, die je wilt gebruiken zijn: Ingangsbeweging (het door de leerlingen met de hand bewegen van het eerste tandwiel), uitgangsbeweging (de beweging van het tweede tandwiel door de ingangsbeweging), rotatie (beweging om een punt), lineaire (rechtlijnige) beweging.
TANDWIELEN (c) Vraag de leerlingen uit te leggen hoe het tandwielsysteen de ventilator laat draaien. Laat de leerlingen zien, dat de tandwielen van de ventilator in elkaar passen en dat ze in één lijn liggen. Herinner de leerlingen aan hun eerdere experimenten, waarbij ze tandwielen gebruikten die in één lijn lagen toen zeplat op de tafel lagen. Leg uit dat in deze opstelling bekend als een spoortandwielsysteem, de tandwielen bij elkaar passen of in elkaar grijpen langs dezelfde lijn of in hetzelfde vlak.
TANDWIELEN 4. Ventilator met Slinger Laat de leerlingen een klein stukje plakband vastmaken op de rand van een ventilatorblad. Vraag ze een referentiepunt te kiezen zodat ze het ventilatorblad in het oog kunnen houden als hij ronddraait. Stimuleer de leerlingen om de slinger rond te draaien. (a) Laat de leerlingen de slinger één keer ronddraaien. Laat ze daarna de slinger voortdurend ronddraaien, maar met verschillende snelheden.
TANDWIELEN NOOT: We adviseren om twee groepjes te laten samenwerken aan de volgende stap. (5) Het ene groepje bouwt de versie van het model met het grote tandrad als aandrijver, het andere groepje moet de versie van het model bouwen met het kleine tandrad als aandrijver. Als beide modellen beschikbaar zijn kan er worden vergeleken. 5.
TANDWIELEN Ventilator met Slinger Het Idee Toepassen Bespreek opnieuw de resultaten uit Stap 3 met de klas: Bewogen de slinger en het tandwiel op dezelfde as met dezelfde snelheid? Zag je hetzelfde gebeuren als je een kleiner tandwiel gebruikte? En met een groter tandwiel? Ze bewegen met dezelfde snelheid: een omwenteling van de slinger laat het tandwiel op dezelfde as ook één keer ronddraaien. Ja. Zelfs verschillende tandwielen draaien als ze op dezelfde as zitten met dezelfde snelheid.
TANDWIELEN Het Idee Uitbreiden. (Voor welke groep wordt aangegeven.) [Groep 4 en 5] 1. Laat de leerlingen op Internet zoeken naar extra informatie over tandwielen. Ze kunnen met Google zoeken en gebruiken het sleutelwoord; “Tandwiel”. [Groep 6] 2. (a) Herinner de leerlingen er aan, dat ze een onnauwkeurige manier van meten gebruikten om de ingangs- en uitgangssnelheden van de tandwielen te vergelijken toen ze de stappen 4(e), 5 (c), en 5 (e) uitvoerden.
TANDWIELEN Ventilator met Slinger [Groep 8] (c) Laat de leerlingen de tandwiel verhouding van hun slingerventilator bepalen. De leerlingen moeten de tandwiel verhouding in hun journaal noteren en in hun eigen woorden beschrijven wat de tandwiel verhouding betekent bij hun ventilator. (d) Stimuleer de leerlingen om U te vertellen, wat het voordeel is van het gebruik van deze tandwieltrein. Als de leerlingen uitleg willen, vraag ze dan of hun ventilator langzaam of snel draaide.
TANDWIELEN CHECKLIST WERKSCHRIFT: De leerlingen moeten een individueel werkschrift bijhouden om hun resultaten te vermelden. Hieronder staan voorbeelden van dingen, die in een leerlingenjournaal kunnen staan. 4 Tekening van de slingerventilator met namen en pijlen. 4 Verslag van de waarnemingen van de leerling. 4 Voorspellingen. 4 Een tabel zoals hieronder staat als samenvatting van hun resultaten. TANDWIELTREIN SNELHEID 18 VENTILATORSNELHEID T.O.V.
TANDWIELEN Het Autoraam Het Autoraam Een voorbeeld van een spoortandwiel dat een draaiende beweging omzet in een rechtlijnige. DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Maken en begrijpen het mechanisme van een model systeem dat in het dagelijks leven voorkomt. 2. Observeren hoe een draaiende beweging wordt omgezet in een rechtlijnige beweging met gebruik van spoortandwielen. 3. Onderzoeken spoortandwielen als een middel om krachten te vergroten.
TANDWIELEN Vraag de leerlingen wat er bedoeld wordt met “arbeid”. De leerlingen moeten een definitie geven zoals gegeven bij de sleutelwoorden en begrippen op pagina 3 van deze handleiding. Leg uit dat voor het openen van een autoraam doorgaans met de hand een draaiende beweging gemaakt wordt. (Bespreek de omhoog- en omlaag gaande beweging). Vraag de leerlingen wat voor soort beweging gemaakt werd om de handel van het autoraam te bewegen. (Een draaiende beweging).
TANDWIELEN Het Autoraam • Beschrijf de beweging van het raam (aangedreven beweging, output) • Waarom gebruik je een klein aandrijfwiel om een groot wiel aan te drijven? • Hoe controleer je de snelheid van het aangedreven wiel(output)? • Waarom draait de handel heel veel keer maar gaat het raam langzaam omhoog? De leerlingen moeten hun eerste gedachten in hun werkschrift opschrijven. 2. Bespreek klassikaal de stappen die er genomen zijn bij het draaien aan de handel, tot het opengaan van het raam.
TANDWIELEN TABEL 1 Eerste tandwieltrein Tandwiel 14-tanden Tandwiel 34-tanden Type tandwiel (aandrijf/aangedreven) Aandrijf Aangedreven Gevolg van een hele draai van de blauwe handel hele omwenteling (14 tanden) bijna halve omwenteling (14 tanden). Snelste tandwiel Kracht vergroot 4 snelheidsverlies bij overbrenging 4 (b) Markeer een tand van het tweede tandwiel (14-tanden). (Deze zit op dezelfde as als het gele tandwiel met 34 tanden.) En doe hetzelfde met het grote tandwiel.
TANDWIELEN Het Autoraam (c) Zet een stip op het grote tandwiel met 82-tanden. Laat het raam weer helemaal zakken en draai de handel een hele slag rond om het raam omhoog te laten gaan. Kijk naar het grote tandwiel en tel het aantal tanden van de draaiing.
TANDWIELEN Het idee toepassen Laat de leerlingen in hun werkschriften een tekening maken van het model autoraam. Ze moeten de volgende onderdelen benoemen: handel, aandrijfwiel, aangedreven wiel, en hefboom. Op hun tekening moeten twee aandrijf- en twee aangedreven wielen te zien zijn. De leerlingen moeten met pijlen in hun tekening de richting van de beweging aangeven van elk bewegend onderdeel.
TANDWIELEN De Blender De Blender Voorbeeld van een systeem met een kroonwiel DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bouwen en onderzoeken het mechanisme van een model van een alledaags gebruiksvoorwerp. 2. Observeren hoe een kroonwiel een draaiende beweging uit het ene vlak overbrengt op een draaiende beweging in een ander vlak. MATERIALEN Elke groep leerlingen heeft nodig: - 1 K’NEX Education Bouwset: Tandwielen en Versnellingen met instructieboek.
TANDWIELEN Demonstreer hoe een echte blender werkt en bespreek: De verschillende mogelijkheden van de blender. Hoe sommige blenders verschillende snelheden gebruiken om voedsel te snijden, hakken of pureren. Maak een bordschets met namen van de werking van een blender. Gebruik pijlen om de draairichting aan te geven. Zeg dat het niet nodig is om alle tanden te tekenen. Symbolisch aangeven is voldoende. Tandwiel As Tandwiel Verdeel de klas in groepjes van 2 of 3 leerlingen.
TANDWIELEN De Blender (b) Wat voor soort beweging wordt ingevoerd?(input) Een draaiende beweging. (c) Waar komt de beweging weer naar buiten?(output) Wat voor soort beweging is dit? De beweging komt naar buiten bij het hakmes. Het is een draaiende beweging. (d) Vergelijk de beweging van de input en output. Waarin zijn ze hetzelfde? Waarin verschillen ze? (e) Bekijk en onderzoek de beweging van elk bewegend deel.
TANDWIELEN Het Idee Toepassen Leg de leerlingen uit dat ze een systeem met een kroonwiel onderzocht hebben. Laat ze een van de reserve kroonwielen pakken en leg ze uit waarom dit de naam kroonwiel gekregen heeft. Laat zonodig zien dat de gele tandwielen tanden hebben die loodrecht staan op het oppervlak van het tandwiel. Van opzij lijkt dit op een kroon. Deze tanden passen in de tanden op het andere tandwiel en geven zo een verandering van draairichting van 90-graden. Laat de leerlingen dit opschrijven.
TANDWIELEN De Blender 1. Bekijk hun oplossingen - een kroonwiel helpt het werk te doen door de richting te veranderen. Dit betekent dat de inspanning toegepast kan worden in de richting die het gemakkelijkste is en dat de arbeid in een andere richting gedaan kan worden. 2. Laat de leerlingen het kroonwielsysteen vergelijken met het andere en daarbij letten op de plaats die er wordt ingenomen. Het systeem met de kroonwielen neemt minderplaats in.
TANDWIELEN CHECKLIST VERSLAG: 4 4 4 4 4 4 4 Benoeming van het versnellingsysteem. Tekening van de blender, met namen en pijlen. Verslag van de waarnemingen van de leerling aan de hand van de antwoorden op de vragen bij stap 3. Beschrijving van de bewegende onderdelen. Beschrijving van de verandering van richting van beweging en kracht. Hoe komt het kroonwiel aan zijn naam? Het nut van het gebruik van een kroonwielsysteem om een beweging van richting te veranderen.
TANDWIELEN De Fiets De Fiets/hometrainer Een voorbeeld van een tandwiel met ketting-systeem DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bouwen en onderzoeken het mechanisme van een systeem dat in het dagelijks leven voorkomt. 2. Onderzoeken hoe beweging en kracht met behulp van een tandwiel/ketting systeem over een afstand overgebracht worden.
TANDWIELEN Bespreek het ontwerp van de fiets. Zet zo mogelijk een echte fiets in de klas om te onderzoeken. Eventueel kunt u ook het instructieboek op pagina 12 en 13 laten bestuderen. Vraag de leerlingen hoe het systeem werkt en stimuleer ze de termen te gebruiken die ze al geleerd hebben. Waar komt de kracht vandaan om de fiets te laten rijden? Van je voeten met de pedalen. Welke onderdelen bewegen en wat is de functie? Meerdere antwoorden mogelijk.
TANDWIELEN De Fiets (c) Laat de leerlingen een tekening van hun fiets maken en de namen bij de onderdelen schrijven. U kunt deze wel of niet gebruiken. De volgende termen kunnen daarbij helpen: Tandwiel, ketting, pedaal, aandrijf-mechanisme,verbinding, aandrijf-tandwiel, aangedreven tandwiel, aandrijf-as, aangedreven-as. (d) Laat de leerlingen pijlen in hun tekening zetten om de richting van de beweging aan te geven als je aan de pedalen draait.
TANDWIELEN Bespreek de ideeën van de individuele leerlingen met de klas. Maak aantekeningen op het bord. Bekijk de lijst. Vraag de leerlingen naar andere machines die beweging over een afstand verplaatsen. Vertel ze dat kettingen niet de enige manier zijn om beweging over een afstand over te brengen. Vraag ze een lijst te maken van machines die ook beweging overbrengen met tandwielen. Hier zullen ze hulp bij nodig hebben. Handig zou zijn om foto’s van o.a. de machines hieronder bij de hand te hebben.
TANDWIELEN TANDWIELEN: Verandering van richting, snelheid en kracht … Een tandwiel is een wiel met tanden aan de buitenkant. Tandwielen kunnen: De richting veranderen van iets dat beweegt. De snelheid veranderen van iets dat beweegt. De kracht veranderen die nodig is om iets te bewegen. w ww.k nexeduc at ion.
TANDWIELEN TANDWIELEN: In beweging… Aandrijfwiel Aangedreven wiel AANDRIJFWIEL: Het wiel waarop de kracht wordt uitgeoefend. AANGEDREVEN WIEL: Het wiel dat verbonden(geschakeld) is met het aandrijf wiel.
TANDWIELEN TANDWIELTREIN: Verandert de richting van de draaiing … Tussenwiel Aandrijfwiel Aangedreven wiel Twee of meer tandwielen die in elkaar grijpen vormen een tandwieltrein. Tandwielen die in elkaar grijpen draaien in tegenovergestelde richtingen. Een tussenwiel laat de tandwielen aan weerszijden dezelfde kant op draaien. w ww.k nexeduc at ion.
TANDWIELEN KROONWIELEN: Verandering van vlak… Een kroonwiel grijpt met een rechte hoek in een ander tandwiel en verandert de richting van de beweging. Het ene tandwiel draait verticaal(van boven naar beneden) en het andere horizontaal(van links naar rechts of andersom).
TANDWIELEN TANDWIELEN: Verandering van snelheid en kracht… Groot aandrijfwiel (traag) Klein aangedreven wiel (snel) VERSNELLEN: Een groot aandrijfwiel laat een klein aangedreven wiel sneller draaien. Dit verhoogt de snelheid maar vermindert de kracht. Klein aandrijfwiel (snel) Groot aangedreven wiel (langzaam) VERTRAGEN: Een klein aandrijfwiel laat een groot aangedreven wiel langzamer draaien. De vermindert de snelheid maar vergroot de kracht van de draaiing. w ww.k nexeduc at ion.
TANDWIELEN TANDWIELEN: Probeer dit … Welke kant draaien deze wielen op? 40 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Education® ENKELVOUDIGE MACHINES
