Jednoduché stroje

I. Uvedení do tématu

Současné stroje se již málo podobají svým předchůdcům z doby, kdy začínala průmyslová výroba. Mají s nimi však společné části: páka, kladka, kolo na hřídeli, nakloněná rovina, šroub a klín. Tyto základní konstrukční části označujeme jako jednoduché stroje. Všechny jednoduché stroje se používají od starověku. Dlouho je také známé tzv. zlaté pravidlo mechaniky: s využitím jednoduchých strojů se nedá ušetřit práce. Jednoduché stroje však usnadní práci tím, že můžeme vyvinout menší sílu nebo změnit směr působení síly. Zmenšení síly však musíme vyrovnat působením síly na delší dráze.

II. Zadání

Vysvětlete žákům průběh lekce a to, jaký je účel cvičení. Vysvětlete jim páku (jednozvratná, dvouzvratná, momenty sil), kolo na hřídeli, kladku (pevná, volná, kladkostroj), nakloněnou rovinu(pohyb po nakloněné rovině, gravitační síla), klín a šroub. Nebojte se uvést příklady z praxe.

Dále by si žáci měli vyzkoušet tyto stroje vymodelovat. Na to použijeme TinkerCad. Můžete žáky rozdělit na skupiny a nechat je vymodelovat po jednom stroji nebo každou skupinu nechat vymodelovat všechny. Návod, jak na to, najdete v další sekci.

Následuje 3D tisk jednotlivých strojů.

Na závěr s žáky diskutujte a na příkladech demonstrujte funkci těchto strojů, nechte je, ať si všechno vyzkoušejí.

III. 3D modelování

Základní prostorová tělesa (kvádr, válec, koule, kužel, jehlan, n-boký hranol) jsou v Tinkercadu již předpřipravené, naleznete je v pravé části obrazovky v oddílu základní tvary. Promítněte žákům příklad modelu, který budou mít za úkol vytvořit. Dále jim vysvětlete daná omezení – například předepsané rozměry. Hodnotu rozměrů je třeba citlivě zvolit s ohledem na tiskové možnosti 3D tiskárny ve škole, spotřebu materiálu a délku tisku. Při modelování těles budou žáci využívat příkazy seskupit, zarovnat a díra.

Vyzvěte žáky, aby si otevřeli program Tinkercad a vytvořili si v něm nový projekt. Pro snadnější splnění podmínky týkající se maximálních rozměrů žákům ukažte, že mohou s výhodou použít nastavení mřížky pracovní plochy. V pravém dolním rohu kliknutím na tlačítko Upr. mříž. změňte nastavení na hodnoty výška 150 mm a šířka 150 mm. Případně můžete nastavit i jiný krok rozlišení. V tomto případě je krok nastaven na výchozí hodnotu 1,0 mm.

Dále již žáci postupují sami. Postupně si budou vybírat základní prostorová tělesa z nabídky Tinkercadu, zvolí jejich rozměry a vytvoří z nich zadané jednoduché stroje.

Dále je uveden vzorový postup pro toto zadání – ukázka modelování všech jednoduchých strojů. Pro jednoduchost jsou dále v textu použity jednotky milimetr.

1. Jako první vytvořím páku. Nejprve jsem vytvořil kvádr o stranách 120 × 10 × 5 mm a umístil jej přibližně do středu pracovní plochy.

2. Na kvádr jsem přidal hranoly s trojuhelníkovou podstavou označené jako díra o rozměrech 5 × 10 × 3 mm a rovnoměrně je rozmístil.

3. Pak jsem všechno označil a zvolil možnost seskupit v menu nahoře vpravo, čím vznikla páka se zářezy pro podepření.

4. Jako další jsem vytvořil trojúhelník, který bude sloužit pro podepření páky. Jeho rozměry jsou 10 × 10 × 15 mm.

5. Dalším vytvořeným strojem je nakloněná rovina. Znovu to je trojboký hranol o rozměrech 100 × 20 × 30 mm. Nakloněnou rovinu lze taky použít jako klín.

6. Šroub vytvoříme kombinací metrického závitu a n-bokého hranolu. Metrický závit najdeme vpravo v rozšířených tvarech v sekci Shape Generators – Doporučené a n-boký hranol v základních tvarech. Nastavíme jim rozměry, posuneme do výšky a znovu použijeme možnost seskupit.

7. Zbývají nám ještě kladka a kolo na hřídeli, které můžeme zkombinovat tak, že kladku umístíme na hřídel. Vymodelujeme kladku pomocí 3 válců s dírou a seskupíme a hřídel bude čtvrtý válec.

8. Ve vlastnostech těles jim dáme nejvyšší počet stěn, aby byly jako válce a ne jako n-boké hranoly.

9. Na závěr kladku zduplikujeme pomocí ctrl+c a ctrl+v, aby mohli žáci udělat i kladkostroj.

10. Posledním krokem je stažení modelu pro tisk. To provedeme tlačítkem export vpravo nahoře, vybereme formát .stl a uložíme do počítače.

IV. 3D tisk

Před vlastním 3D tiskem je nutné model klasicky vyslicovat. Použitý software se ve většině případů liší v závislosti na modelu tiskárny. Jelikož se jedná o model, který bude mechanicky namáhaný, ale nebude namáhaný teplotně, je dobrou volbou materiál PLA. Kvalita tisku bude postačovat standardní. Pro tisk tohoto modelu jsou doporučena následující nastavení:

• Výška vrstvy: 0,20 mm
• Podpěry: všude
• Výplň: 20 %
• Perimetry: 2
• Počet plných vrchních a spodních vrstvev: 3

Nastavení samozřejmě uzpůsobte svému modelu a tiskárně.

Po provedení nastavení a uložení G-code jej pošleme k tisku. Na obrázcích níže můžeme vidět tisk první vrstvy a finální podobu tisku.

V. Experiment

Po vytištění již můžete přistoupit k experimentální části lekce. Diskutujte s žáky možné způsoby využití těchto strojů, nechte je vymyslet, kde by je využili oni. Nechte je vyzkoušet si jejich nápady na využití a uveďte ty nejběžnější.

Nechte je změřit momenty sil na páce a kole na hřídeli pomocí siloměrů.

Dejte jim za úkol poskládat jednoduchý kladkostroj za pomoci dvou volných kladek.

Zakomponujte výpočty úhlů na nakloněné rovině a pohyb tělesa po nakloněné rovině. Využijte tuto rovinu jako klín a vypočtěte sílu, kterou klín drží např. dveře.

Vysvětlete jim šroub, jeho velikost a velikost závitu. To, že je to vlastně nakloněná rovina navinutá na válec.