Jak se hýbe naše kostra?
Zajímalo vás někdy, jak se všechny stroje pohybují? A kdo všechny ty pohyby vymyslel? A víte, že ten základní pohyb možná vychází z něčeho, co sami dobře znáte? V této lekci se dozvíte základní kloubní spojení lidského těla, jejich pohyblivost a omezení. Kloub je totiž spojení a zároveň ohebné místo dvou nebo více se vzájemně dotýkajících kostí. To stejné je kloub z mechanického hlediska. V této lekci si představíte základní kloubní spojení lidského těla. Ty převedete na jednoduché mechanické klouby, vymodelujete a na závěr vytisknete na 3D tiskárně. Žáci tak zjistí, že většina základních mechanických pohybů mají původ v těch organických v našem těle. Získané znalosti pak mohou žáci využít v praxi při návrhu ohebných spojů.

Martina Ondrová

08.03.2021

I. Uvedení do tématu

O čem to je?

Obecně kloub je spojení vzájemně se stýkajících prvků organismu nebo mechanismu, které umožňuje nějaký jejich vzájemný pohyb. Podle typu kloubu se liší počet stupňů volnosti tohoto pohybu. To pro nás případě našeho těla znamená, jak jsou jednotlivé části omezeny v pohybu.

V této lekci si s žáky přestavíte základní kloubní spojení našeho těla. Žáci si vybraný organický kloub geometricky zjednoduší a převedou jej na mechanický. Ten vymodelují v 3D programu a vytisknou. V průběhu lekce si uvědomí, že všechny základní mechanické pohyby mají původ v těch organických.

Stručný postup lekce

  1. Teoretický úvod do kloubů lidského těla
  2. Výběr konkrétního kloubu
  3. Nahrazení kloubu lidského organismu mechanickým
  4. Modelování v Tinkercadu
  5. Příprava dat na 3D tisk ve sliceru
  6. 3D tisk
  7. Kompletovace a praktické využití

Procvičovaná látka a dovednosti

V této lekci si žáci prakticky procvičí tuto látku a dovednosti:

  • Lidská kostra
  • Pojmenování kostí a kloubů
  • Typy kloubních spojení
  • Převedení organických spojení na mechanické
  • 3D modelování
  • Příprava dat na 3D tisk
  • Kompletace 3D tištěných dílů
  • Praktické využití pohyblivých spojů

Materiál

  • Filament PLA různých barev

Stroje

  • 3D tiskárna (v této lekci je postup demonstrován na tiskárně Prusa Mini)

Pomůcky

  • Tužka a papír
  • Vteřinové lepidlo

Software

  • Tinkercad
  • Slicer (v této lekci je použit PrusaSlicer)

Galerie

II. Teoretický úvod

V této lekci je zapotřebí na začátku uvést žáky do druhů kloubních spojení v lidském těle. Ideálně se tato lekce hodí, pokud zrovna probíráte kostru lidského těla. Výborně doplní znalosti pojmenování kostí a kloubů v lidské kostře.

Kloubní spojení lidského těla

Kloub je spojení a zároveň ohebné místo vzájemně se stýkajících dvou nebo více kostí a slouží k pohybu určité části těla. Stejně jako mechanické klouby tak i organické klouby lidského těla či jiných živočichů lze zkoumat pomocí mechaniky. Hlavně jejich pohyb, degradaci, úrazy nebo umělé náhrady.

Klouby lze dělit různými způsoby:

Dle vztahu právě k biologii a mechanice:

  • mechanické klouby – vytvořené člověkem (stroje, roboty)
  • organické klouby živých organismů
  • klouby mechanicko-organické – vloženy do existujícího organismu (protéza)

Dle stupňů volnosti:

  • rovinné (2D) klouby.
  • prostorové (3D) klouby.
TIP!

Už v této fázi se s žáky pobavte, jestli ve svém běžném životě mají kolem sebe věci, které využívají nějaké mechanické kloubní spojení. Zkuste si je vyjmenovat a přiřadit k nim základní organický pohyb.

 

Po krátkém úvodu je třeba, aby si žáci vybrali konkrétní kloub v lidském těle. Můžete k tomu použít následující ukázkový seznam, který vyjmenovává jednotlivé klouby podle tvaru styčných ploch. Vybraný kloub následně žáci vymodelují a zpracují z něj mechanický kloub.

 

  • Kloub kulovitý – omezený (kyčelní kloub) a volný (ramenní)
  • Kloub válcový – kladkový (pažní a loketní kost, články prstů) a čepový (loketní kost a vřetenní, nosič a čepovec u páteře)
  • Kloub vejčitý – první krční obratel
  • Kloub sedlový – kost palce a záprstní kost
  • Kloub plochý – krční obratle

Samozřejmě využijte obsáhlejší zdroje informací, pokud máte k dispozici. Jako například učebnici, kterou probíráte s žáky nebo vlastní materiály. Diskutujte s žáky, která mechanická věc (vytvořená člověkem) využívá tento druh pohybu. Určitě přijdete na spoustu příkladů z vašeho okolí. Pro inspiraci je zde zmíněno pár příkladů:

 

  • Kloub válcový kladkový (jako u článků prstů) využívají například panty v kuchyňských skříňkách případně víko od odpadkového koše.
  • Kloub válcový čepový (jako u 1. krčního obratle) využívají všechny čepy v konstrukcích, v domácnosti například pant dveří, otočný stojan na televizi.
  • Kloub kulovitý nebo vejčitý (jako rameno) využívají kohoutky na vodu a podobně.

III. 3D modelování

V této fázi si všichni žáci připraví svůj pohyblivý kloub ve 3D programu. V ukázkovém případě jsme zpracovali válcový kloub čepový a kulovitý kloub. Kulovitý kloub je vymodelován jako geometrické zobrazení reálného kloubu. Naopak válcový kloub je vymodelován jako ukázka použití tohoto kloubu v mechanické podobě. Dle této ukázky byste měli být schopni s žáky vymodelovat všechny ostatní kloubní spojení. Případně navrhnout jejich komplexnější mechanickou podobu.

 

Vyzvěte tedy žáky, ať si otevřou program Tinkercad a založí si nový projekt, který si pojmenují. V první kroku si upraví mřížku tak, aby odpovídala velikosti tiskové plochy 3D tiskárny.

Kulovitý omezený kloub

  1. Jako první si ze základní nabídky těles žáci vyberou Kouli. Tu umístí na plochu a nastaví zvolenou velikost.

2. Jako druhý krok přidají ještě jednu kouli, ale o něco větší než předchozí. Ta bude sloužit jako pouzdro kloubu. Druhá koule by měla být minimálně o 3 mm větší než předchozí.

TIP!

Pro snadnější orientaci můžete využít možnost změnit barvu jednotlivých těles.

3. Jako další vloží žáci kvádr, který bude zasahovat do spodní poloviny větší koule. Jak moc záleží na vás. V tomto případě, aby kloub byl omezený kulový, je potřeba aby samotné pouzdro bylo větší než polovina koule. Kvádru nastaví vlastnosti Díra a dané objekty seskupí pomocí Seskupit.

TIP!

Tělesu lze nastavit i průhledná barva, aby žáci viděli, kam až krychle zasahuje!

4. V následujícím kroku je potřeba vnitřní kouli zkopírovat a o 1 mm zvětšit. Pomocí příkazu Zarovnat srovnají obě koule přesně na sebe a menší z nich odečtou pomocí příkazů Díra a Seskupit.

5. Na konci zůstane pouze vnější obal koule. Jako poslední krok žáci přidají nějaký válec nebo kvádr na obě části, ale tak mohli lépe znázornit pohyb kloubu. Válce opět seskupí s danou polovinou.

6. Jelikož je pouzdro dosti uzavřené, je třeba jej rozdělit na tisk na poloviny. Tímto způsobem z něj vytvoříte dvě části a žáci budou schopni vložit ramenní kloub do pouzdra. Toho docílíte nejjednodušeji zkopírováním daného tvaru a pomocí kvádru s vlastností díra z originálu odečtete horní polovinu a z kopie spodní.

TIP!

Pokud chcete tisknout bez podpor, dejte na půlky i vnitřní část kloubu.

7. Teď již stačí scénu vyexportovat do .stl souboru. V tomto kroku mají žáci připraveno na slicování souboru na tisk.

Válcový čepový kloub

V tomto případě připravíte a vytisknete mechanickou verzi toho kloubu. Půjde o jednoduchý pant, který lze využít například na skříňku. Půjde o pant, ve kterém budou připraveny díry na šrouby.

 

  1. Nejprve připravíte kvádr. Jako druhý bude potřeba půlválec o stejné délce. Vše budete dělat ve dvou provedeních – dvě poloviny pantu. Válec následně žáci seskupí s kvádrem.

2. Jako druhý krok, připraví žáci kvádry s vlastností díra. Naskládají je na střídačku na oba kvádry tak, jako na ukázce. Následně je opět odečtěte od celkového tvaru.

 

4. Nyní je potřeba připravit čep a otvor na čep, který bude pant spojovat. Připravený čep vytvoří žáci válcem. Otvor na čep je potřeba udělat o 1 mm větší než samotný čep kvůli smršťování tisku!

5. Za závěr připraví potřebné otvory na šrouby a opět odečtěte.

 

5.  Finální výrobek opět vyexportujte do .stl souboru.

IV. 3D tisk

V tomto kroku počkejte na všechny žáky, aby mohli začít společně po krátkém vysvětlení.
Před vlastním 3D tiskem je nutné model vyslicovat. Je použit software slicer (v ukázkovém případě použit Prusaslicer). Žáci si otevřou program a importují vybraný .stl soubor, který před tím vytvořili. Jelikož se jedná o model, který nebude teplotně namáhaný, je dobrou volbou materiál PLA (ale lze použít vše, co máte k dispozici). Kvalita tisku bude postačovat standardní. V ukázce jsou použita následující nastavení:

  • Výška vrstvy: 0,20 mm
  • Podpěry: dle potřeby
  • Výplň: 0–15
  • Perimetry: 2
  • Počet plných vrchních a spodních vrstev: 3
  • Brim: 2 mm
TIP!

Vytiskněte si jednotlivé kusy, které se vůči sobě vzájemně pohybují v odlišných barvách pro lepší přehlednost.

V ukázkovém případě jsme tiskly první kulovitý kloub. Příprava válcovitého kloubu na tisk by pobíhala úplně stejně.
Dejte si pozor na to, aby žáci omylem nezměnili rozměry modelu. Nastavení samozřejmě uzpůsobte svému modelu, tiskárně a časovým možnostem. Pro úsporu tiskového času můžete na tiskovou podložku umístit více modelů naráz.

Po nastavení vybraných parametrů tisku dáme vpravo dole Slicovat. Nechte žáky si prohlédnout, jak budou vypadat jednotlivé vrstvy tisku pomocí slideru na pravé straně okna. 

Zkontrolujte žákům čas tisku v pravém dolním rohu. Po kontrole je třeba vygenerovat G-code. Ten si žáci uloží a je čas tisknout. Nahřejte tiskárnu na vámi zvolenou teplotu dle použitého materiálu. Žáci vloží SD kartu nebo flash disk, zvolený filament a spustí tisk. Po zahájení tisku je potřeba, aby si žáci zkontrolovali minimálně první vrstvu tisku, jestli vše probíhá v pořádku!

V. Shrnutí

Po vytištění je třeba slepit části, které mají být v celku vteřinovým lepidlem. Jednoduše je přiložte k sobě, chvíli přidržte.

V této lekci měli žáci možnost se seznámit se základními typy kloubních spojení. Zároveň měli možnost si uvědomit, že původ všechno mechanických kloubních spojení je v těch organických v našem těle. Případně se pak kombinují tyto pohyby do složitějších.

Tyto znalosti mohou nadále prakticky využít, když například budou někdy vyrábět vlastní výrobky a budou potřebovat navrhnout nějaké ohebné spojení. Dochází tak k propojení biologických a fyzikálních znalostí, které lze běžně využít v praxi.

0 KOMENTÁŘŮ

0 komentáøù

Přidat komentář

Nejnovější lekce a projekty

Obléhací klání

Obléhací klání

Máte rádi historii a historické zbraně? Pak je tato lekce pro vás jako stvořená. V průběhu lekce se seznámíte s obléhacími válečnými stroji, které se zrodily již v antice. Tentokrát se dozvíte něco o historickém zařazení, vývoji a konstrukci. V druhé části lekce si navrhnete i vlastní zmenšený model. Inspirací vám mohou být existující historické trebuchety, katapulty nebo praky, ale fantazii se meze nekladou a můžete využít i svůj vlastní návrh mechanismu, který katapultuje projektily. Po vytištění a sestavení modelu můžete společně se spolužáky uspořádat klání a otestovat tak, který mechanismus nebo čí stroj je nejlepší!

Nebojte se zlomků

Nebojte se zlomků

Zlomky patří mezi nejdůležitější základní věci, které se v matematice učí. Člověk je používá každý den, i když si to ani nemusí uvědomit. Určitě už jste dělili pizzu nebo koláč na několik stejných dílů nebo taťka doma řezal laťku na dvě stejné části. Je proto nutné, aby každý do této kapitoly investoval trochu více svého času, protože se se zlomky bude setkávat a využívat je velice často.
V této lekce si tak mohou všichni připravit jednoduchou pomůcku pro pochopení úplných základů zlomků. A navíc kromě procvičování zlomků si ve volných chvílích mohou stavět, na co zrovna mají chuť!

Švihej!

Švihej!

Co takhle si dát mezi sebou soutěž o to, kdo vydrží déle skákat přes švihadlo? Nebo se naučit nové triky jako vajíčko nebo dvakrát omotat švihadlo na jeden výskok? Ne v každé škole jsou ideální pomůcky pro všechny žáky ve třídě. V této lekci mohou žáci všechno vyzkoušet pomocí vlastního švihadla, které si navrhnou a sami vyrobí!
Nejen předměty jako matematika mohou využívat nové technologie. Své uplatnění najdou i v tělocviku! Ne každému půjde vše napoprvé. Právě příležitost zažít a opakovaně překonat neúspěch je klíčovou zkušeností pro budování zdravé sebedůvěry.

Geografické mapy

Geografické mapy

Procvičování zeměpisných znalostí tradiční formou slepých map zná každý. A co kdyby dané mapy nebyly pouze na papíře? Co kdyby tu byla ještě interaktivnější možnost, jak pracovat se slepými mapami? Nevíte, kde leží jednotlivá města v České republice? Nebo neumíte pojmenovat jednotlivé státy v Evropě? Tato lekce vám umožní si vytvořit slepou mapu jakékoliv oblasti, kterou zrovna potřebujete procvičit. Formou skládačky můžete dát dohromady státy jednotlivých kontinentů, přidat města a pohoří, a to vše dokola procvičovat na vytištěném 3D modelu včetně terénu jednotlivých oblastí.

Pin It on Pinterest

Share This