STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

关注流程

难度 <! - 5 - >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 低($ 20 – $ 50)
安全 建议成人监督切割能够产生锋利边缘的材料,如塑料杯。

摘要

该项目的灵感来自于Banaue Rice Terraces,这是一座2000年历史的建筑,雕刻在菲律宾的山腰上。看看你是否可以使用家用材料重建这个古老奇迹的水流,通常被称为世界第八大奇迹! 2017年Fluor工程挑战赛已经结束,但您仍然可以尝试该项目并将您的设计与高分进行比较,或将该想法用于科学展览或课堂活动。

目的

建立梯形灌溉系统模型,使用流动水输送塑料珠。珠子从顶层开始,必须流过每个下层,直到它们保留在底层.

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

该项目基于位于菲律宾马尼拉的Fluor Corporation员工设计的”Phil It Up” 友好竞赛。

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

菲尼奥,本。”关注流程。” 科学伙伴,2018年5月9日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/CE_p025/civil-engineering/water-flow-system。2019年7月6日访问。

APA风格

菲尼奥(2018年5月9日)。关注流程。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/CE_p025/civil-engineering/water-flow-system


最后编辑日期:2018-05-09

简介

Banaue Rice Terraces(图1)是在菲律宾山脉两侧雕刻的平坦层,允许农民在不可能陡峭的山坡上种植水稻。令人惊讶的是,这些结构已有2000年的历史 – 这意味着它们完全是手工制作而且没有现代化的施工设备!

Banaue rice terraces
图1。 Banaue Rice Terraces的一个视图,这是菲律宾古老的工程奇迹。

通过灌溉(人工将水用于农业用途的植物)系统浇灌梯田,该系统将水从山泉中引出并流过层。这意味着当水从山腰流下时,灌溉系统完全由重力(将物体拉向地球的力)提供动力.

在这个项目中,您的目标是使用一些常见的家用材料建立Banaue Rice Terraces模型(图2)。您将设计您的露台结构,以便通过自来水从顶层带下塑料或木珠,模拟真正的水稻梯田的灌溉系统。珠子浮力,意味着它们漂浮在水中,因为它们的密度(每单位体积的质量)低于水的密度。它们被拖拽,因为水是粘性的,这意味着当它流过或绕过物体时,它会施加摩擦(一种抵抗运动的力​​).

Banaue水稻梯田的示例模型
图2. Banaue Rice Terraces的示例模型。

2017 Fluor工程挑战赛中输入的设计必须使用有限的材料列表构建,并遵循一套特定的规则。如果要将设计与竞赛中的设计进行比较,请转到材料部分以查看允许的材料.程序中概述了这些规则。如果您只是为了娱乐或科学展览而进行活动,您可以选择自己的材料。

术语和概念

  • 灌溉
  • 重力
  • 浮力
  • 密度
  • 粘性
  • 摩擦

问题

  • Banaue Rice Terraces的目的是什么?
  • 如何在不使用电力或现代设备的情况下进行灌溉?
  • 是什么决定物体是否漂浮在水中?

参考书目


材料和设备

  • 2017年Fluor工程挑战赛(现已关闭)中输入的设计仅限于以下材料清单。最大允许数量在括号中。评分在程序中有详细说明。如果您想将您的设计与挑战中的高分进行比较,请遵循相同的规则和评分。否则,请使用您自己的材料。
    • 大号(约18盎司)纸或塑料杯(10)
    • 小(约9盎司)纸或塑料杯(20)
    • 铝箔;将较大的卷材切成不大于10.75英寸12英寸(27.3厘米×30.5厘米)的片材或从 Amazon.com
    • 冰棍棒(50)
    • Scotch®胶带(1卷)
  • 要测试您的机器,您还需要:
    • 约12毫米或1/2英寸直径木制或塑料珠(10),可从 Amazon.com 或工艺品商店。珠子可以在其中具有孔。不要使用玻璃弹珠或金属轴承;他们会下沉!
    • 1升(或32盎司)塑料水瓶
    • 自来水
    • 公制标尺
    • 如果您在室内进行项目,可以在大型浅水塑料桶中取水,或者在可以洒水的室外区域。

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

概述

2017年福陆工程挑战赛的目标是建立一个以菲律宾Banaue Rice Terraces为模型的重力驱动灌溉系统。比赛结束后,您仍然可以按照此程序进行有趣的科学展览项目或课堂活动。观看此视频,了解2017年挑战的完整概述:

该项目是Fluor员工之间年度”友谊赛” 的修改版,该赛事规则更为严格。以下幻灯片展示了Fluor员工竞赛的一些设计。您可以使用其中一些图片来获得有关您设计的一些想法,但请注意,官方Fluor竞赛的材料清单与该项目的学生版本不同.

示例2017荧光挑战装置

规则

2017年福陆工程挑战赛的参赛作品必须遵循这些规则。不遵守规则的参赛作品被取消参赛资格。如果您想将设计与挑战中的高分进行比较,则可以遵循相同的规则。

  1. 您的模型只能使用材料部分中列出的项目构建。不允许使用其他材料。
  2. 图层的形状没有限制,图层的形状不必相同。但是,每层必须在其最深处保持至少1厘米的水(见图3)。
  3. 您的模型必须至少有2层,最多10层。
  4. 每层的底部必须高于下一层的顶部(参见图3)。
  5. 所有十个珠子必须从顶层的休息开始,模型中没有水。
  6. 您只能将水倒入最顶层。浇水的速度或速度没有限制。
  7. 在操作过程中,您无法触摸模型或任何珠子。但是,尝试获得高分的尝试次数没有限制。如果您的模型破裂或没有按预期运行,您可以重置它(倒出所有水并将10颗珠子放回顶层)并重新开始。
测试结构和规则图
图3. 示例平台结构的侧视图。

评分

您的总分数使用以下公式计算:

  • 珠点:每个珠子每层向下移动值100点。见图4。
    • 例如,从第0层移动到第2层的珠子(从顶部开始计数,因此最上层是第0层)值得200分,因为它移动了两层。这意味着您的结构层越多,您获得的点就越多。
    • 脱离模型的珠子不值得任何分数;甚至是从最后一层滚出的珠子.
珠子得分说明
图4. 层编号和珠子评分。

  • 材料要点:材料清单中的每个项目都分配了一个”点数成本” ,如表1所示。由于当珠子向下移动更多层时会获得更多积分,这意味着权衡:建造一个更高层次的更高层结构可以获得更多的珠点,但需要更多的材料。注意:
    • 只有最终设计中使用的材料才会计入您的分数。在测试和原型制作阶段使用的材料不计算在内.
    • 点费用不按比例计算。如果您使用任何磁带,则需要支付全部100分。如果你将冰棍棒切成两半而只使用一半冰棒,它仍然需要10分。即使您不使用整张纸,每张10.75 x 12的铝箔也算作一张完整的纸张。

50

50

项目 最大数量 点数成本(每个)
大型塑料或纸杯(约18盎司) 10 100
小塑料或纸杯(约9盎司) 20
铝箔,10.75×12英寸(最大)板
冰棍棒 50 10
Scotch®胶带 1卷 100
表1。材料和点数成本。

要计算您的分数,您可以使用上面的等式,或使用它纸质评分表 Excel评分表可帮助您进行计算。

测试程序

在构建模型时,您可以根据需要对其进行测试并多次修改设计。您可以随时重新测试以尝试获得更高的分数。您可以进行的测试数量没有限制,但您只能为比赛提交一个分数。当您准备进行官方测试以计算得分时,请按照以下步骤操作:

  1. 排出模型中的所有水。
  2. 在模型的顶层放置10个塑料珠。在继续之前,确保它们没有移动或转动。
  3. 在1升(或32盎司)塑料瓶中加水。
  4. 将水倒入模型的顶层。
    1. 你必须多快或多慢地倒水是没有限制的。
    2. 您只能将水倒入顶层。不要将水倒入任何其他层。
    3. 您不必使用所有的水,但是您无法重新装瓶。
  5. 等到水停止流动,所有珠子都停止移动。
  6. 使用”评分” 部分计算得分。

工程设计过程的提示

Fluor工程挑战赛是学生学习或实践工程设计的好机会过程。要对此项目使用工程设计过程,请按以下步骤操作:

  1. 定义问题:您尝试解决的问题是什么,或者您尝试使用此项目的目标是什么? (提示:在概述部分中非常明确地为您定义了目标)。
  2. 进行背景研究:阅读​​背景部分中的信息,查看参考书目,并自己做一些额外的研究.
  3. 指定要求:您的模型是否必须满足任何特定要求(提示:请参阅”规则” 部分)?您想要定义任何其他要求吗?例如,”模型应该使用最少量的材料” 或”模型应该是坚固的,当你倒入水时不会分崩离析” 。记下您可以为您的模型考虑的所有要求。
  4. 头脑风暴,评估并选择解决方案.
    1. 头脑风暴:考虑您可以构建的模型的不同可能设计。制作不同设计的草图,并列出构建它们所需的材料清单。尝试提出至少三种不同的设计。
    2. 评估:比较您的不同设计。您认为哪一个最符合您的要求?例如,一个模型使用的材料少于其他模型吗?看起来它会更坚固吗?
    3. 选择解决方案:根据您的评估选择一种设计。
  5. 开发解决方案并制作原型:构建模型的原型,在构建时对其进行测试。此时,工程设计过程变为迭代。这意味着您可能需要返回上一步并从某一点重新开始。例如,您可能会在构建模型时意识到它不够坚固,您需要更改设计。您可以通过一次浇注一点水来测试您的模型,或者将球体放置在不同的起始位置以查看它们容易流动的位置以及它们被卡住的位置。如果您的模型在第一次尝试时无法正常工作,那也没关系。这种情况一直发生在真正的工程中。
  6. 测试解决方案:当您认为模型准备就绪时,请按照”测试程序” 部分中的步骤进行正式测试。使用”评分” 部分计算您的分数.
  7. 解决方案是否符合要求? 您的模型是否遵循比赛的所有规则?它是否符合您为自己设定的任何其他要求?分数有多高,您认为自己可以做得更好吗?继续进行头脑风暴,原型设计,测试,并尝试改进您的设计,直到您对自己的分数感到满意为止。
  8. 沟通结果:如果您正在将此项目作为课程或俱乐部的一部分进行,那么除了将您的分数提交给Science Buddies之外,还要准备一份简短的演示或演示,以显示其余的分类您的模型如何工作.

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变体形式

注意:这些变体是学生参加定期科学博览会项目的建议。他们没有资格参加Fluor Challenge。

  • 你能用你的模型来展示沉积物是如何沿山腰运输的吗?如果用污垢填充顶层而不是使用塑料珠,会发生什么?你能看出为什么侵蚀可能是水稻梯田的问题吗?