STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

大理石机

难度 <! - 5 - >
所需时间 短(2-5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

将您的工程技能进行测试,看看您是否可以建造一台除了重力之外的机器,它将自动分选出两种不同尺寸的塑料球。这可能看起来像一个奇怪的任务,但你有没有使用硬币分拣机分开便士,镍币,硬币和宿舍?如何在厨房中使用筛子将细小的面粉或糖从较大的块中分离出来?可以自动分选不同尺寸的物体或颗粒的机器在许多应用中使用;例如,在采矿业中将有价值的宝石和矿物与岩石和泥土分开。尝试这个项目来建立自己的大理石机器,并提交你的分数,看看你如何与其他竞争对手排名 2016福禄工程挑战赛并可能为您的学校或课外组织赢得现金奖励!

注意:除了Fluor Challenge之外,还可以为您的本地科学博览会完成此项目。

目的

构建一个重力驱动的分拣机,可以分离小型和大型塑料球。

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

该项目基于位于沙特阿拉伯Al Khobar的Fluor Corporation员工设计的”黄金之旅” 友好竞赛。

  • Scotch®是3M的注册商标。

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。”大理石机器。” 科学伙伴,2018年5月9日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/ApMech_p051/mechanical-engineering/marble-machine。2019年7月6日访问。

APA风格

菲尼奥(2018年5月9日)。大理石机器。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/ApMech_p051/mechanical-engineering/marble-machine


最后编辑日期:2018-05-09

简介

分拣机有各种形状和尺寸,从小型玩具硬币分拣机到用于食品加工或采矿的大型工业筛选机。无论他们究竟是什么排序,他们都有一些共同点:他们自动完成一项对人类来说非常困难甚至是不可能完成的任务!分数几美元的变化或者用一个手工筛子来制作一杯面粉并不是什么大问题。如果你在银行工作并且必须分拣成千上万的硬币,或者在处理数千磅面粉的食品加工厂怎么办?那么让机器完成工作肯定会有所帮助.

采矿业也是如此。早期矿工会使用手动过程,称为平移,将金块与泥土和沙子分开。现代工业矿山使用各种自动化工艺将有价值的宝石和矿物与泥土和其他岩石分开。例如,一些分拣系统使用复杂的电传感器来测量金属是否是磁性的或者它是如何反射的,以便对它们进行分类。其他人使用机械方法,如筛选,其中颗粒落入具有不同尺寸孔的筛网。具有较小直径的颗粒通过筛网落下,而较大的颗粒保持在顶部。一些系统使用爆炸的压缩空气吹走较轻的材料,而具有较高密度的材料保留在原位。很多时候,这些机械分拣机都是由电机驱动的,但简单的系统只能通过重力供电。

在这个项目中,你的目标是建造一个重力驱动的大理石分选机,可以分类大小塑料球(分别代表岩石和宝石),如图1和图2所示。你将开始用一个装有两种不同大小球体混合物的杯子,将它们倒入机器中,机器应将它们分成两个独立的杯子。请记住,图1和图2中的机器只是两个示例,您可以如何处理任务。它们不一定是”最好的” 方法,您可能会想出更有创意或更好的设计。要在 2016 Fluor工程挑战赛中输入您的设计,您必须从有限的材料列表中选择以构建您的机器,遵循一套规则(在程序),并计算您的计算机的分数。继续阅读材料部分,以收集此项目所需的项目.

球体分选机
图1。重力动力大理石机器的一个例子。该机器设计用于按直径分离球体。将球体倒入顶部的漏斗中,然后将冰棒棒滚下。较小的球体通过冰棒棍之间的间隙落入第一杯中,较大的球体继续滚动到第二杯.过程中的视频显示了计算机的工作原理。

球体分选机
图2。重力动力大理石机器的另一个例子。该机器使用杠杆将较大,较重的球体与较小,较轻的球体分开。将球体倒入漏斗中,当它们从底部掉出时落在杠杆上。较小,较轻的球体不足以使杆倾斜,因此它们向右滚动。较大,较重的球体重量足以使杠杆倾斜,因此它们向左侧滚动.过程中的视频显示了计算机的工作原理。

术语和概念

  • 平移
  • 筛选
  • 直径
  • 密度
  • 重力

可与活动相关的其他概念:

  • 引力势能
  • 动能
  • 能量转换
  • 简单机器

问题

  • 从日常生活中分类,筛选或筛选物品或材料的例子有哪些?
  • 分类,筛选或筛选的大型或工业实例有哪些?
  • 在互联网上搜索不同分拣机的视频。他们是如何工作的?

参考书目

以下资源可以帮助您了解有关分离不同尺寸颗粒的更多信息:

这是两个显示自制硬币分拣机的视频。虽然它们可以对硬币而不是塑料球进行分类,但您可以将一些相同的原理应用于球体分类机。

材料和设备

如果您想进入 2016 Fluor工程挑战赛,您仅限于以下材料清单来构建您的机器。每个项目都有一个每个团队允许的最大数量(团队可以是一个人或多个人),以及从最终得分中扣除的点数成本(参见程序了解详情)。请注意,纸板底座,胶带和胶水是”免费” 材料,没有任何成本.

50

30

材料 最大数量 点数成本(每个)
16盎司纸或塑料杯 10 150
冰棒棒(约4.5英寸或11.5厘米)
8.5×11英寸的打印纸张 20 75
一块瓦楞纸板用作底座,最大2英尺乘2英尺 1 0
Scotch®胶带卷 1 0
一瓶工艺胶水 1 0

除建筑材料外,您还需要以下材料来测试您的机器.

材料 数量 注意
16盎司塑料杯 3 1用于保持球体的初始混合物,2用于收集分选的球体。这些计入允许制造机器的总共10个杯子,但它们必须易于拆卸,不能成为机器的结构部件。
6毫米塑料球 25 这些代表了采矿作业中的”宝石” 。
12毫米塑料球 25 这些代表了采矿作业中的”岩石” 。
秒表 1 用于计时测试。

关于材料的说明:

  • 冰棒棒应该是”常规” 尺寸(不是”巨型” ),大约4.5英寸长。
  • 杯子的确切颜色或材料无关紧要。您不必使用如图1和图2中所示的红色塑料杯。其他颜色和纸杯也是可以接受的。
  • 您可以使用剪刀或工艺刀切割材料,但即使您只使用了一半,您仍然会收取物品的全点值。例如,如果您将一张纸切成两半并且只在机器中使用一半,那么您的分数将减去75分。
  • 塑料球也可以在工艺品商店买到,通常标记为”珍珠” 。如果找不到塑料珍珠,还可以替换大理石,滚珠轴承,等等直径为6 mm和12 mm的球形物品。请注意,某些材料(如金属和玻璃)比塑料重得多,这会使项目更加困难,因此建议使用塑料球。
  • 如果找不到直径为6毫米和12毫米的球体,则可以替代1/4英寸和1/2英寸球体。

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

2016年Fluor工程挑战赛的目标是设计和制造一种重力驱动的球体分选机,可以使用直径6 mm和12 mm的球体分离材料的特定列表。按照本页面上的指导原则,您将根据对球体的正确排序速度和使用的材料数量来计算机器的分数。观看此视频,了解2016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。以下幻灯片显示了Fluor员工竞赛中的一些条目。您可以使用这些图片来获得您的设计的一些想法。注意:Fluor员工竞赛的材料清单与该项目的学生版本不同。

 Fluor 2015幻灯片持有人
点击查看幻灯片以查看Fluor员工竞赛。

规则

要获得2016年Fluor工程挑战赛资格,您必须遵守所有这些建筑规则。不遵守这些规则的参赛作品将被取消资格.(注意:可以在此处找到何时以及如何输入的规则。)

  1. 您的机器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. 您的机器必须完全由重力驱动。这意味着您在操作过程中无法触摸机器,并且机器不能有任何电气或电动部件。
  3. 您的机器必须放在2英尺乘2英尺的纸板上。这块纸板只能作为底座,必须保持平整。您不能折叠纸板或切掉较小的碎片并将其用作机器的一部分。您可以将机器粘贴到纸板上。
  4. 机器必须将塑料球收集在两个单独的16盎司杯中。这些杯子必须是可拆卸的,这样您就可以轻松计算球体数量。它们不能作为机器的结构支撑,也不能永久固定在机器上。
  5. 您必须使用一个16盎司的杯子开始测试,该杯子包含6毫米和12毫米球体各25个的混合物。虽然您可以按照您的意愿慢慢或快速地将球体倒入机器中,但您必须以连续的方式将它们倒入机器中。在倾倒期间你不能停下来。

测试程序

在构建机器时,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分数时,请按照下列步骤操作:

  1. 使用永久性标记标记三个16盎司杯A,B和C.杯C将包含球的起始混合物.A杯将收集6毫米球体,杯子B将收集12毫米球体。
  2. 将6毫米和12毫米球体中的25个混合物放入杯子C中。
  3. 让法官准备好秒表,然后倒数”3,2,1,GO!” 一旦法官说”GO!” ,你就可以开始将球体倒入你的机器中。
  4. 在测试运行期间请勿触摸机器。例如,不要伸手去除卡住的球体,或重新粘贴破损机器的一部分。
  5. 一旦最后落入杯中掉出机器,裁判应立即停止秒表。你做需要让秒表继续运行,直到掉出机器的球停止移动。例如,如果最后一个球体掉出机器,从桌子上反弹,然后在地板上滚动,你可以在秒表掉出机器后立即停止,你不需要让手表继续运行直到球停在地板上移动。
  6. 取下杯子A和B,这样您就可以计算每个杯子中​​每种球体的数量.计算从机器中掉落或卡在机器中的球体。有关更多详细信息,请参阅评分部分。

评分

您的测试运行得分使用以下公式计算:

总得分= 200×(正确排序的球体 – 错误排序的球体) – 物质点数 – (50×秒的时间)

注意:

  • “正确分选的球体” 是指分选到正确杯子中的球体(6毫米球体进入杯子A,12毫米球体进入杯子B)。这些领域会提高你的分数。
  • “错误分类的球体” 是指分类到不正确的杯子中的球体(12毫米球体进入杯子A,6毫米球体进入杯子B)。这些领域会降低你的分数。
  • 在机器中卡住但从机器上掉落但未放入杯中的球体不计入您的分数。
  • 只有最终设计中包含的材料才会计入您的材料总数。例如,假设您最初使用8张纸构建一台机器。然后你重新设计你的机器,所以它只使用6张纸。您只需要计算总数为6张的纸张,即使有2张额外的纸张显示为”已使用” (翻录或皱折)。
  • 任何材料的使用都会计入该项目的总点数成本。例如,纸张各为75个点。如果你把一张纸切成两半而只用了一半,你仍然需要支付75分。
  • 如果您的秒表以百分之一秒或千分之一秒显示时间,则将您的时间向上至最接近的十分之一秒(例如,10.43秒变为10.5秒)。

要计算得分,您可以使用上面的等式,或使用此论文评分表 Excel评分表帮助您进行计算。

你的得分有多高?您可以重新测试您的机器并根据需要多次计算新分数。一旦您认为自己获得最高分,请将您的分数提交给Science Buddies,这样您就可以看到自己如何与其他竞争对手相抗衡!

提交您的分数

要将您的分数提交至2016年Fluor工程挑战赛,请在我们基于网络的提交表格中输入以下所有信息太平洋时间午夜(GMT-8)2016年3月11日:

  • 球队名称(球队名称必须很好)
  • 您学校或组织的名称
  • 团队中的学生人数(团队可能包括1-4名学生)
  • 学生的年龄
  • 学生的性别
  • 团队成员居住或您的学校或组织所在的城市和邮政编码
  • 团队大理石机器的照片(必需
  • 团队的最终成绩

工程设计过程的提示

Fluor工程挑战赛是学生学习或练习的好机会工程设计流程。要对此项目使用工程设计过程,请按照下列步骤操作:

  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,查看中的参考资料参考书目,并自己做一些额外的研究。有哪些不同的方法可用于对不同大小的粒子或物体进行分类?机器如何工作?
  3. 指定要求:您的机器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,”机器应使用最少量的材料” 或”机器应坚固,并且在将球体倒入其中时不会分开。” 记下您可以为机器考虑的所有要求。
  4. 头脑风暴,评估并选择解决方案
    1. 头脑风暴:考虑您可以构建的机器的不同可能设计。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,一台机器使用的材料少于其他机器吗?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. 开发解决方案原型:构建机器原型,在构建时进行测试。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,您可能会在构建机器时意识到它不够坚固,您需要更改设计。您可以通过一次只将几个球体放入其中来测试机器,并意识到它不能很好地对球体进行分类。如果您的机器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:当您认为您的计算机已准备就绪时,请按照”测试程序” 部分中的步骤进行正式的测试运行。使用”评分” 部分计算您的分数.
  7. 解决方案是否符合要求?您的机器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机器如何工作.

如果你喜欢这个项目,你可能会喜欢探索这些相关的职业:

机械工程师

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变体形式

注意:这些变化是学生参加定期科学博览会项目的建议。他们没有资格参加福陆挑战赛。

  • 制作硬币分拣机而不是球形分拣机。
  • 制作电子或电动分拣机,而不是仅使用重力驱动的分拣机。
  • 尝试按大小以外的其他方式对对象进行排序,例如大小相同但颜色不同或密度不同的球体。例如,按颜色自动分类砖的机器是一种流行的乐高Mindstorms®项目。
  • 想出一种”分数” 分拣机的方法,类似于Fluor Challenge中使用的方法。构建多台机器并比较它们的分数.
  • 建造一个更大的球体分选机,例如可以分类网球和乒乓球的机器。