Woord vooraf. Opdrachten. Evaluatie. Een overzicht van de eindtermen technologische opvoeding die met de opdrachten in deze lesbrief behandeld worden.

Transcriptie

1 Woord vooraf Techniek is een prachtig huis met vele kamers. Als leerkracht technologische opvoeding bent u uitstekend geplaatst om jongeren met een technische knobbel te begeleiden op hun ontdekkingstocht door dat huis. Maar omdat uw tijd beperkt is, loopt dat niet altijd van een leien dakje. Daarom ontvangt u nu de vierde lesbrief voor leerkrachten van toekomstopwielen.be, het ideale hulpmiddel om techniek en auto s op een leuke manier in uw lessen aan bod te brengen. De lesbriefonderwerpen: Nummer 1: technisch communiceren (reeds verschenen) Nummer 2: beslissen met poorten en sturingen (reeds verschenen) Nummer 3: elektrische kringloop (reeds verschenen) Nummer 4: overbrengingen (nu beschikbaar) Vier lesbrieven, vier verschillende onderwerpen die perfect inspelen op de eindtermen van het leerplan. Maar de indeling van de lesbrieven verandert niet. Elke editie heeft vijf vaste hoofdstukken: Achtergrond Dankzij dit theoretische hoofdstukje kan u zich de inhoud van het onderwerp eigen maken en kan u inschatten over welke kennis de leerlingen moeten beschikken om de opdrachten aan te kunnen. Eindtermen Een overzicht van de eindtermen technologische opvoeding die met de opdrachten in deze lesbrief behandeld worden. Opdrachten De eigenlijke opdrachten zijn doorspekt met tips en didactische wenken om de opdracht nog beter in te kleden en te kaderen. De opdrachten variëren in moeilijkheid voor het 1ste en het 2de jaar, maar altijd gaat het om: het opstellen van een schema of overzicht het opsporen van een fout of storing het uitvoeren van een proef of opstelling. Evaluatie Dit laatste hoofdstuk bevat de resultaten of oplossingen van de opdrachten en suggesties voor een nabespreking. Lesbladen De invulbladen voor de leerlingen worden u apart aangeboden. U kan ze makkelijk zelf in de gewenste oplage afdrukken. Log met uw persoonlijke paswoord in op de leerkrachtenpagina van de Garagastensite. Op leerkrachten kan u zowel de lesbrief als de lesbladen in pdf-formaat downloaden. Surf ook even naar Daar vindt u nog meer kant-en-klare hulpmiddelen die u als leerkracht kan gebruiken om de passie voor techniek bij jongeren te stimuleren. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 1

2 1 Achtergrond overbrengingen 1 ste jaar Kracht en beweging overbrengen, daar gebruiken we onder andere tandwielen voor. Tandwielen grijpen stevig in elkaar en wanneer één tandwiel draait, komt daarom ook het tandwiel dat ertegen aanligt automatisch in beweging. In de techniek worden tandwielen om verschillende redenen ingezet: Om een draaizin te veranderen (twee tandwielen tegen elkaar hebben een tegengestelde draaizin). Om een snelle beweging om te zetten in een trage of omgekeerd. Een klein tandwiel draait immers sneller rond dan een groot. Daar staat tegenover dat een groot tandwiel met meer kracht draait dan een klein tandwiel. Tandwielen hoeven niet rechtstreeks in elkaar te grijpen om elkaar te doen draaien. Een ketting kan de afstand tussen twee tandwielen overbruggen. Ook in dat geval draait een kleiner tandwieltje sneller dan een groot, maar dan wel allebei in dezelfde richting. Tenzij ze natuurlijk met een gekruiste ketting met elkaar verbonden worden. Het grote voordeel van een ketting is dat haar schakels netjes op de tanden van het tandwiel passen en ze dus nooit wegslipt. Bij toestellen die met een elektromotor worden aangedreven, is dan weer een overbrenging nodig die wel kan slippen. Als het bewegende deel van zo n toestel (de trommel van een wasmachine bijvoorbeeld) geblokkeerd raakt, blijft de elektromotor immers gewoon doordraaien. Als de fabrikant dan voor tandwielen en ketting koos, gaat het mis, want ofwel begeeft de ketting het, ofwel de motor. Daarom worden ketting en tandwielen in zulke gevallen vervangen door riemen (kettingen zonder schakels) en schijven (tandwielen zonder tanden). De mooiste toepassing van een overbrenging: fietsversnellingen Het grote tandwiel van de trappers drijft een klein tandwiel aan. Daarbij wordt een trage beweging van de benen omgezet in een snelle beweging van het wiel. De fietser moet wel flink wat kracht uitoefenen om het grote tandwiel rond te draaien. Als de fietser vooraan een kleiner tandwiel kiest en achteraan een groter, dan zal dat grote tandwiel trager draaien, maar meer kracht kunnen uitoefenen. Ideaal voor een stevige beklimming dus. De verhouding tussen het voorste en het achterste tandwiel is de overbrengingsverhouding. Die geeft aan hoeveel keer het achterwiel ronddraait bij één volledige omwenteling van de trappers. Die verhouding is dus gemakkelijk te berekenen: het aantal tanden op het voorste kamwiel delen door het aantal tanden achteraan. 45 tanden voorin en 18 tanden achterin levert dus een verhouding van 2,5 op. Die wordt genoteerd als 1:2,5. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 2

3 1 Achtergrond overbrengingen Extra informatie voor het 2 De jaar Versnellingsbak auto Een veel voorkomende toepassing van tandwielen is de versnellingsbak. Die wordt natuurlijk in een auto gebruikt, maar net zo goed in een windturbine. Een versnellingsbak is altijd een verbindingsstuk tussen twee assen, dat ervoor zorgt dat de ene as op een constante snelheid kan blijven draaien, terwijl de rotatiesnelheid van de andere as verhoogt of verlaagt. Neem nu de versnellingsbak van een auto. De ene as is verbonden met de motor, de andere met de wielen. Maar allebei hebben ze evenveel tandwielen als er versnellingen zijn. Sterker nog: elk tandwiel op de eerste as vormt een duo met een tandwiel op de tweede as. Als de bestuurder schakelt, zet hij een van de tandwielen op de eerste as in beweging. Daar is de schakelmof voor nodig, een getande ring die je met de versnellingspook van links naar rechts over de as kan schuiven. De tanden van de schakelmof passen precies in de gaatjes in de zijkant van het tandwiel. Zodra de schakelmof in het tandwiel grijpt, gaat dat met de as meedraaien en zet het op zijn beurt z n tegenhanger op de tweede as in beweging. En de verhouding tussen die twee tandwielen bepaalt de kracht van de overbrenging. Bij de eerste versnelling is het tandwiel op de eerste as veel groter dan dat op de tweede as. Maar het verschil wordt kleiner naarmate je voor een hogere versnelling kiest. Bij de vierde versnelling zijn de tandwielen zelfs even groot. De achteruitversnelling is dan weer een geval apart. Omdat de draairichting van de overbrenging veranderd moet worden, zit er een extra tandwieltje tussen de twee assen. Dat wordt een loos tandwiel genoemd. En precies omdat de achteruitversnelling altijd in de tegenovergestelde richting van de andere versnellingen draait, is het onmogelijk om de klauwtjes van de schakelmof in de achteruitversnelling te doen grijpen terwijl je vooruit aan het rijden bent. Het zou wel een hoop lawaai maken. Door te schakelen, zorgt de bestuurder ervoor dat de motor op een constant toerental kan blijven draaien, terwijl de wielen toch sneller of trager bewegen. Dat is belangrijk, want elke motor heeft een optimaal toerental, dat is het toerental waarop hij het hoogste rendement haalt. Versnellingsbak windturbines In windturbines heeft de versnellingsbak een gelijkaardige functie. Windturbines zetten bewegingsenergie van de wind om in elektriciteit. De schoepen geven, net als de draaiende kop van een fietsdynamo, een draaiende beweging door aan een generator. Daarin draait een magneet in een omhulsel van koperdraad waardoor in die koperdraad stroom ontstaat. Net als automotoren hebben ook windturbines een optimale rotatiesnelheid, ze werken het best bij windsnelheden tussen 40 en 48 km/u. Als de wind zachter blaast, schakelt de turbine automatisch naar een hogere versnelling, waardoor de rotor z n optimale snelheid aanhoudt. Blaast de wind harder, dan schakelt het systeem naar een lagere versnelling. Versnellingsapparaat fiets Behalve de overbrengingsverhouding (zie info 1ste jaar) kunnen leerlingen vrij makkelijk het verzet berekenen. Dat verzet is een afstand: het aantal meter dat een fiets aflegt als de trappers één keer rondgegaan zijn. Het verzet is dus de overbrenging, maal de omtrek van het achterwiel. Om de omtrek van een wiel (een cirkel dus) te berekenen, moet alleen de diameter of de straal gekend zijn. Ofwel meten de leerlingen dus de afstand van de wielas tot de wielrand (straal) ofwel meten ze de afstand tussen twee recht tegenover elkaar liggende punten op de wielrand (diameter). Daarna berekenen ze de wielomtrek door de diameter te vermenigvuldigen met 3,14 (het getal π), of door de afmeting van de straal te verdubbelen en dat getal op zijn beurt te vermenigvuldigen met 3,14. Voorbeeld: een fiets met een overbrenging van 2 (44 tanden voorin, 22 tanden achterin) en een straal van 27 cm heeft een verzet van 2 x 2 x 27 x 3,14 = 339 cm. Eén omwenteling van de pedalen brengt de fiets 3,39 meter vooruit. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 3

4 2 EINDTERMEN A-stroom 1 Kennismaken met techniek en erover reflecteren illustreren het belang van technische tekeningen en andere technische gegevensoverdragers maken kennis met de activiteiten van technische beroepsbeoefenaars, zowel mannen als vrouwen. 5 Meetkunde kiezen geschikte eenheden en instrumenten om afstanden te meten of te construeren met de gewenste nauwkeurigheid berekenen de omtrek en oppervlakte van een cirkel. 2 Planmatig werken en attitudes aannemen evalueren eigen werk in elke fase van het technologisch proces raadplegen een handleiding, plan of schema leren systematisch te werk gaan bij het uitvoeren van een technische opdracht leren het belang erkennen van de technische beroepen en van technische vaardigheden in de huidige samenleving, zowel voor mannen als voor vrouwen. 3 Enkele technische begrippen verwerven duiden de onderdelen aan van een technisch systeem met behulp van een eenvoudig schema (stuklijst en/of symbolen) herkennen in concrete situaties de meest gebruikte technische tekensymbolen en genormaliseerde afspraken onderscheiden een aantal bewegings- en krachtoverbrengingen. B-stroom kunnen symbolen lezen die rechtstreeks in verband staan met het gekozen verkenningsgebied kunnen eenvoudige tekeningen lezen kunnen bij de opgelegde oefeningen juist, veilig en volgens gepaste regels omgaan met gereedschappen, toestellen of apparaten. Zij kennen ook de juiste benaming, enkele mogelijkheden en beperkingen ervan kunnen onder begeleiding een opdracht voltooien en de kwaliteit controleren en evalueren kunnen fouten of gebreken die ze gemaakt hebben herkennen, opzoeken en zo mogelijk herstellen monteren (demonteren) of construeren of voegen de verschillende delen samen, herkennen de samenhang, benoemen de delen en voeren het geheel precies uit. 4 Enkele technische basisvaardigheden beheersen gebruiken voor een eenvoudig praktisch werkstuk het gepaste gereedschap schetsen een eenvoudig technisch voorwerp passen probleemoplossende technieken toe. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 4

5 3 opdrachten 1 ste jaar Aanpak Verzamel en toon een aantal concrete toepassingen van overbrengingen: een oude klok, een horloge, de lade voor de inktpatronen van een printer... U kan de leerlingen ook zelf iets laten bouwen met bouwpakketten waarin tandwielen zitten. Let er in elk geval op dat uw leerlingen bij elke opdracht de regels van het technologisch werken in acht nemen: gestructureerd en planmatig werken en probleemoplossend denken. Met dit opgavenpakket kan u ook andere leerstofonderdelen aanhalen: wat is de straal van een cirkel, wat is het getal π, hoe bereken je de cirkelomtrek? Bij de opgaven voor de leerlingen van het tweede jaar vindt u een boeiende en haalbare toepassing van deze elementaire meetkundige begrippen. En natuurlijk belet niks u om een stapje verder te gaan in uw lessen over overbrengingsmechanismen. Ten slotte is de versnellingsbak van een auto een echt schoolvoorbeeld van een ingenieus overbrengingssysteem. Hoe zo n versnellingsbak precies in elkaar zit, leest u bij de achtergrondinformatie voor het tweede jaar. Verhelderende animatie over dit onderwerp vindt u bovendien op Klik op de knop experimenten, dan op Hoe werkt het? en ten slotte op tandwielen. Op diezelfde experimentenpagina staat ook een leuke doe-opdracht i.v.m. overbrengingen. Die vindt u onder de knop doe-het-zelf, rubriek overbrengingsmechanismen. 1.2 Zoek de oplossing: welke riem kies je? Technische systemen bedenken en ontwikkelen, dat is een kolfje naar de hand van een rasechte ingenieur. In deze opgave is een jonge, maar verstrooide ingenieur aan het werk geweest. Hij kreeg de opdracht om een aandrijfsysteem te ontwikkelen voor de lopende band van een autofabriek. Het is een ingewikkeld systeem geworden, waarin nog één schakel ontbreekt. Twee schijven moeten immers nog verbonden worden met een riem. En hier roept de ingenieur de hulp van uw leerlingen in, want hij kan maar niet beslissen of hij nu een gekruiste of net geen gekruiste riem zal gebruiken. De draaizin van het eerste tandwiel is gegeven, net als de richting waarin de lopende band moet draaien. Laat uw leerlingen nagaan hoe de riem moet liggen. Er worden plots flink wat meer auto s verkocht. Dus moet de band sneller draaien om aan de vraag te kunnen voldoen. Dat kan door tandwiel A te vervangen. Kiezen uw leerlingen voor een groter of voor een kleiner tandwiel? Kiezen ze tandwiel 1 of tandwiel 2? 1.1 De juiste versnelling rondsel kamrad Fietsversnellingen zijn een prachtig voorbeeld van een kettingoverbrenging. In deze opdracht zoeken de leerlingen daarom zelf uit welke tandwielcombinaties het meest aangewezen zijn voor een fietser die aan een beklimming begint of die zich opmaakt voor een ijzingwekkende sprint. Met een rode balpen tekenen ze de ketting van de klimmende fiets. Daartoe verbinden ze een kamrad (een tandwiel aan de pedalen) met een rondsel (aan het achterwiel). Met een blauwe balpen tekenen ze daarna de ketting van een sprintende fiets (op fig 2 van het lesblad). LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 5

6 3 opdrachten 1.3 Tanden tellen In de derde opdracht berekenen de leerlingen de overbrengingsverhouding van hun fietsversnellingen. Daar hebben ze maar één ding voor nodig: hun fiets. zetten hun fiets ondersteboven, op zadel en stuur. Daarna draaien ze de trappers precies één keer rond en tellen ze hoeveel keer het achterwiel dan ronddraait. (Om makkelijker te tellen, kunnen ze met krijt een streepje op hun band en op het spatbord zetten.) Ze noteren het aantal omwentelingen van het achterwiel. Daarna tellen ze het aantal tanden van het voorste tandwiel en van het achterste tandwiel. Als ze die twee getallen door elkaar delen, bekomen ze precies het getal dat ze net genoteerd hebben. De overbrengingsverhouding van een fietsversnelling is dus gemakkelijk te berekenen: het aantal tanden op het voorste kamwiel delen door het aantal tanden achteraan. Laat uw leerlingen nu even met hun eigen woorden uitleggen wat een overbrenging van 1:2 betekent. Hun uitleg kunnen ze noteren op het lesblad. TIP: Een tikje moeilijker maar heel interessant is het berekenen van het verzet. Dan gaan de leerlingen aan de slag met het getal π en stralen en diameters. Meer uitleg daarover vindt u bij de achtergrondinformatie voor het 2de jaar, de opdracht vindt u bij opgave de jaar Aanpak kennen overbrengingen nog uit het eerste jaar. Ga daarom even na of ze nog over voldoende actieve kennis bezitten. Kennen ze het verschil tussen riemen, kettingen, schijven en tandwielen? Kunnen ze de eigenschappen van een groot tandwiel vergelijken met die van een klein? Met overbrengingen kan snel de link worden gelegd met het thema energie, en meer bepaald met methodes om hernieuwbare energie op te wekken. Windturbines maken immers gebruik van tandwielsystemen om windkracht om te zetten in elektriciteit. In combinatie met de vorige Garagasten-lesbrief kan u de werking van een windturbine haarfijn uit de doeken doen. Dat tandwielsysteem werkt overigens volgens hetzelfde principe als de versnellingsbak van een auto. Hoe zo n versnellingsbak precies in elkaar zit, hebt u intussen in de rubriek achtergrondinformatie gelezen. Verhelderende animatie over dit onderwerp vindt u bovendien op Klik op de knop experimenten, dan op Hoe werkt het? en ten slotte op tandwielen. Op diezelfde experimentenpagina staat ook een leuke doe-opdracht i.v.m. overbrengingen. Die vindt u onder de knop doe-het-zelf, rubriek overbrengingsmechanismen. Het verzet van een fietsversnelling berekenen, is meer dan tandjes van een tandwiel tellen. Het is een concrete toepassing van elementaire meetkunde. moeten de begrippen straal, diameter en het getal π immers concreet toepassen op hun fietswiel. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 6

7 3 opdrachten 2.1 Hoe schakelt een windturbine? 2.2 Goed of fout? U hebt de leerlingen intussen verteld hoe een windturbine elektriciteit opwekt en dat windturbines optimaal draaien bij windsnelheden tussen 40 en 48 km/u. Bij lagere of hogere windsnelheden zorgt een tandwielsysteem ervoor dat de rotor toch op z n ideale snelheid draait. In deze opdracht passen de leerlingen die kennis toe. Alle onderdelen van de werking van een windturbine zijn hieronder als icoontjes afgebeeld. Aan de leerlingen de vraag om de icoontjes in de juiste volgorde te plaatsen. Daartoe moeten ze gewoon de letter van elk icoontje op de juiste plaats in het schema invullen. Een windturbine zet beweging om in elektrische energie. Een automotor doet het omgekeerde. Die zet energie (geleverd door de brandstof) om in beweging (van de wielen). Toch heeft ook een automotor, net als een windturbine, een ideaal toerental. Versnellingen, tandwielen dus, zorgen ervoor dat de motor dat toerental kan aanhouden, terwijl de wielen toch sneller of trager gaan draaien. Die tandwielen zitten verzameld in de versnellingsbak. krijgen nu vier beweringen over de versnellingsbak voorgeschoteld. Zijn die goed of fout? Op de tussenas zit bij de vijfde versnelling een groter tandwiel dan bij de eerste versnelling. De achteruitversnelling heeft een extra tandwiel om de snelheid te verlagen. Als je schakelt zonder te ontkoppelen, hoor je een hoop gekraak. Dat gekraak wordt veroorzaakt door de schakelmof. Je kan een auto zonder problemen in achteruit schakelen terwijl je in vijfde versnelling vooruit aan het rijden ben. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 7

8 3 opdrachten 2.3 Tanden tellen In de derde opdracht berekenen de leerlingen de overbrenging van hun fietsversnelling en leren ze het verschil kennen tussen overbrenging en verzet. Daar hebben ze maar één ding voor nodig: hun fiets. Laat de leerlingen nu de omtrek van hun achterwiel bepalen (diameter x het getal π). Daarna berekenen ze het verzet van een zelfgekozen versnelling. Hoeveel meter brengt één omwenteling van de pedalen hen vooruit? zetten hun fiets ondersteboven, op zadel en stuur. Daarna draaien ze de trappers precies één keer rond en tellen ze hoeveel keer het achterwiel dan ronddraait. (Om makkelijker te tellen, kunnen ze met krijt een streepje op hun band en op het spatbord zetten.) Ze noteren het aantal omwentelingen van het achterwiel. Daarna tellen ze het aantal tanden van het voorste tandwiel en van het achterste tandwiel. Als ze die twee getallen door elkaar delen, bekomen ze precies het getal dat ze net genoteerd hebben: de overbrengingsverhouding. TIP: Met een voorbeeld wordt alles duidelijker: een fiets met een overbrenging van 2,5 (45 tanden voorin, 18 tanden achterin) en een wielomtrek van 172 cm heeft een verzet van 2,5 x 172 = 430 cm. Een omwenteling van de pedalen brengt de fiets 4,3 m vooruit. LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 8

9 4 Evaluatie en oplossingen Evaluatie kennen intussen een aantal voorbeelden van overbrengingen, zoals de fietsversnelling en de versnellingsbak. Maar kunnen ze ook een aantal evidente voorbeelden uit hun onmiddellijke leefomgeving opnoemen? En gaat het dan altijd over tandwielen, of worden ook spontaan riemoverbrengingen en kettingoverbrengingen genoemd? Vraag de leerlingen om in hun eigen woorden uit te leggen waarom riemoverbrengingen in bepaalde toepas- singen echt wel nodig zijn. Waarom is een kettingoverbrenging wel een goed idee bij een fiets en niet bij een maaimachine? Versnellingsbakken hebben verschillende toepassingen. De bekendste toepassing is die in de auto, maar ook in windturbines zit een versnellingsbak. Kunnen de leerlingen het principe en het doel van zo n systeem uitleggen? Kunnen ze de eigenschappen van een groot tandwiel vergelijken met die van een klein tandwiel? Oplossingen 1.1 De juiste versnelling klim sprint 1.2 Zoek de oplossing: welke riem kies je? LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 9

10 4 evaluatie en oplossingen 1.3 Tanden tellen Individueel te berekenen per fiets. 2.1 Hoe schakelt een windturbine? LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 10

11 4 evaluatie en oplossingen 2.2 Goed of fout? Op de tussenas zit bij de vijfde versnelling een groter tandwiel dan bij de eerste versnelling. De achteruitversnelling heeft een extra tandwiel om de snelheid te verlagen. Als je schakelt zonder te ontkoppelen, hoor je een hoop gekraak. Dat gekraak wordt veroorzaakt door de schakelmof. Je kan een auto zonder problemen in achteruit schakelen terwijl je in vijfde versnelling vooruit aan het rijden ben. Goed. Fout: een loos tandwiel wordt gebruikt om de draaizin om te keren. Zo n tandwiel heeft geen invloed op de snelheid. Goed. Door te ontkoppelen, koppel je de aandrijfas los van de motor waardoor de tandwielen even stoppen met draaien. Net lang genoeg om de klauwen van de schakelmof in de flank van het tandwiel te doen grijpen. Ontkoppel je niet, dan blijven de tandwielen draaien en schuren de klauwen van de schakelmof tegen de flank van het tandwiel aan. Fout. De achteruitversnelling draait altijd in de tegenovergestelde richting van de andere versnellingen. Daarom is het onmogelijk om de klauwtjes van de schakelmof in de achteruitversnelling te doen grijpen terwijl je vooruit aan het rijden bent. 2.3 Tanden tellen Individueel te berekenen per fiets. toekomstopwielen.be heeft een hart voor jongeren met technische talenten en zet heel wat acties op touw om hen wegwijs te maken in het technisch onderwijs en de autosector. Maar u als leerkracht laten we evenmin in de kou staan. Ontdek ons educatief pakket voor de tentoonstelling Techniek op Wielen in Autoworld in Brussel. Of neem s een exemplaar van TurboStart ter hand, het gratis magazine voor alle jongeren in het autotechnisch onderwijs. Meer info vindt u op En natuurlijk is er nog steeds de GaragastenEncyclopedie. Vier keer per jaar verschijnt er een leuk naslagwerkje over een specifiek auto-onderwerp. Laat uw leerlingen zich gratis op deze encyclopedie abonneren via LESBRIEF VOOR LEERKRACHTEN P. 11