العمل مع طواحين المياه

المواد

• مصدر مائي
• حوض كبير أو مغسلة
• كوب أو وعاء معياري لصب الماء

المعالجة:

اختبر تصميم طاحونة مائية لكل فريق عن طريق وضع التصميم على حاوية مليئة بالماء. صب الماء على الطاحونة المائية لمدة 3 دقائق. يجب على الطلاب توثيق عدد المرات التي دارت فيها طاحونة الماء خلال الدقائق الثلاث وما هي الحالة التي كان عليها تصميمهم بعد الاختبار.

1. قسّم الفصل إلى فرق مكونة من 2-4 أفراد.
2. وزع ورقة العمل "العمل مع طواحين مائية" ، بالإضافة إلى بعض الأوراق لرسم التصاميم. 
3. ناقش الموضوعات في قسم المفاهيم الأساسية. ضع في اعتبارك سؤال الطلاب عما إذا كانوا يعرفون كيفية عمل الطاحونة المائية. هل رأوا أي طواحين مائية بالقرب من منزلهم؟
   
4. مراجعة عملية التصميم الهندسي وتحدي التصميم والمعايير والقيود والمواد. 
5. وجه الطلاب لبدء العصف الذهني ورسم تصميماتهم.
6. زود كل فريق بالمواد الخاصة به.
7. اشرح أنه يجب على الطلاب تطوير طاحونة مائية من المواد المتوفرة والتي ستدور في الماء لمدة 3 دقائق دون أن تتفتت. ذكر الطلاب أن جميع المواد التي يستخدمونها ستتعرض للماء. 
8. أعلن عن مقدار الوقت الذي يتعين عليهم فيه التصميم والبناء (يوصى بساعة واحدة). 
9. استخدم مؤقتًا أو ساعة توقيت على الإنترنت (ميزة العد التنازلي) لضمان مواكبة الوقت. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). امنح الطلاب "فحوصات زمنية" منتظمة حتى يظلوا في المهمة. إذا كانوا يعانون ، اطرح أسئلة ستقودهم إلى حل أسرع. 
10. يلتقي الطلاب ويضعون خطة للطاحونة المائية الخاصة بهم. يتفقون على المواد التي سيحتاجون إليها ، ويكتبون / يرسمون خطتهم ، ويقدمون خطتهم إلى الفصل. قد تتبادل الفرق مواد غير محدودة مع فرق أخرى لتطوير قائمة الأجزاء المثالية.
11. فرق بناء تصاميمهم. 
12. اختبر تصميمات الطاحونة المائية بوضع التصميم في حوض ماء وسكب الماء فوق الطاحونة لمدة 3 دقائق. 
13. يجب أن توثق الفرق عدد المرات التي دارت فيها طاحونة الماء خلال الدقائق الثلاث وحالة الطاحونة بعد الاختبار. 
14. كالفصل ، ناقش أسئلة تأمل الطالب.
15. لمزيد من المحتوى حول هذا الموضوع ، راجع قسم "التعميق".

الاختلاف للطلاب الأكبر سنًا

ضع في اعتبارك أن يقوم الطلاب الأكبر سنًا بإنشاء نظام تروس لرفع شيء باستخدام الطاقة من العجلة. يمكن تنفيذ ذلك باستخدام بكرات من الخيوط الملصقة بنهاية العصا ، باستخدام أشرطة مطاطية وربما خيط. تحدي الطلاب لرفع الأثقال باستخدام الطاقة المائية.

انعكاس الطالب (دفتر هندسي)

1. هل نجحت في إنشاء طاحونة مائية تعمل لمدة ثلاث دقائق؟ إذا لم يكن كذلك ، فلماذا فشلت؟
2. هل قررت مراجعة التصميم الأصلي أو طلبت مواد إضافية أثناء مرحلة البناء؟ لماذا ا؟
3. هل تفاوضت بشأن أي صفقات مادية مع فرق أخرى؟ كيف عملت هذه العملية بالنسبة لك؟
4. إذا كان بإمكانك الوصول إلى مواد مختلفة عن تلك المتوفرة ، فما الذي كان سيطلبه فريقك؟ لماذا ا؟
5. هل تعتقد أنه يتعين على المهندسين تكييف خططهم الأصلية أثناء إنشاء الأنظمة أو المنتجات؟ لماذا قد يفعلون ذلك؟
6. إذا كان عليك القيام بذلك مرة أخرى ، فكيف سيتغير تصميمك المخطط؟ لماذا ا؟
7. ما هي التصاميم أو الأساليب التي رأيت الفرق الأخرى تجربها والتي كنت تعتقد أنها تعمل بشكل جيد؟
8. هل تعتقد أنك كنت ستتمكن من إكمال هذا المشروع بشكل أسهل إذا كنت تعمل بمفردك؟ يشرح…
9. ما هي عيوب الطاحونة المائية كمصدر موثوق للطاقة؟
10. ما هي مزايا الطاحونة المائية كمصدر متجدد للطاقة؟

يمكن إجراء الدرس في أقل من فصل دراسي واحد للطلاب الأكبر سنًا. ومع ذلك ، لمساعدة الطلاب على الشعور بالاندفاع ولضمان نجاح الطلاب (خاصة للطلاب الأصغر سنًا) ، قم بتقسيم الدرس إلى فترتين لإعطاء الطلاب مزيدًا من الوقت لطرح الأفكار واختبار الأفكار ووضع اللمسات الأخيرة على تصميمهم. قم بإجراء الاختبار واستخلاص المعلومات في الفصل الدراسي التالي.

طواحين مائية عبر التاريخ 

الطاحونة المائية عبارة عن هيكل يستخدم عجلة مائية أو توربينًا لقيادة عملية ميكانيكية مثل الدقيق المطحون أو إنتاج الخشب ، أو تشكيل المعادن (الدرفلة أو الطحن أو سحب الأسلاك). كثيرا ما يطلق على الطاحونة المائية التي تولد الكهرباء اسم محطة الطاقة الكهرومائية. يُعتقد أن الإغريق والرومان القدماء هم أول من استخدم المياه لتشغيل طواحينهم. في أوائل القرن الأول قبل الميلاد ، أشار المفكر الإغريقي أنتيباتر من سالونيك إلى العجلة المائية التي كانت تستخدم بشكل فعال لطحن الحبوب وتقليل العمل البشري. بنى الرومان بعضًا من أولى الطواحين المائية خارج اليونان لطحن الدقيق ونشر التكنولوجيا لبناء طواحين مائية في جميع أنحاء البحر الأبيض المتوسط.  

كيف يعمل؟ 

تعمل الطاحونة المائية عن طريق تحويل المياه من نهر أو بركة إلى عجلة مائية ، عادة على طول قناة أو أنبوب. تعمل قوة الماء على دفع أو دفع ريش العجلة (أو التوربين) والتي تقوم بعد ذلك بإدارة أو تدوير المحور الذي يدفع أي آلية متصلة به. بعد تدوير العجلة المائية ، يخرج الماء من الطاحونة. في بعض الأحيان يتم تكديس الطواحين على طول مجرى مائي بحيث تمر المياه عبر طواحين متعددة وتدور العديد من العجلات.  

أفقي أم عمودي؟ 

تسمى أحيانًا الطواحين المائية التي تستخدم عجلات مائية ذات عجلة أفقية وعمود رأسي "المطاحن اليونانية". تشير "الطاحونة الرومانية" إلى طاحونة مائية تستخدم عجلة عمودية (على عمود أفقي). تعد المطاحن ذات الطراز اليوناني هي الأقدم والأبسط من التصميمين ، ولكنها تتطلب سرعة مياه عالية لتعمل بشكل جيد. تعد المطاحن ذات الطراز الروماني أكثر تعقيدًا في الأجزاء المكونة لها وتتطلب تروسًا لنقل الطاقة من عمود ذي محور أفقي إلى آخر ذي محور عمودي.

صمم طاحونة مائية خاصة بك

أنت فريق من المهندسين الذين واجهوا التحدي لتصميم طاحونة مائية خاصة بك من العناصر اليومية. ستحتاج العجلة إلى أن تكون قادرة على تحمل اختبار الماء لمدة ثلاث دقائق.  

مرحلة التخطيط

اجتمع كفريق واحد وناقش المشكلة التي تحتاج إلى حلها.  ثم ضع تصميمًا للطاحونة المائية واتفق عليه.  ستحتاج إلى تحديد المواد التي تريد استخدامها - ضع في اعتبارك أن جميع أجزائك ستتعرض للماء. ارسم تصميمك في المربع أدناه ، وتأكد من الإشارة إلى الوصف وعدد الأجزاء التي تخطط لاستخدامها. اعرض التصميم الخاص بك على الفصل. يمكنك اختيار مراجعة خطة فريقك بعد تلقي ملاحظات من الفصل.  

مرحلة البناء

قم ببناء طاحونة الماء الخاصة بك.  أثناء البناء ، قد تقرر أنك بحاجة إلى مواد إضافية أو أن التصميم الخاص بك بحاجة إلى التغيير.  هذا جيد - فقط قم بعمل رسم جديد وراجع قائمة المواد الخاصة بك. 

مرحلة الاختبار

سيختبر كل فريق طاحونة مائية في حوض الفصل الدراسي.  ستحتاج إلى تحديد موعد اختبارك للتأكد من أن طاحونة الماء الخاصة بك يمكن أن تعمل لمدة ثلاث دقائق دون أن تنهار.  تأكد من مشاهدة اختبارات الفرق الأخرى ولاحظ كيف عملت تصاميمهم المختلفة.

مرحلة التقييم

قم بتقييم نتائج فريقك ، واستكمل ورقة عمل التقييم ، وقدم نتائجك إلى الفصل.

استخدم ورقة العمل هذه لتقييم نتائج فريقك في درس "الموسيقى الهندسية":

1. هل نجحت في إنشاء طاحونة مائية تعمل لمدة ثلاث دقائق؟  إذا لم يكن كذلك ، فلماذا فشلت؟

2. هل قررت مراجعة التصميم الأصلي أو طلب مواد إضافية أثناء مرحلة البناء؟  لماذا؟

3. هل تفاوضت بشأن أي صفقات مادية مع فرق أخرى؟  كيف عملت هذه العملية بالنسبة لك؟ 

4.  إذا كان بإمكانك الوصول إلى مواد مختلفة عن تلك المتوفرة ، فما الذي كان سيطلبه فريقك؟  لماذا؟

5. هل تعتقد أنه يتعين على المهندسين تكييف خططهم الأصلية أثناء إنشاء الأنظمة أو المنتجات؟  لماذا قد يفعلون ذلك؟

6. إذا كان عليك القيام بذلك مرة أخرى ، كيف سيتغير تصميمك المخطط؟  لماذا؟

7.  ما هي التصاميم أو الأساليب التي رأيت الفرق الأخرى تجربها والتي كنت تعتقد أنها تعمل بشكل جيد؟

8.  هل تعتقد أنك كنت ستتمكن من إكمال هذا المشروع بشكل أسهل إذا كنت تعمل بمفردك؟  يشرح…

9.  ما هي عيوب الطاحونة المائية كمصدر موثوق للطاقة؟

10  ما هي مزايا الطاحونة المائية كمصدر متجدد للطاقة؟