شیر مکانیزه – جلسه دوم

اهداف:

1- توضیحاتی درباره مزایای استفاده ازشیر مکانیزه
2- طراحی وسیله و توضیح بخش های مختلف آن

زمان عملیاتی 
 
وسایل لازم 
 
روند کار
ابتدا باید کمی در مورد اصل پروژه با دانش آموزان صحبت کنید و مزایای آنرا برای آنها بازگو نمایید. پیش از شروع، از آنها بخواهید مزایای شیر مکانیزه را برشمارند.
سپس مزایای زیر را به آنها معرفی کنید:
با مراجعه به جداول موجود در جلسه قبل، به دانش آموزان یادآوری کنید که مقدار زیادی آب در اماکن عمومی و دستشویی ها مصرف می شود. دلیل آن این است که به علت رعایت اصول بهداشتی، مردم سعی می کنند کمتر به شیرها دست بزنند و لذا آب زیادی هدر می رود. اگر بتوان شیر را تنها در مواقعی که دست زیر آن است باز نمود، میزان آب هدر رفته بسیار کمتر می شود.

علاوه بر صرفه جویی در مصرف آب، به دلیل اینکه برای قطع و وصل نمودن جریان آب نیاز به تماس دست نداریم (شیر مکانیزه مورد نظر ما توسط حسگر وجود دست را حس می نماید)، دیگر انتقال آلودگی از شیر به دست را نداریم و شیر بهداشتی تر می شود. پس از اینکه دانش آموزان را با اهداف ساخت پروژه شیر مکانیزه و مزیت های آن آشنا کردیم، بهتر است در مورد طراحی و نحوه ساخت این شیر به آنها توضیح دهیم. سعی نمایید طراحی شیر به کمک بچه ها و با همفکری آنها انجام شود.

اول به آنها بگویید هدف ما ساخت یک عدد شیر اتوماتیک است که با نزدیک شدن دست باز شود و با دور شدن دست بسته شود. همچنین این شیر باید قابلیت دما را داشته باشد که اکثر شیرهای مکانیزه موجود در بازار این قابلیت را ندارند.
برای رعایت اصول بهداشتی، می خواهیم شیر را به گونه ای بسازیم که برای تنظیم نمودن دما نیز نیازی به لمس جایی نداشته باشیم. قبل از توضیح روش ساخت، از دانش آموزان بخواهید طرح هایی برای تنظیم دما بدون دخالت دست بدهند و سر این طرح ها بحث و گفتگو نمایید.
به آنها راهنمایی کنید که بهتر است تنظیم دما برای سادگی و راحتی توسط پا انجام شود که در ادامه روشی آنرا توضیح می دهیم.

ابتدا می خواهیم به نوعی متوجه وجود دست در زیر شیر بشویم تا بتوانیم جریان آب را قطع و وصل نماییم. برای این منظور، باید از یک حس گر استفاده کنیم که وجود دست را در زیر شیر حس کند. این حسگرهای موجود، نمی تواند کار مکانیکی انجام دهند (شیر را باز یا بسته نمایند)، تنها می توانند در صورت نزدیک شدن دست به شیر، یک جریان برق ایجاد کنند و با دور شدن دست، این جریان را قطع کنند. مانند شکل زیر:

شیر برقی

شمای کلی یک شیر برقی نیز در شکل زیر موجود می باشد که لازم است اشکال فوق را به دانش آموزان نشان دهید.

طریقه کار شیر برقی به گونه ای است که وقتی به ورودی برق آن برق وصل کنیم (به شکل S2-z مراجعه نمایید)، جریان به سیم پیچ می رود و باعث می شود که سیم پیچ آهنربا شود و هسته خود را که همان اهرم قطع و وصل کننده جریان آب می باشد را به سمت بالا بکشد و راه عبور آب باز شود و آب در شیر جریان پیدا کند. با قطع نمودن جریان برق، اهرم بوسیله نیروی فنر به جای خود باز می گردد و باعث می شود جریان آب قطع گردد.
تا اینجا دانش آموزان با نحوه قطع و وصل کننده جریان آب می باشد را به سمت بالا بکشد و راه عبور آب باز شود و آب در شیر جریان پیدا کند. با قطع نمودن جریان برق، اهرم بوسیله نیروی فنر به جای خود باز می گردد و باعث می شود جریان برق، اهرم بوسیله نیروی فنر به جای خود باز می گردد و باعث می شود جریان آب قطع گردد.

تا اینجا دانش آموزان با نحوه قطع و وصل آب با نزدیک شدن دست آشنا شدند. در این مرحله نکته ای باقی می ماند و آن این است که اگر خروجی حسگر ما نتواند برق مورد نیاز برای شیر برق را تامین کند، مثلا یعنی حسگر با نزدیک شدن دست برق 12 ولت بدهد ولی برای راه افتادن شیر برقی، 220 ولت نیاز داشته باشیم، باید از یک رله استفاده نماییم.
به دانش آموزان توضیح دهید که رله در حقیقت یک کلید برقی است که می تواند با ولتاژ کم، جریان را قطع و وصل نماید. طرز کار رله را در شکل زیر مشاهده می کنید:

وقتی به آهنربای الکتریکی که در حقیقت ورودی رله می باشد، برق ضعیفی وصل کنیم، هسته آهنربا اهرم متحرک رله را جذب می کند و باعث می شود ورودی 1 به خروجی 2 وصل شود و جریان بین نقاط 1 و 2 برقرار شود.

با قطع نمودن جریان، اهرم به دلیل نیروی فنر باز می کرد و به جای خود و جریان نیز قطع می شود. در این پروژه، ما برق خروجی از حسگر را به سیم پیچ رله می دهیم تا در صورت حس کردن دست رله را وصل نماید تا ورودی رله که همان برق مورد نیاز برای شیر برقی است را به خروجی 2 که همان شیر برقی است وصل نماید و شیر برقی جریان آب را برقرار سازد.

حال تنها نکته باقی مانده برای طراحی دستگاه، نحوه تنظیم پایی دمای آب می باشد. برای این منظور، از یک اهرم ساده استفاده می کنیم که حرت پا را به دسته شیر منتقل نماید.
شکل شما تیک این اهرم بندی را در زیر مشاهده می کنید:

از نکات مهم، نحوه اتصال اهرم به شیر می باشد که به دلیل اینکه محور چرخ هرم و شیر در یک نقطه قرار ندارند، مکانیزم را به گونه ای باید بسازیم که حرکت این دو جز را فراهم کند، از یک مکانیزم دو درجه آزادی به شکل زیر استفاده می کنیم:

با به کارگیری مکانیزم فوق، امکان حرکت شعاعی نیز پدید می آید و در نتیجه شیر و محور به راحتی حرکت می کنند و با حرکت محور، شیر به راست و چپ می رود. تا اینجا تمام بخش های دستگاه را به دانش آموزان معرفی نموده ایم. در زیر برای فهم بیشتر، شکل شماتیک کلی دستگاه آورده شده که با مراجعه به آن، تمام مشکلات مفهومی دانش آموزان در صورت وجود حل می گردد.

در پایان این جلسه، از دانش آموزان بخواهید برای جلسه آینده در مورد مکانیزم های دو درجه آزادی و همچنین در مورد مفهوم درجه آزادی اطلاعاتی جمع آوری نمایند و همچنین مثال هایی برای درجات آزادی مختلف بیان کنند.
 
منابع بیشتر

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان

تنظیم: یگانه داودی

شیر مکانیزه – جلسه اول
شیر مکانیزه – جلسه  دوم
شیر مکانیزه – جلسه  سوم
شیر مکانیزه – جلسه  چهارم
شیر مکانیزه – جلسه  پنجم
شیر مکانیزه – جلسه  ششم
شیر مکانیزه – جلسه  هفتم
شیر مکانیزه – جلسه  هشتم