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工程

用纸板设计一辆火星探测车

5 分钟 阅读

学生在 Avanza STEM 工作坊完成一项动手工程设计挑战
Avanza STEM 的工程挑战从设计简报和约束条件出发,以真实测试结束。

NASA 的火星探测车工作在距离最近的维修站 1.4 亿英里的地方。一个轮子裂了,一个传感器死了,外面没有任何人能去修。永远没有。每一个设计决定都是在这个前提下做出来的。

你今天不用为 1.4 亿英里做设计。但你要面对同一类限制:只能用手边找得到的材料、有一个不能超的重量、地形很难看,而且当别人当场测试的时候,你的车必须真的能跑。

任务简报

你的任务

用纸板、胶带和身边任何东西做一辆火星车。它得能载货、能过崎岖地面、能扛住一次跌落。计时器写着 45 分钟。开始。

你需要的材料

  • 纸板(谷物盒、快递盒,任意硬纸板)
  • 布基胶带或美纹纸胶带
  • 剪刀
  • 纸板管(纸巾或卫生纸卷筒)
  • 吸管
  • 小纸杯
  • 可选:黄铜扣、橡皮筋、直尺

你的设计目标

真正的工程师是按具体指标被打分的,不是按感觉。你的指标在这儿:

  1. 1

    载货

    顶上要稳住一个装了 3 枚硬币或 3 块小石头的小杯。翻了就算任务失败。

  2. 2

    过地形

    滚过一张揉皱的笔记本纸,不能卡住,也不能停在半路。

  3. 3

    扛住跌落

    从膝盖高度松手。落地后要还是一整块,而且还能滚。

  4. 4

    附加挑战:机械臂

    加一个从车身伸出去的东西,像探测车的机械臂,能往地面探下去,而整辆车原地不动。

你的设计约束

每一份真实的工程工作,都带着一堆不是你自己挑的规则。在这些规则里干活,就是这份工作的全部。你的规则如下:

  • 必须能装进一个鞋盒
  • 不许用热熔胶,只能用胶带和扣件
  • 轮子必须是圆的。真的圆,不是差不多圆
  • 计时 45 分钟
  • 测试之前,你得说清楚自己做的某一个决定,以及为什么

搭建前要思考的工程问题

  1. 1

    几个轮子?

    四个比三个稳,但你每加一个轮子就是多一份重量,也多一个会断的地方。真的探测车用六个,每一个都单独装着,这样一块石头掀不翻整辆车。

  2. 2

    重量放在哪?

    重心高就爱翻,重心低就稳得住。把重的零件尽量压到贴近地面。

  3. 3

    轮距多宽?

    左右轮之间的间距叫轨距。宽一点更难侧翻,窄一点更能钻缝。挑你想要哪个麻烦。

  4. 4

    一个轮子撞上坑怎么办?

    车轴如果是硬连的,一个坑会把整侧抬起来。真的探测车用摇臂转向架悬挂,让每个轮子各走各的。现在是有意思的问题了:你能不能用纸板和胶带把这个效果糊出来?

测试后问这些问题

  • 载货测试的时候它翻了吗?重量当时都堆在哪儿?
  • 揉皱的纸把它拦下来了吗?是轮子陷进去了,还是车底在拖地?
  • 它扛住那一摔了吗?如果没有,最先散架的是哪一块?
  • 要是有人再给你十分钟,你只改一件事的话会改什么?

把答案写下来,或者画出来。那一页纸,就是第一版和真正更好的第二版之间的区别。

一个学生在他的探测车前端用一条弯曲的纸板条加了一个斜坡,说是用来推开石头的。我问他有没有在真正的探测车上见过这个,他说没有,他只是觉得会有用。这就是正确的思考方式。

Noah Lopez,Avanza STEM 导师

与真实探测车的联系

此刻正在火星上跑的毅力号重约 1025 千克,六个轮子各自独立运动。它带着摄像机、麦克风、一把钻,还有一整架叫机智号的直升机。每一个零件都得轻到能发射、结实到能扛住着陆、可靠到在没人帮忙的情况下连续工作好几年。

重量分布、轮子数量、离地间隙、载荷。这些正是 NASA 的探测车工程师吵来吵去的问题。你在回答的是同一批问题,唯一的差别是预算。

亲身体验工程

在我们的工作坊,学生会接下这样的设计挑战,然后飞快地发现自己的作品到底扛不扛得住。

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