1

Plan de la Lección del Instructor

Conceptos STEM Cubiertos

Fuerza

Esfuerzo

Carga

Trabajo

Movimiento

Distancia

Máquinas Simples

Ventaja Mecánica

Crear un Prototipo

Pensamiento Crítico

Multiplicación

División

Unidades de Medida

v2.1

Estándares Educativos

NGSS

MS-ETS1-4 Diseño de Ingeniería

ITEEA

STL8- Atributos del Diseño

STL9- Diseño de Ingeniería

STL10- Invención e Innovación

HS-ETS1-4 Diseño de Ingeniería

STL11- Aplicación del Proceso de Diseño

3-5-ETS1-4 Diseño de Ingeniería

Serie: Aplicaciones en Diseño e Ingeniería – Sección 3

Polea Plan de Estudios

Tiempo de la Actividad:180 Minutos

Grados: 4-12

IntroducciónEsta lección de Kid Spark STEM-Maker está diseñada para presentar a los estudiantes una de las seis máquinas simples: la polea. Los estudiantes se familiarizarán con el funcionamiento de una polea aprendiendo información clave, construyendo y modificando un modelo de polea, y luego diseñando y construyendo una polea personalizada para resolver un desafío.

Resultados del AprendizajeAplicación de Conceptos Reflexivos para la Resoluciónde Problemas: Los conceptos reflexivos de STEM se exploran a través de aplicaciones en ingeniería estructural y mecánica, y robótica de control remoto. Los estudiantes comprenden los conceptos desafiantes de STEM y pueden ver cómo funcionan en la vida real. Los estudiantes utilizan estos conceptos para crear sus propias soluciones a problemas del mundo real.

Objetivos del Aprendizaje

Comprender los elementos básicos de una polea.

Comprender cómo una polea redirige el movimiento y crea una ventaja mecánica.

Calcular la cantidad de ventaja mecánica en un sistema de poleas.

Modificar un sistema de poleas para aumentar la ventaja mecánica.

Diseñar y construir un sistema de poleas personalizado.

Elementos de una poleaPropósito de una poleaAplicaciones en la vida realCrear ventaja mecánica con las poleas

1. Aprender2. Construir& Modificar

3. Diseñar &Construir

Construir un sistema de poleas fijaConstruir un sistema poleas movibleModificar el sistema de poleas de una ventaja mecánica de 2:1 a 3:1

Diseñar y construir una polea personalizada para resolver un desafío

Pasos del AprendizajeEsta lección Kid Spark STEM-Maker utilizará los siguientes pasos para aprender acerca de las poleas.

2

Niveles de Aprendizaje

Nivel Bajo: Conocimiento del Contenido

Identificar: elementos de un sistema de poleas

Investigar: aplicaciones de las poleas en la vida real

Enumerar: dos propósitos de una pole

RecursosLos siguientes recursos se usarán para completar esta lección.

1. Plan de Estudios Kid Spark STEM-Maker

Poleaa. Plan de la Lección del Instructorb. Paquete del Plan de Estudios (1 por equipo)c. Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante(1 por equipo)

2. Módulo o Laboratorio Kid Spark(Imagen de la Derecha)

Recursos Kid Spark

Lab deLabSnapStack

*4 Estudiantes por Lab

AdvancedProjects Lab

*4 Estudiantes por Lab

RobóticaProgramable

*4 Estudiantes por Lab

o o

Prerrequisitos:Antes de participar en esta actividad, los estudiantes deben tener una comprensión básica de lossiguientes conceptos:

1. Cómo usar instrucciones gráficas paso a paso para armar un diseño.2. Cómo usar el sistema métrico.3. Usar habilidades básicas de multiplicación y división para resolver un problema.4. Habilidades de comunicación fundamentales, incluyendo la lectura y la escritura.5. Cómo usar el proceso de diseño e ingeniería para resolver un problema.

EvaluaciónLos estudiantes serán calificados en lo siguiente para esta lección.

Nivel Medio: Habilidades y Aplicación Nivel Alto: Razonamiento

Diseñar: una polea personalizada que cree una ventaja mecánica

Describir: cómo crean las poleas una ventaja mecánica

Reconocer: cuánta ventaja mecánica hay en un sistema de poleas

Comprender: cómo funcionan las máquinas simples y cómo utilizarlas para resolver problemas

1. Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante (Hoja de Trabajo escrita: 23 puntos)

2. Desafío de Diseño e Ingeniería (Evaluación de Desempeño/Guía de Calificación: 30 puntos)

3

ProcedimientoComplete los siguientes pasos para enseñar a los estudiantes sobre las poleas. El tiempo de enseñanza variará dependiendo del grado. Los estudiantes más jóvenes pueden requerir más tiempo para comprender ciertos conceptos. Antes de iniciar la clase, el instructor debe revisar a fondo el contenido del paquete del plan de estudios.

Consejo: antes de la clase, el instructor debe revisar el contenido de la página 3 en el paquete del plan de estudios de las poleas.

7. Probar la Polea (10 minutos)

6. Modelo de Construcción Kid Spark (15 minutos)Los equipos seguirán paso a paso las instrucciones gráficas para armar un Sistema de Poleas Kid Spark.

(Paquete del Plan de Estudios - Página 4-6)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 2)

(Paquete del Plan de Estudios - Página 7)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 2)

Junto con los estudiantes revise ambos lados del sistema de poleas (fija y movible).

1. Formar EquiposAntes de la clase, organice a los alumnos en equipos hasta de 4 participantes. Agrupe a los alumnos que trabajarán juntos de manera efectiva.

2. Repartir los Materiales (5 minutos)Proporcione a los equipos los recursos correctos de Kid Spark, el paquete del plan de estudios y el libro de trabajo de ingeniería del estudiante. Pida a los estudiantes que conforme avancen en la lección vayan completando la información requerida en el libro de trabajo de ingeniería del estudiante.

3. Revisar los Objetivos del Aprendizaje (2 minutos)Repase los objetivos de aprendizaje con los estudiantes. (Paquete del Plan de Estudios – Página1)

4. Revisar los Principales Términos (10 minutos)Pida a los alumnos para que revisen los principales términos en el paquete del plan de estudios y que escriban las definiciones en el libro de trabajo de ingeniería del estudiante. Estos términos se usarán durante toda la lección. (Paquete del Plan de Estudios - Página 1)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 1)

5. Presentar el Contenido (15 minutos)El instructor y los estudiantes trabajan juntos para aprender sobre las poleas. (elementos, propósito, ejemplos de la vida real). Los estudiantes deben completar la información apropiada en el libro de trabajo de ingeniería del estudiante. (Paquete del Plan de Estudios - Página 3)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 2)

Consejo: antes de iniciar la lección es muy recomendable que el instructor arme o comprenda el modelo utilizado para la clase.

Consejo: Comience revisando el sistema de poleas fijas. Demuestre cómo los dos pesos iguales se balancean entre sí. Luego, pruebe el sistema de poleas móviles. Señale a los estudiantes que los dos pesos son de igual masa, aunque se vean ligeramente diferentes. Pregunte a los estudiantes por qué piensan que el Peso 1 ( ) es capaz de elevar el Peso 2 ( ), a Esfuerzo Cargapesar de que son la misma masa.

4

3:1 Pulley System

Esfuerzo

Carga

Sistemas de Poleas Fijas

=

El Proceso deDiseño &

IngenieríaKid Spark

Identificarel Desafío

Lluvia deIdeas &

Soluciones

Construirel Prototipo

Prueba &Mejora del

Diseño

Explicar elDiseño

Consejo: Revise brevemente con los estudiantes el proceso de Diseño e Ingeniería Kid Spark.

Consejo: Pida a los equipos que entreguen los libros de trabajo de ingeniería del estudiante resueltos mientras están presentando. Para evaluar los proyectos utilice la guía de calificación del desafío de diseño (página 5) del libro de trabajo de ingeniería del estudiante.

Ejemplo para el Instructor:http://rokenbokeducation.org/pulleyteacherexample

9. Modificar la Polea (15 minutos)

8. Comprender la Ventaja Mecánica (15 minutos)

(Paquete del Plan de Estudios - Página 8)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 3)

(Paquete del Plan de Estudios - Página 8)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 3)

10. Desafío de Diseño e Ingeniería (60 minutos)Revise con los estudiante el resumen del desafío de diseño y las especificaciones. Pida a los estudiantes que trabajen con el proceso de Diseño e Ingeniería Kid Spark para desarrollar, probar, afinar y explicar un prototipo funcional. Los equipos presentarán sus diseños al resto de la clase. (Paquete del Plan de Estudios - Página 9-10)(Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante - Página 4-5)

Trabaje con los estudiantes para hacer los cálculos de la ventaja mecánica de los modelos.

Consejo: Los estudiantes pueden tener dificultades en este paso. Pídales que revisen la fórmula de los sistemas de poleas móviles. La polea actual es 2:1 en el que las dos cuerdas están conectadas a la polea movible. Para aumentar la ventaja mecánica a 3:1, entonces debe haber tres cuerdas conectadas a la polea movible. Si es necesario, muestre a los estudiantes una imagen de un sistema de poleas 3:1 (ilustración de la derecha). Después de que hayan sido modificados correctamente, pídales que observen la distancia que recorre el en esfuerzocomparación con la . El esfuerzo ahora debe recorrer tres cargaveces la distancia de la carga. (Ventaja mecánica 3:1).

Consejo: El sistema de polea móvil está creando una ventaja mecánica intercambiando una mayor distancia para un menor esfuerzo. Señale a los estudiantes cómo el Peso 1 (Esfuerzo) recorre una distancia total de 10 bloques Kid Spark (20 cm), mientras que el Peso 2 (Carga) se eleva un total de 5 bloques Kid Spark (10 cm). Esto demuestra cómo usar un sistema de poleas con una polea móvil que puede facilitar el trabajo creando un ventaja mecánica.

Desafíe a los estudiantes a modificar el sistema de poleas de una ventaja mecánica de 2:1 a una de 3:1

Ventaja Mecánica

# de cuerdasconectadas a lapolea movible

5

11. Limpieza (10 minutos)Pida a los estudiantes que desarmen todos sus modelos y los empaquen correctamente en los módulos o labs.

12. Revisar la Lección (5 minutos)Utilice los últimos cinco minutos de la clase para revisar la lección.

Preguntas Orientadoras:1. ¿Cuáles son dos propósitos de una polea?

2. ¿Cómo crea una polea una ventaja mecánica?

4. Fuerza:

Serie: Aplicaciones en Diseño e Ingeniería – Sección 3

Polea

Principales TérminosEn el espacio proporcionado escriban las definiciones de cada término clave.

1.

2.

3.

4.

1. Máquina Simple:

5. Trabajo:

6. Esfuerzo:

2. Polea:

3. Ventaja Mecánica:

7. Carga:

v2.1

Miembros del Equipo Total de Puntos

/23 puntosLibro deTrabajo

/30 puntosDesafío:

Plan de Estudios

Libro de Trabajo de Ingeniería del Estudiante

Un dispositivo que transmite o modifica la fuerza o el movimiento.

Una máquina simple que se compone de una rueda con un borde acanalado en el

que al tirar de un cable se puede cambiar la dirección de la tracción y así levantar una carga.

La cantidad que multiplica la fuerza una máquina.

Tirar o Empujar

Utilizar una fuerza para mover un objeto a lo largo de una distancia.

Fuerza aplicada a una máquina para hacer un trabajo.

El objeto o peso que se va a levantar o mover.

7

X

X

X

8. 9. 10.

Propósito de una PoleaUna polea se utiliza para dos diferentes propósitos. Anoten cada propósito en el espacio en blanco.

11. Sistema de Polea Fija:

12. Sistema de Polea Movible

Aplicación en la Vida RealInvestiguen algunas aplicaciones de las poleas en la vida real. En los espacios en blanco anoten dos ejemplos, que no se encuentren en el paquete del plan de estudios.

13.

14.

Construir y ModificarConforme el equipo complete cada paso marquen las casillas correspondientes.

15.

16.

17.

Construir un Sistema de Poleas Kid Spark.

Probar/observar un Sistema de Poleas Fijas Kid Spark.

Probar/observar un Sistema de Poleas Movibles Kid Spark.

10.

9.

8.

Elementos de una PoleaHay tres elementos básicos de una polea. Identifiquen el elemento correcto y anótenlo en el espacio proporcionado.

Aprender, Construir& Modificar

Eje Cable Rueda

Redirigir el Movimiento

Crear una Ventaja Mecánica

Varias Respuestas

Varias Respuestas

18. La ventaja mecánica existe cuando la fuerza ______________________ de una máquina es

_____________________que la fuerza ____________________que se le aplicó.

19. Para que una máquina cree una ventaja mecánica, debe cambiar un mayor tiempo o

____________________ para reducir el esfuerzo.

8

de salida

mayor de entrada

distancia

2:1

3:1

X

X

Comprender la Ventaja MecánicaLlenen los espacios en blanco para completar la oración.

Construir& Modificar

Calcular la Ventaja Mecánica Utilicen la fórmula para calcular la ventaja mecánica y resolver los siguientes problemas. Ejemplo 1

Esfuerzo

Carga

Ejemplo 2

Esfuerzo

Carga

Todos los Sistemas de Poleas

Distancia del esfuerzo

Distancia de la carga

Ventaja Mecánica=

Modificar el Sistema de PoleasConforme el equipo vaya completando cada paso marquen la casilla correspondiente.

22.

23.

Modificar el Sistema de Poleas Movible Kid Spark de una Ventaja Mecánica 2:1 a 3:1.

El instructor debe confirmar que la modificación es correcta.

Ventaja Mecánica:

Ventaja Mecánica:

20. En el Ejemplo1, si el esfuerzorecorre 40 cm y la carga 20 cm¿Cuál es la ventaja mecánica?

21. Determine la ventajamecánica del sistema de poleasdel ejemplo 2.

Sistemas de Poleas Movible

=Ventaja

Mecánica

# de cuerdasconectadas a lapolea movible

9

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Diseñar y construir un sistema de poleas para elevar el go-cart

El sistema de poleas debe levantar el go-cart al menos 18 cm del piso

El sistema de poleas debe bajar cuidadosamente el go-cart

Varios desafíos descubiertos durante las pruebas

X

X

Construir un broche de seguridad para asegurar el cable

El sistema de poleas debe crear una ventaja mecánica

El Proceso de Diseño &

Ingeniería Kid Spark

Identificarel Desafío

Lluvia deIdeas &

Soluciones

Construirel Prototipo

Prueba &Mejora del

Diseño

Explicar elDiseño

Diseñar& Construir

Desafío de Diseño e IngenieríaSigan cada paso en el proceso de diseño e ingeniería para desarrollar una solución para el desafío. Marquen la casilla a medida que terminen cada paso. Completen los espacios en blanco cuando sea necesario.

1. Identificar el Desafío

Desafío:

Desafío Secundario:

Desafío Secundario:

Desafío Secundario:

Revisar las Especificaciones:

2. Lluvia de Ideas & Soluciones

Discutir ideas del diseño.

Considerar los componentes de construcción y el costo.

3. Construir un Prototipo

Construir un prototipo funcional del diseño.

4. Probar & Mejorar el Diseño

Probar y mejorar el diseño, tanto en funcionamiento como en consistencia.

Nuevo desafío descubierto:

Revisar la guía de calificación y las especificaciones del diseño.

Considerar maneras de reducir los costos.

5. Explicar el Diseño

Prepararse para demostrar y presentar el diseño a la clase.

Revisar la guía de calificación del proyecto.

Explicar las características únicas del diseño que se incluyeron.

Describir al menos un nuevo problema/desafío descubierto durante el Paso 4(Prueba y Mejora del Diseño), y cómo rediseñó el equipo un nueva solución.

Desafío Secundario:

1055-01192-201#HV

Diseñar& Construir

Especificaciones: ¿El diseño cumple con todas las especificaciones como se indica en el resumen del diseño?

Funcionamiento: ¿Qué tan bien funciona el diseño? Funciona de manera consistente?

Colaboración del Equipo: ¿Qué tan bien trabajó el equipo? ¿Cada alumno puede describir cómo contribuyeron?

Calidad/Estética del Diseño: ¿El diseño es de alta calidad? ¿Es estructuralmente fuerte, atractivo y bien proporcionado?

Costo del Material: ¿Cuál fue el costo total del diseño? ¿El equipo pudo mantenerse dentro o por debajo del presupuesto?

Presentación: ¿Qué tan bien comunicó el equipo a los demás todos los aspectos del diseño?

Evaluación del DesafíoCuando los equipos hayan completado el desafío de diseño e ingeniería, se debe presentar al maestro y a los compañeros de clase para su evaluación. Se calificará a los equipos según los siguientes criterios:

Especificaciones

Funcionamiento

Colaboración en Equipo

Calidad/Estéticadel Diseño

Cumple todas lasespecificaciones

No cumple con lasespecificaciones

Cumple algunasespecificaciones

Cumple con la mayoríade las especificaciones

El diseño funcionaconsistentemente bien

No cumple con lasespecificaciones

El diseño funcionaparcialmente

El diseño funciona bienen general

Cada miembro delequipo contribuyó

El equipo no trabajójunto

Algunos miembros delequipo contribuyeron

La mayoría de losmiembros del equipocontribuyeron

Excelentediseño/estética

Diseño/estéticapobre

Diseño/estéticapromedio

Buendiseño/estética

En Presupuesto($120 o Menos)

Muy por Encima delPresupuesto (+$141)

Por Encima delPresupuesto($130 – $140)

Ligeramente Arriba delPresupuesto($120 – $130)

Excelente presentación/bien explicada

No hubo presentación/explicación

Presentación/explicación regular

Buena presentación/bien explicada

Costo delMaterial

Presentación

Puntos

Total de Puntos

Avanzado5 Puntos

Eficiente4 Puntos

/30

Guía deCalificación

Parcialmente Eficiente3 Puntos

No Fue Eficiente0 Puntos

Total de la Columna Total de la ColumnaTotal de la Columna Total de la Columna

Total de Puntos