Simple Machines (B)

Simple  Machines  (B)   Michigan  State  Coaches  Clinic   Dec  7,  2013   David  Hein   [email protected]  

1  

Simple  Machines   Rules   !   Team  of  2   !   No  Eye  Protection  Required   !   Device  must  be  impounded   !   Part  1  (Written  Test)   ! ! ! ! !

         

50%  of  score   SI  Units   Simple  Machine  Concepts   Simple  Machine  Calculations   Simple  Machine  History  

!   Part  2  (Device  Testing)   !   !  

One  known  and  one   unknown  mass  (50-­‐1200g   each)   5:1  (Reg),  7:1  (State),  9:1  (Nat)  

!   Only  five  types  of  machines   ! ! ! !

       

!  

Levers  (all  three  classes)   Inclined  Wedge   Wedge   Pulley  (up  to  two  double   pulleys)   Wheel  and  Axle  

!   Prohibited  topics   ! ! ! ! ! ! !

             

Compound  machines   Dynamic  Calculations   Material  Strengths   Potential/Kinetic  Energy   Coefficient  of  Friction   Screw  Simple  Machines   Angle  of  Repose  

What  to  Include  in  your  Binder   !   1  Page  Cheat  Sheet  –  Quick  reference   !   Units  and  constants   !   Conversion  constants   !   g,  …  

!   Detailed  sections   ! ! ! ! !

         

Simple  machines   Calculation  and  calculation  examples   Mechanical  Advantage   History  Reference   ….  

!   Definitions  and  terminology  

3  

Scoring   Final  Score  =  ES  +  TS  +  MS          100  pts  maximum   1. 

ES  (Exam  Score):  50  pts  max  

2. 

TS  (Time  Score):  20  pts  max    =  ((240  -­‐  part  2  time)  /  240)  x  20  pts.  

3. 

MS  (Mass  Score):  30  pts  max    =  (1-­‐(abs  (AM  -­‐  CV)  /  AM))  x  30  pts.     Where:   !   AM  =  actual  mass  of  unknown  mass     !   CV  =  calculated  mass  of  unknown  mass.  

Scoring  is  the  same  for  both  events.     High  Score  Wins!   4  

Penalties   TS  =  0  and  MS  =  0  for  the  any  of  the  following:   !   No  Device  impounded   !   Device  does  not  meet  construction  specs  (will   not  be  tested)   !   Team  does  not  make  an  honest  attempt  to  use   the  Device  to  determine  the  unknown  mass   Bottom  line  –  impound  your  device,  make  sure  your   device  meets  the  rules,  and  know  how  to  use  it   5  

!   Lever  

Basics  of  Simple   Machines  

!   Inclined  Plane   !   Wheel  and  Axle   !   Wedge   !   Pulley   !   Screw,  not  included  in   Simple  Machines  (B)  

6  

Mechanical  Advantage   !   A  simple  machine  has  an  applied  force  (or  effort)  that   works  against  a  load  force.     !   If  there  are  no  friction  losses,  the  work  done  on  the   load  is  equal  to  the  work  done  by  the  applied  force.     !   This  allows  an  increase  in  the  output  force  at  the  cost   of  a  proportional  decrease  in  the  distance  moved  by   the  load.     !   The  ratio  of  the  output  force  to  the  input  force  is  the   mechanical  advantage  of  the  machine.  

7  

Efficiency   !   Machines  lose  energy  through  friction,  deformation   and  wear,  which  is  dissipated  as  heat.     !   This  means  the  power  out  of  the  machine  is  less  than   power  in.     !   The  ratio  of  power  out  to  power  in  is  the  efficiency  η   of  the  machine,  and  is  a  measure  of  the  energy   losses.  

8  

What  is  an  Inclined   Plane?   !   An  inclined  plane  is  a  flat   supporting  surface  tilted  at  an   angle,  with  one  end  higher  than   the  other,  used  as  an  aid  for   raising  or  lowering  a  load   !   Can  include  static  friction  or  be   frictionless  for  either  event  

9  

What  is  a  Lever?   !   A  lever  is  a  machine  consisting  of  a  beam  or  rigid  rod   pivoted  at  a  fixed  hinge,  or  fulcrum   !   The  word  comes  from  the  French  lever,  "to  raise",  cf.  a   levant.     !   A  lever  takes  an  input  force  and  provides  an  output   force.     !   The  ratio  of  the  output  force  to  the  input  force  is  the   ideal  mechanical  advantage  of  the  lever.  

10  

What  is  a  Wedge?   !   A  wedge  is  a  triangular  shaped  tool,  a  compound   and  portable  inclined  plane,  and  one  of  the  six   classical  simple  machines.     !   It  can  be  used  to  separate  two  objects  or  portions   of  an  object,  lift  up  an  object,  or  hold  an  object  in   place.     !   It  functions  by  converting  a  force  applied  to  its   blunt  end  into  forces  perpendicular  (normal)  to   its  inclined  surfaces.  

11  

Classes  of  Levers   !

Class  1:  Fulcrum  in  the  middle:  the  effort  is   applied  on  one  side  of  the  fulcrum  and  the   resistance  on  the  other  side   !  

!

Class  2:  Resistance  in  the  middle:  the  effort   is  applied  on  one  side  of  the  resistance  and   the  fulcrum  is  located  on  the  other  side.   !  

!

A  crowbar  or  a  pair  of  scissors.  

A  wheelbarrow,  a  nutcracker,  a  bottle  opener  or   the  brake  pedal  of  a  car.  Mechanical  advantage  is   greater  than  1.    

Class  3:  Effort  in  the  middle:  the  resistance   is  on  one  side  of  the  effort  and  the  fulcrum   is  located  on  the  other  side   !  

A  pair  of  tweezers  or  the  human  mandible.   Mechanical  advantage  is  less  than  1.  

12  

What  is  a  pulley?   !   A  pulley  is  a  wheel  on  an  axle  that  is   designed  to  support  movement  of  a   cable  or  belt  along  its  circumference.   !   Pulleys  are  used  in  a  variety  of  ways  to  lift   loads,  apply  forces,  and  to  transmit  power.   !   Also  called  a  block,  sheave,  or  drum  and  may   have  a  groove  between  two  flanges  around   its  circumference.     !   The  drive  element  of  a  pulley  system  can  be   a  rope,  cable,  belt,  or  chain  that  runs  over   the  pulley  inside  the  groove.  

13  

Pulleys  linked  by  a   circular  chain  or  belt  

!   Below  is  a  pulley  and  belt  system,  which  operates  like  a   Wheel  and  Axle,  but  is  classified  a  pulley  system   !   Pulleys  have  different  axles   !   Motion  is  circular/angular  not  linear   !   The  IMA  is  dependent  upon  the  ratio  of  the  wheels/pulleys  versus   the  number  of  lines  connecting   !   One  wheel/pulley  is  the  driver  and  one  is  the  driven  

14  

What  is  a  Wheel  and   Axle  

!   Wheel  and  Axle  is  a  simple   machine  that  is  generally   considered  to  be  a  wheel   attached  to  an  axle  so  that  these   two  parts  rotate  together  in   which  a  force  is  transferred  from   one  to  the  other.  

!   The  IMA  is  caused  by  the  difference   in  radius  between  the  wheel  and   axle   !   Either  the  Wheel  or  Axle  may  be  the   driving  force   15  

Gears  are  also  a  Wheel  and   Axle  type  of  machine   !   A  gear  or  cogwheel  is  a  rotating  machine   part  having  cut  teeth,  or  cogs,  which   mesh  with  another  toothed  part  in  order   to  transmit  torque   !   Usually  the  teeth  on  the  one  gear  of   identical  shape,  and  often  also  with  that   shape  (or  just  width)  on  the  other  gear.     !   Two  or  more  gears  working  in  tandem  are   called  a  transmission  and  can  produce  a   mechanical  advantage  through  a  gear   ratio  and  thus  may  be  considered  a  simple   machine.     16  

What  is  a  Screw?   !   A  screw  is  a  mechanism  that  converts   rotational  motion  to  linear  motion,  and  a   torque  (rotational  force)  to  a  linear  force   !   Last  simple  machine  invented,  appeared  first   in  ancient  Greece   !   It  can  be  seen  that  the  mechanical   advantage  of  a  screw  depends  on  its  lead,   Pitch  and  diameter   !   The  smaller  the  distance  between  its   threads,  the  larger  the  IMA   !   However  most  actual  screws  have  large   amounts  of  friction  

Caution   One  big  area  of  misinformation  is  identifying  machine  types.  Appearances  can   be  deceiving!   !   Just  because  it  looks  like  a  lever  doesn t  mean  it  is  a   lever   !   A  wheel  on  an  axle  (free  to  rotate)  does  not  mean  it  is    a   wheel  and   axle   !   All  round  things  with  teeth  are  not   gears   To  identify  the  machine  –  look  at  the  function!   !   What  are  the  input  and  output?   !   Where  are  the  characteristic  parts?   !   What  are  the  motions  of  the  input  and  output?   One  part  may  be  part  of  two  machines.     For  example:   The  bicycle  sprocket  and  pedals  form  a   wheel  &  axle  while  the  sprocket,   along  with  the  chain  and  rear  sprocket,  are  part  of  a   belt  &  pulleys   18  

Part  2  -­‐  Device   19  

Part  2:  Device  Testing   !   The  objective  is  to  quickly  determine  an   unknown  mass  using  a  known  mass  and  a   prebuilt    lever  device.   !   The  Event  Supervisor  will  provide  a   known  and  unknown  mass  and  reveal  the   value  of  the  known  mass.     !   The  students  will  use  their  device  to   determine  the  unknown  mass   20  

B  Device  Concept  

M2

M1

•  Class 1 Lever with 100 cm max beam length •  Must fit inside 100cm x 100 cm x 50 cm box along with all tools and supplies 21  

Device  Specifications   !   The  device  must  be  constructed  to   accommodate  the  masses.  This  means  be  able  to   attach  the  test    masses  to  the  device  and  the   device  being  strong/stiff  enough  to  handle  the   loads.   !   Masses  will  range  from  50.0g  to  1200.0g   !   Maximum  mass  ratios  are:   B  Division   C  Division  

 (Region  /  State  /  National)                  5:1        /      7:1    /        9:1          12:1        /  16:1    /    20:1   22  

Strategic  Challenges   !   What  is  your  strategy?   !   How  will  you  use  your  device?   !   Will  you  design  the  device  so  that  it  can  be  used  at  Region,   State,  and  National  levels  or  optimize  for  each  level?   !   Will  you  place  one  of  the  masses  in  the  same  place  each  time   and  move  the  other  to  balance?   !   Will  you  trade  accuracy  for  time?   !   How  will  you  optimize  your  machine  for  different  mass   ratios?  

23  

Scoring   Example  Team  Scores Team  Time  (Sec) 30 30 30 30 60 60 60 60 120 120 120 120 240

Percent  Error  in  weight   measurement 1% 5% 20% 30% 1% 5% 20% 30% 1% 5% 20% 30% 0%

Total  Device  Score 47.2 46 41.5 38.5 44.7 43.5 39 36 39.7 38.5 34 31 30

Suggestions  for  Devices   !   Make  sure  your  device  is  strong  and  stiff  enough  to  handle   the  maximum  weights  allowed.   !   Make  sure  the  masses  will  not  bottom  out  on  any  portion   of  the  device  or  table  it  sits  upon.  (see  rules  for  mass   specifications)   !   Make  sure  the  device  will  not  tip  over  no  matter  where   the  masses  are  positioned   !   Balance  your  device  so  that  it  is  in  static  equilibrium   before  the  test  masses  are  added.   !   Consider  incorporating  a  measurement  scale  on  the  input  /   output  arms  to  measure  distance  from  the  fulcrum.   !   Make  sure  you  know  how  to  use  your  device  to  weigh  the   unknown  mass  .    Mass  could  be  heavier,  equal  or  lighter   25  

Check  Rules  Clarifications   !  

11/06/2013  -­‐  11:51   Does  the  Device  need  to  be  in  assembled,  (ready  to  use  condition)  when  it  is  determined  if   it,  along  with  any  tools  and/or  supplies,  fits  in  the  100  x  100  x  50.0  cm  box?  Or  is  it   permitted  to  be  partially  disassembled  (such  as  removing  the  levers)...It  only  needs  to  fit   into  the  box  at  impound,  however  note  that  there  isn't  any  explicit  time  stated  in  the  rules   to  allow  for  assembly,  thus  it  will  be  up  to  individual  event  supervisors  as  to  whether  time   is  given  to  all  teams,  or  if  a  team  must  assemble  during  their  part  2  testing  time.  

!  

11/06/2013  -­‐  11:42   Can  a  computer  be  used  as  a  tool  for  the  device  testing  portion  of  the  event?  No.   Computers/tablets/etc  generally  aren't  allowed  in  Science  Olympiad  events  unless   explicitly  permitted  in  the  specific  event  rules,  since  they  can  potentially  violate  multiple   general  rules.  

!  

11/06/2013  -­‐  12:01   Do  students  need  to  impound  their  reference  material  secured  in  a  3-­‐ring  binder?    No,  only   the  device,  tools,  and  supplies  must  be  impounded.  Reference  materials,  writing  utensils,   and  calculators  do  not  need  to  be  impounded.  

!  

10/31/2013  -­‐  20:21  Under  the  catagory  of  "Wheel&  Axle",  are  "Belt  &  Pulleys"  included?    Yes,   Belt  and  Pulleys  are  included  as  part  of  the  Pulley  simple  machine  type  for  both  Simple   Machines  and  Complex  Machines.  

!  

10/31/2013  -­‐  20:23  Under  the  catagory  of  "Wheel  &  Axle",  are  "Gear  Systems"  included?    Yes  

Team  Check  List  

Suggested  References   !   Websites:   •  •  •  • 

Soinc.org  Simple  Machines/  Complex  Machines  Event  pages   Scioly.org  student  forums  /  wiki  /  test  exchange   Wikipedia  (Simple  Machines,  Levers,  Pulleys,  etc.)   http://www.khanacademy.org/#Physics  

!

Khan  Academy  Tutorial  on  Mechanical  Advantage  

!

Museum  of  Science  and  Industry  Simple  Machines  online  game  

!

SEDL  Simple  Machines  Online  Textbook  

!

Department  of  Navy  -­‐  Basic  Machines  Textbook  

28  

Other  Resources   Science  Olympiad    Event  pages:   ! http://www.soinc.org/simple_machines_b   !    http://www.soinc.org/compound_machines_c   Science  Olympiad  Student  Center:   ! http://www.scioly.org/phpBB3/viewtopic.php?f=167&t=4975   School  for  Champions:     ! http://www.school-­‐for-­‐champions.com/machines/ simple_machines.htm   ! http://www.school-­‐for-­‐champions.com/machines.htm   Wikipedia:     ! http://en.wikipedia.org/wiki/Inclined_plane   ! http://en.wikipedia.org/wiki/Gear   Hyperphysics:   ! http://hyperphysics.phy-­‐astr.gsu.edu/hbase/mechanics/lever.html   ! http://hyperphysics.phy-­‐astr.gsu.edu/hbase/mechanics/incline.html     TechnologyStudents.com:   ! http://www.technologystudent.com/forcmom/forcedex.htm   ! http://www.technologystudent.com/gears1/geardex1.htm   29