Belajar Katrol yang Kuat Untuk Kelas 3-5
Event For : Everybody
Ringkasan
Siswa terus mengeksplorasi cerita tentang pembangunan piramida, mempelajari mesin sederhana yang disebut katrol. Mereka belajar bagaimana katrol dapat digunakan untuk mengubah arah gaya yang diterapkan dan mengangkat benda yang sangat berat, serta keunggulan mekanis yang kuat dari menggunakan sistem katrol ganda. Siswa melakukan demonstrasi sederhana untuk melihat keunggulan mekanis dari menggunakan katrol, dan mereka mengidentifikasi aplikasi teknik modern dari katrol. Dalam kegiatan praktik, mereka melihat bagaimana katrol dapat mengubah arah gaya, perbedaan antara katrol tetap dan bergerak, serta keunggulan mekanis yang diperoleh dengan katrol ganda/gabungan. Mereka juga mempelajari banyak cara insinyur menggunakan katrol untuk tujuan sehari-hari.
Kurikulum teknik ini selaras dengan Next Generation Science Standards (NGSS).
Keterkaitan dengan Bidang Teknik
Insinyur adalah ahli dalam memanfaatkan keuntungan dari mesin sederhana dalam segala macam aplikasi dunia nyata yang bermanfaat bagi masyarakat. Mereka memasukkan keunggulan mekanis katrol ke dalam desain banyak struktur, mesin, produk, dan alat modern, seperti derek, elevator, tiang bendera, zip line, motor, rantai/gigi sepeda, tali jemuran, timba/tali sumur air, perangkat panjat tebing, tirai jendela, dan perahu layar/pancing. Dengan menggunakan beberapa katrol bersama dengan motor dan elektronik, insinyur menciptakan perangkat modern yang kompleks yang melakukan banyak pekerjaan dengan tenaga yang sangat sedikit.
Tujuan Pembelajaran
Setelah pelajaran ini, siswa diharapkan dapat:
Mendemonstrasikan bagaimana katrol digunakan.
Menjelaskan bagaimana katrol dapat digunakan oleh insinyur di zaman kuno untuk melakukan pekerjaan.
Mengidentifikasi aplikasi modern di mana insinyur menggunakan katrol.
Standar Pendidikan
NGSS: Next Generation Science Standards - Sains
Common Core State Standards - Matematika
International Technology and Engineering Educators Association - Teknologi
Lembar Kerja dan Lampiran
Katrol dan Piramida (ppt)
Pengetahuan Prasyarat
Pengetahuan umum tentang piramida. Pemahaman tentang enam mesin sederhana yang diperkenalkan di Pelajaran 1 dari unit ini.
Pendahuluan/Motivasi
Kita sedang dalam perjalanan untuk belajar tentang mesin sederhana dan membangun piramida Mesir kuno yang kita telah dipekerjakan sebagai insinyur untuk merancang dan membangunnya. Sekarang, kita akan menggali lebih dalam pemahaman kita tentang katrol untuk melihat apakah kita dapat menggunakan pengetahuan ini untuk membantu membuat pekerjaan kita lebih mudah.
Tidak ada yang tahu pasti apakah katrol adalah salah satu mesin sederhana yang digunakan oleh budaya kuno untuk membangun piramida. Beberapa orang percaya bahwa piramida yang indah dan besar tidak mungkin dibangun menggunakan sesuatu yang sederhana seperti mesin sederhana. Beberapa orang memiliki teori liar tentang bagaimana piramida bisa ada — bahwa mungkin alien dari planet lain datang ke Bumi dan membangunnya. Kita tidak tahu tentang itu, tetapi kita tahu bahwa manusia sangat kreatif dan banyak akal ketika mereka mau. Selama kita membatasi diri pada bahan dan teknologi yang akan tersedia bagi orang Mesir kuno, dapat diterima bagi kita untuk menggunakan pengetahuan kita untuk membangun sistem katrol untuk membangun piramida kita.
Katrol adalah mesin sederhana yang terdiri dari tali (atau tali tambang) yang melilit roda (kadang-kadang dengan alur) dengan satu ujung tali menempel pada objek dan ujung lainnya menempel pada orang atau motor. Katrol mungkin tampak sederhana, tetapi mereka dapat memberikan
keunggulan mekanis yang kuat sehingga tugas mengangkat dapat dilakukan dengan mudah.
Katrol digunakan dalam banyak cara, setiap hari. Katrol seperti apa yang bisa Anda pikirkan? Beberapa contoh umum adalah derek konstruksi besar yang menggunakan katrol untuk mengangkat benda berat dengan motor yang biasanya sangat kurang bertenaga, mesin beban di gym, beberapa elevator, tiang bendera, tirai jendela, rantai/gigi sepeda, tali jemuran, timba/tali sumur air, zip line, motor, perangkat panjat tebing, dan perahu layar serta pancing.
Sebuah elevator adalah penggunaan teknik modern dari sistem katrol yang berfungsi mirip dengan pengangkatan batu besar untuk pembangunan piramida. Tanpa menggunakan katrol, elevator akan membutuhkan motor besar untuk menarik kabel lurus ke atas. Alih-alih menggunakan motor besar, beberapa elevator menggunakan beban besar yang memanfaatkan
gravitasi untuk membantu menaikkan gerobak elevator. Dalam situasi ini, motor yang memberi daya bisa jauh lebih kecil dan hanya digunakan untuk menentukan arah ke mana elevator harus pergi.
Tapi bagaimana roda dengan tali di atasnya dapat membantu kita memindahkan batu-batu besar yang diperlukan untuk membangun piramida? Nah, katrol membantu kita dengan
mengubah arah gaya yang kita gunakan untuk mengangkat objek. Apakah lebih mudah bagi Anda untuk menarik tali ke atas atau menarik tali ke bawah? Dengan menggunakan katrol, kita tidak perlu menarik tali ke atas untuk mengangkat objek berat yang melekat padanya, melainkan kita bisa menariknya ke bawah. Pikirkan tiang bendera sebagai contoh. Ketika Anda menarik tali tiang bendera ke bawah, bendera naik ke tiang untuk berkibar di udara. Itu karena tiang bendera memiliki katrol di atasnya. Dengan menggunakan katrol untuk
mengalihkan gaya, sebuah batu bisa diangkat dari tanah, memungkinkan lebih banyak orang untuk meraih tali, dan menambahkan beban sehingga pekerja harus menarik lebih sedikit. Untuk menyederhanakan upaya ini lebih banyak lagi, pekerja yang menggunakan katrol dapat memindahkan batu besar ke atas jalan miring dengan menarik tali sambil berjalan menuruni jalan miring, menggunakan gravitasi untuk keuntungan mereka.
Keunggulan mekanis nyata dari katrol adalah dalam menggunakan banyak katrol sekaligus. Menggunakan beberapa katrol mengurangi jumlah gaya yang diperlukan untuk memindahkan objek dengan meningkatkan jumlah tali yang digunakan untuk menaikkan objek. Keunggulan mekanis (MA) dari sistem katrol sama dengan jumlah tali yang menopang beban yang bergerak. (Itu berarti, jangan hitung tali yang hanya digunakan untuk mengalihkan) . Kita tahu dari pelajaran lain tentang mesin sederhana bahwa untuk mendapatkan keunggulan mekanis yang lebih besar, ada
trade-off. Dengan katrol, trade-off-nya adalah jarak. Jadi, jika dua katrol digunakan bersama, jumlah gaya yang diperlukan berkurang setengahnya, tetapi dua kali lipat jumlah tali diperlukan untuk ditarik untuk menaikkan objek ke ketinggian yang diinginkan yang sama. (Ilustrasikan konsep ini kepada siswa dengan melakukan demonstrasi kelas berikut) .
Demonstrasi Sapu dan Tali Kelas:
Demo ini membutuhkan tiga siswa, dua sapu dan ~6 meter tali. Ikat tali ke salah satu sapu (sapu 1) dan lilitkan tali di sekitar sapu lainnya (sapu 2). Minta dua siswa berdiri sekitar satu meter terpisah masing-masing memegang satu sapu, dan coba jaga agar sapu tetap terpisah sementara siswa ketiga menarik ujung tali yang bebas; itu harus menjadi tugas yang sulit untuk menarik tongkat sapu bersama-sama. Selanjutnya, lilitkan tali di sekitar setiap sapu lagi. Coba lagi untuk menarik siswa/sapu bersama-sama; semakin banyak kali Anda melilitkan tali di sekitar sapu, semakin mudah bagi siswa ketiga untuk menarik yang lain bersama-sama! Ini adalah contoh yang menunjukkan kekuatan keunggulan mekanis. Rujuk ke kegiatan terkait
Menarik Beban Anda Sendiri untuk lebih melibatkan siswa dalam memahami sistem katrol dengan mengilustrasikan bagaimana katrol dapat digunakan untuk dengan mudah mengubah arah gaya, membuat pemindahan objek besar menjadi lebih mudah.
Katrol bisa jauh lebih rumit. Insinyur menggabungkan banyak katrol ke dalam sistem katrol yang secara signifikan mengurangi jumlah gaya yang diperlukan untuk mengangkat objek. Mereka sering menggunakan sistem katrol untuk memindahkan objek yang sangat berat. Sebuah
block and tackle adalah contoh sistem katrol yang dapat dilampirkan pada apa pun. Mungkin membutuhkan banyak kabel atau tali, tetapi manusia yang menggunakan katrol yang cukup bisa mengangkat beberapa ton. Insinyur menggunakan block and tackle bersama dengan motor dan elektronik untuk menciptakan perangkat modern yang beroperasi dengan persyaratan daya yang sangat rendah, seperti derek dan elevator. Di Disneyland, insinyur bahkan menggunakan sistem katrol untuk memindahkan Tinkerbell melintasi langit.
Kita tidak yakin apakah orang Mesir menggunakan katrol, dan belum menemukan bukti bahwa mereka melakukannya, tetapi kita tahu, bahwa jika mereka menggunakannya, hidup akan lebih mudah daripada jika mereka tidak menggunakannya. Sekarang, karena kita memahami katrol dan memiliki bahan modern, kita dapat membangun piramida jauh lebih mudah. Hari ini kita akan melihat merekayasa sistem katrol dan melihat apakah kita dapat merancang cara untuk mendapatkan batu terberat kita ke puncak piramida kita dengan bantuan mesin sederhana ini.
Latar Belakang Pelajaran dan Konsep untuk Guru
Gunakan presentasi
PowerPoint Katrol dan Piramida sebagai alat bantu kelas yang bermanfaat. Katrol, sebuah mesin sederhana, membantu melakukan pekerjaan dengan mengubah arah gaya dan membuat pemindahan objek besar menjadi lebih mudah. Ada tiga jenis utama katrol:
katrol tetap, katrol bergerak, dan sistem katrol.
Katrol Tetap
Konsep katrol yang paling umum dipahami adalah bahwa itu adalah mesin sederhana yang
mengalihkan gaya. Ini berarti dengan melilitkan tali di sekitar katrol dan menempelkan tali ke objek, seseorang menarik tali ke bawah untuk menaikkan objek, alih-alih harus mengangkat objek. Katrol tetap tidak memberikankeunggulan mekanis karena gaya yang Anda terapkan sama dengan jika Anda mengangkat objek tanpa katrol.
Katrol Bergerak
Dalam sistem katrol bergerak, tali dilekatkan pada titik tetap, katrol dilekatkan pada objek yang ingin Anda pindahkan, dan ujung tali yang lain dibiarkan bebas . Dengan menarik tali, katrol bergerak dan objek naik. Jenis sistem ini baik jika Anda mencoba menaikkan objek yang terletak di bawah Anda ke level Anda.
Sistem Katrol
Menggunakan sistem katrol dapat jauh lebih kompleks dan memberikan
keunggulan mekanis yang kuat, sangat mengurangi jumlah gaya yang diperlukan untuk memindahkan objek. Jika satu katrol bergerak digunakan, jumlah gaya yang diperlukan untuk menaikkan objek berkurang setengahnya.
Trade-off-nya adalah jumlah tali yang diperlukan dan jumlah tali yang harus Anda tarik juga meningkat. Jika dua katrol tetap ditambahkan ke sistem dan katrol bergerak kedua dilekatkan pada objek, jumlah gaya yang diperlukan menjadi seperempat dari berat objek, dan empat kali lipat jumlah tali diperlukan
Keunggulan Mekanis
Keunggulan mekanis yang kuat dari katrol adalah dalam menggunakan banyak katrol sekaligus. Keunggulan mekanis (MA) dari sistem katrol sama dengan jumlah tali yang menopang beban yang bergerak. Tali yang hanya digunakan untuk mengalihkan tidak dihitung
Kegiatan Terkait
Menarik Beban Anda Sendiri - Menggunakan bahan-bahan umum (spul, tali, sabun), siswa belajar bagaimana katrol dapat digunakan untuk dengan mudah mengubah arah gaya, membuat pemindahan objek besar menjadi lebih mudah. Mereka melihat perbedaan antara katrol tetap dan bergerak, serta keunggulan mekanis yang diperoleh dengan katrol ganda/gabungan. Mereka juga belajar banyak cara insinyur menggunakan katrol untuk tujuan sehari-hari.
Penutup Pelajaran
Bagaimana katrol bisa membuat hidup kita lebih mudah? Katrol adalah mesin sederhana yang kuat. Mereka dapat mengubah arah gaya, yang bisa membuatnya jauh lebih mudah bagi kita untuk memindahkan sesuatu.
Keunggulan mekanis dari katrol juga memungkinkan kita untuk menggunakan lebih sedikit gaya untuk mengangkat beban berat dengan menggunakan lebih banyak tali dan beberapa katrol. Meskipun kita tidak tahu apakah katrol digunakan oleh pembangun piramida kuno, kita tahu bahwa katrol adalah mesin sederhana yang ideal untuk banyak tugas yang diperlukan untuk membangun piramida. Di dunia yang sangat teknis saat ini, insinyur masih menggunakan katrol untuk membuat tugas-tugas sulit menjadi lebih mudah.
Kosakata/Definisi
Katrol tetap: Sistem katrol di mana katrol dilekatkan pada titik tetap dan tali dilekatkan pada objek.
Gaya: Dorongan atau tarikan pada suatu objek; kapasitas untuk melakukan pekerjaan.
Gravitasi: Gaya tarik alami yang diberikan oleh Bumi pada objek di atau dekat permukaannya, cenderung menariknya ke arah pusat bumi.
Keunggulan mekanis: Keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan mesin sederhana untuk menyelesaikan pekerjaan dengan sedikit usaha. Contohnya adalah menerapkan gaya yang lebih kecil pada jarak yang lebih jauh untuk mencapai efek yang sama dengan menerapkan gaya besar pada jarak yang kecil.
Katrol bergerak: Sistem katrol di mana katrol dilekatkan pada objek; satu ujung tali dilekatkan pada titik tetap dan ujung tali yang lain bebas.
Katrol: Mesin sederhana yang mengubah arah gaya, seringkali untuk mengangkat beban.
Mengalihkan gaya: Mengubah arah dorongan atau tarikan Anda untuk mendapatkan keuntungan dari suatu tugas.
Mesin sederhana: Mesin dengan sedikit atau tanpa bagian yang bergerak yang digunakan untuk membuat pekerjaan lebih mudah (memberikan keunggulan mekanis). Contohnya, baji, roda dan poros, tuas, bidang miring, sekrup, atau katrol.
Kerja: Gaya pada suatu objek dikalikan dengan jarak yang ditempuhnya. W = F x d (gaya dikalikan jarak).
