Sabers del currículum

1.5 Anàlisi i disseny de sistemes mecànics bàsics. Muntatges físics i/o ús de simuladors. [E]

Sabers concretats

• Reconeixement del treball mecànic com a transferència energètica en l’acció d’una força que provoca un desplaçament.
• Identificació de màquines simples del nostre entorn com a ginys d’un sol element que ajuden a efectuar un treball (pla inclinat, palanca i roda). [ESS]
• Identificació de mecanismes com a ginys compostos que permeten transformar o transmetre el moviment (p. ex.: engranatges, politges, biela-manovella, lleva). [ESS]
• Anàlisi qualitativa i quantitativa de l’avantatge mecànic en sistemes mecànics bàsics (comprèn màquines simples i mecanismes bàsics). [ESS]
• Disseny de ginys que proporcionen avantatge mecànic per a casos pràctics o necessitats reals.
• Construcció o simulació de sistemes mecànics per a casos pràctics o necessitats reals.

Justificació de la proposta

Aquesta activitat es basa en la resolució d’un repte de disseny que requereix l’aplicació pràctica de l’avantatge mecànic (AM). L’alumnat ha de dissenyar un giny que resolgui una necessitat real (aixecar un pes amb el mínim esforç) utilitzant una combinació de màquines simples (palanca) i mecanismes (politges o engranatges). El focus es posa en l’anàlisi quantitativa de l’AM (CE3) i en la distinció clara entre els components (màquina simple vs. mecanisme) abans de la construcció o simulació (CE4).

Descripció de l’activitat

L’activitat consisteix a dissenyar i analitzar un sistema capaç de multiplicar la força d'entrada: repte de l’elevador de càrregues.

L’alumnat inicia amb una sessió teòrica-pràctica per distingir i mesurar els conceptes. Es fa un experiment senzill amb una balança i una palanca. Es calcula l’AM com la relació entre la força resistent (Fr) i la força motriu (Fm). Es reconeix que l’avantatge mecànic sacrifica desplaçament per guanyar força (principi del treball mecànic).

Es planteja el repte: dissenyar un giny capaç d’aixecar una càrrega de 100 N amb una força motriu màxima de 25 N. Els grups han de combinar, com a mínim, una màquina simple bàsica (palanca, roda/eix) amb un mecanisme de transmissió (politges amb corretja o engranatges) per assolir l’AM requerit. Es dissenyen diverses opcions i se selecciona la solució que millor compleix l’objectiu de l’AM, argumentant per què la combinació dels elements (p. ex.: palanca de segon gènere amb un sistema de politges mòbils) és la millor.

Es fa la construcció o simulació del giny escollit. S’utilitzen materials de taller (kits de mecanismes, peces de fusta) o de simuladors per crear el giny. A partir del càlcul de l’AM teòric (per exemple, comptant el nombre de politges mòbils o la relació de diàmetres dels engranatges), es comprova si la mesura de la força motriu real necessària per aixecar la càrrega de 100 N (amb dinamòmetres, si és construcció física) correspon. S’ha de fer la comparació entre l’AM teòric i el pràctic, i identificar les causes de les pèrdues (fricció).

L’activitat conclou amb la presentació del giny i la defensa de l’anàlisi quantitativa de l’avantatge mecànic obtingut.

Recomanacions

L’alumnat pot confondre que l’AM significa guanyar força de franc, sense entendre el concepte de conservació de l’energia o que el guany de força es compensa amb la pèrdua de desplaçament. Això pot portar a dissenys inviables o a conclusions errònies. Cal emfatitzar la relació inversament proporcional durant l’experiment inicial amb la palanca. La màquina transfereix i transforma, no crea energia.

La diferència entre l’AM teòric (ideal, sense fricció) i l’AM pràctic (real) a causa de la fricció pot ser motiu de confusió. Si els resultats no quadren, l’alumnat pot perdre la confiança en els càlculs. Abans de la validació, cal introduir el concepte d’eficiència mecànica. S’ha de demanar als grups que identifiquin les fonts de fricció del seu disseny (eixos, politges, corretges) com a part de l’anàlisi de resultats. L’AM pràctic no és un error, sinó una prova de les pèrdues energètiques inevitables en un sistema real.

La construcció de mecanismes compostos (engranatges ben ajustats, alineació d’eixos) pot ser massa exigent amb eines de taller bàsiques i pot desviar el focus de l’anàlisi mecànica al treball manual de precisió. Cal limitar les opcions constructives a solucions basades en kits modulars de mecanismes (si es disposa de LEGO Tècnic, Fischertechnik o similar) per centrar l’esforç en el disseny cinemàtic i no en la precisió de la manufactura. Si es fa amb materials simples, cal centrar-se en solucions que utilitzin principalment politges i palanques (més fàcils d’implementar), per reduir el risc d’imprecisió en la construcció.