案例一:举重机器人

案例简介

设计一款举重机器人，它能够无需编程自动执行任务。该机器人利用曲柄连杆机构将电机的圆周运动转换为直线往复运动，以实现举重动作。

案例首图

教学准备

教学目标

理解基本的机械原理，如杠杆、滑轮和曲柄连杆机构。 学习如何将圆周运动转换为直线运动。 培养动手能力和解决问题的能力。 激发对工程和机器人技术的兴趣。

课程引入

欢迎小朋友们加入我们的STEAM奇妙旅程！今天我们要变身为小小工程师，一起制作一个神奇的举重机器人。不需要复杂的编程，我们只用简单的曲柄连杆，就能让机器人动起来，举起重重的物体。是不是很酷呢？让我们一起探索机械的奥秘，动手又动脑，开启创造的乐趣吧！

学习探究

探究曲柄连杆机构是如何工作的。 讨论圆周运动和直线运动的区别及应用场景。

搭建步骤

案例演示

按下哪吒Pro上面的按键即可让举重机器人开始进行举重。

（GIF）

总结分享

扩展知识

曲柄连杆机构的工作原理 曲柄连杆机构是内燃机中将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动（或反之）的基本机构，它在许多机械系统中都有应用。下面我们来探究它的工作原理：

基本组成：

曲轴（Crankshaft）： 一个旋转的轴，通常带有一两个或多个曲柄。 连杆（Connecting Rod）： 连接活塞和曲轴的杆。 活塞（Piston）： 在气缸内往复运动的部件。 工作原理：

当活塞在气缸内被推动时，它通过连杆将力传递给曲轴上的曲柄。 曲柄与连杆的连接点称为活塞销（Piston Pin），它允许连杆围绕它旋转。 曲柄的旋转使得连杆和活塞以一种协调的方式移动，从而将直线运动转换为旋转运动。 运动转换：

直线到旋转： 当活塞向下运动时，它推动连杆，连杆的另一端推动曲柄，使曲轴旋转。 旋转到直线： 如果曲轴被外部力（如电机）驱动旋转，曲柄的旋转会拉动连杆，进而推动活塞在气缸内做直线运动。 力的传递：

曲柄连杆机构的设计使得活塞的力可以有效地传递到曲轴，从而驱动其他机械部件，如车轮或发电机。 重要参数：

行程（Stroke）： 活塞从上止点到下止点的距离。 压缩比（Compression Ratio）： 气缸总体积与燃烧室体积的比值，影响发动机的效率和功率输出。 优化和调整：

通过调整曲柄的长度和连杆的设计，可以优化发动机的性能，比如提高功率输出或改善燃油效率。 实际应用：

除了内燃机，曲柄连杆机构也被用于其他需要直线和旋转运动转换的场合，比如往复泵、压缩机等。

圆周运动和直线运动的区别及应用场景

圆周运动和直线运动是两种基本的运动形式，它们在物理特性和应用场景上有着明显的区别。以下是对这两种运动的讨论：

圆周运动（Circular Motion） 定义：

圆周运动是指物体沿圆形或曲线路径的运动。 特点：

路径： 物体的运动轨迹是连续的曲线。 速度变化： 速度的大小可能保持不变，但方向不断变化，因此存在向心加速度。 需要外力： 为了维持圆周运动，物体需要一个持续的向心力。 应用场景：

钟表和时钟： 时针、分针和秒针的旋转。 旋转门： 门的旋转允许人们进出。 旋转木马： 游乐园中的旋转设施。 车轮： 车辆的车轮使车辆能够沿直线或曲线路径移动。 行星运动： 天文学中，行星围绕太阳的轨道运动。 直线运动（Linear Motion） 定义：

直线运动是指物体沿直线路径的运动。 特点：

路径： 物体的运动轨迹是直线。 速度变化： 速度的大小和方向都可以变化，但不需要向心力。 简单直接： 直线运动不需要复杂的力的平衡，易于控制和预测。 应用场景：

电梯： 垂直或水平移动的电梯。 滑梯： 游乐园中的滑梯，孩子们沿直线下滑。 输送带： 工厂中用于运输物品的输送带。 火车和地铁： 沿轨道直线运行的交通工具。 伸缩门： 可以直线伸缩的门，用于控制车辆和行人的进出。 区别： 路径不同： 圆周运动的路径是曲线，而直线运动的路径是直线。 速度方向： 在圆周运动中，速度方向始终指向圆周的切线方向，而在直线运动中，速度方向保持不变或沿直线变化。 加速度： 圆周运动中存在向心加速度，而直线运动中只有切向加速度（如果速度变化）。 力的需求： 圆周运动需要向心力来维持，而直线运动不需要这种力（除非存在加速度）。 了解这两种运动的区别和应用场景有助于我们设计和分析各种机械系统和日常设备，从而在工程和科学研究中做出更合理的决策。