制作太阳系天体模拟器

第XX届XX市青少年科技创新大赛青少年科技实践活动研究报告活动名称：3D打印制作太阳系行星模拟器活动申报团体： XXXXXXXX 兴趣小组 所在单位（全称）：辅导教师：3D打印制作太阳系行星模拟器摘要：这是一种太阳系行星运转演示装置，能够帮助青少年直观感性的认识 太阳系各大行星的运行规律。此装置包括底座、主传动轴、各大行星模型、大小 齿轮、行星轨道臂、惰轮、指轮转盘、指轮支撑托架、行星立杆、传动轴支撑管 组装连接，形成六层结构，通过旋转底座的转盘带动底座的大小齿轮进而带动主 传动轴转动。主传动轴自上而下通过齿轮带动水星、金星、地球、火星、木星、 土星转动。关键字：3D打印、齿轮、太阳系、行星、模型、装置一、研究背景人类文明在几千年的发展中，通过天文观察，获得了很多关于天体的几何知 识，由此发展了力学知识。例如通过观察太阳系行星的运转，开普勒提出了行星 运动三大定律,牛顿由此发展了微积分，进而推导出了万有引力定律，通过模拟 太阳系行星这转，使人们获得对行星运转直观的认识，无论对深空探测航天任务 规划，还是对教学、演示都具有重要的意义。太阳系十分巨大，太阳及其行星的分布又十分复杂，无法直接观察，而学生 的空间想像能力有限。如何让学生感受一个尽可能真实的太阳系，建一个太阳系 模型就势在必行。二、活动目的1、通过构建模型，感知太阳系各大行星运行特征及其排列顺序。2、根据八大行星距太阳的平均距离及各行星赤道直径数据对其进行缩放， 并在此基础上建立太阳系各大行星的运行模型。3、通过建模培养学生的空间想象力和理解力。4、通过建模，培养学生探究太空的兴趣。三、研究方法查阅资料法、调查研究法、实验法四、活动实施过程和内容1、明确太阳系行星模拟器运行原理这个设备通过多级齿轮啮合的原理模拟了太阳系中八大行星的运动规律。根 据万有引力定律，越在外面轨道的行星绕太阳公转的周期越长。不过，装置中行星的尺寸、公转周期和现实都是不一样的。-百岭里:！箱 cw=i)訊世力冋thii 10MS1 1见鑿轉大57.BO017ffl2439.7.3dparffi.4273.7M.645&T97B-1734i由西向簾QT禍110-1 (0U8S0.155u24&专7243324.70r &.D0SR420-35由虫向西0-4.4蓉 善|F1&6378.141 n1*5.515S766 I0 9972-696S365.2400.01671022-58227.93664%33970.150 A0.1D7443LB4EJBB31.0260 fi36.&30O.MM ,-B75田西向車2专.哺W177黑朗护714驻，轴317.821-MawjQ.413&4D.04833J翔由西向JR胎啓妙142.7373-e07Q,. ”10-40.444Q1j n2.44 年Q.OWISW-1:7B申西向康25550 &3.1M.3711,30 S.430.71年0.04710-re由酉向康4秒449fi-252&24754 片b 57.7 “rr.wi.TB*?0.710.7125164.易年0.00&59-214由西向藁137.3*50B-在齿轮传动过程中，相互啮合齿轮的转动速度和半径成反比，也就是说，半径越大的齿轮转的越慢。所以在我们的“太阳系”中，越是外层轨道的行星对应的齿轮越大！为了让齿轮沿着装置主轴错落有致的分布，相邻两个行星需要靠4个齿轮进行传动，这就需要比较严谨的计算了。假设半径为rA齿轮A以sA的转速转动，另一个半径rB的齿轮B与它啮合,B的转速就是:再让第三个半径为rC的齿轮和B同轴转动，所以C和B的转速相等。最后,再让第四个半径为rD的齿轮D和齿轮C啮合，齿轮D的转速也就可以计算出来了：rcrA rc r = r将啮合的齿轮和同轴的齿轮交错组装在一起，通过调整每个齿轮的半径大小，就能够设计出符合需求的传动比，模拟行星围绕恒星运转的运行规律了。对于人类所生活的地球，我们还额外为它增加了“自转”功能。这是通过一i种叫做行星齿轮组的结构来实现的。行星齿轮组由中心的恒星轮、中间的行星轮 和外围的齿圈组成。当恒星轮和齿圈以不同的速度转动时，形成的转速差就会带动行星轮同时和 两者啮合，产生自转和公转，输出一个同轴但不同速的转动。* /2、指导计算太阳及八大行星的直径及距离建太阳系模型，最关键的是要确定太阳、八大行星的大小及位置。用下面这 两组数据我们就可以按一定的比例来计算确定模拟物的大小和位置了，但要注 意：大小的比例和距离的比例要一致！耳亦二斗干两:万黑）赤連JS蚀f千常、冃刑悯5SQQ胡舲5R.65HS4BEDAMI2IR4243 H2Z5O电昧E5TKO1.175|1.00 日E年22fU即莊1.09 曰木呈枫I43DDO4U.旧打辟土星I42W)L2EHD00.44 1：|丹J年JII200.?20S4.D 年a4304004MD01.67 3*2玄年【丸阳巨笹I 4CICHW0干方法介绍：确定模拟物大小和距离的方法一般有两种：第一种先确定太阳的 大小，再按这个比例来缩小各行星的大小及距离；第二种是根据场地大小先确定 最远的行星的距离，再按这个比例来缩小太阳、行星的大小及距离。我们把直径1400000千米的太阳用20厘米的小球来模拟，那么按这个比例我们马上可以计算出八大行星的大小，同样也可以马上算出它们的距离。太阳直径（千米）模拟太阳直 径（厘米）行星赤道直径（十米）模拟行星直 径（厘米）与太阳的平距 离（万千米）模拟距离（米）140000020水星48800.0697158008.28571140000020金星121040.172911080015.42857140000020地球127560.182231500021.42857140000020火星67920.097032280032.57143140000020木星1430002.0428677800111.14286140000020土星1205001.72143142900204.14286140000020天王星511200.73029287100410.14286140000020海王星495000.70714450400643.42857最后根据实际情况，改变比例，确定八大行星的大小及距离。另外，这里省 去了天王星、海王星这两颗行星。因为，如果安装这两个行星，会增大整个装置 的尺寸，造成其他行星运转困难。3、下载与打印太阳系行星运行模型（1）模型下载在搜索引擎中打开创想三维官网，依次打开“服务支持”一一“创想云”一 “模型库”，在模型库搜索栏输入“机械+天文馆”。找到模型打开后在右下 角点击打包下载，这样这个模型所需要的48个配件全部会下载下来。（2）模型切片因为3D打印技术本质上是一种增材制造技术，也就是一层一层叠加起来的， 比平面打印机多了一个Z轴的维度，形成三维实体。切片是指将一个实体分成厚 度相等的很多层，这是3D打印的基础，分好的层将是3D打印进行的路径。这里我们用的是创想三维自带的切片软件Creality_Slicer，打开软件后将要打印的 零部件导入到切片软件，并对相关参数进行设置。对于比较大的配件我们一般选择快速正常打印，这样能够节约打印时间和耗 材；层高一般是0.2mm；壁厚1mm；填充20-30%；材料我们用的是PLA温度 200-210C ；速度低于80mm每秒；打印平台附着选择裙摆。设置好点击切片，然 后对切片好的模型进行预览。(3) 模型打印我们将切片好的模型导入到3D打印机进行打印。打印前先对机器进行调平,因为平台不平，很可能导致最终打印出来的模型存在瑕疵。1. ：*-&?*回腿捋哙無动臣坪台左捕总2、:密3茎闭母进3ES 辑誠电机冈3、悯囲S至耳鱼上方畑辽 拧郎趣.稠石打印年甘卿U 世二岂牡于用阳點兰状态,间柜的如仍EE.找忙可 甲Tt員业却tnfl平.期好鴨在剧舉上产生如瓯 轧 戡竝庇四个边隹上调平18监卸拎寸5s如柯必弄可雨述埠靈K1 1k.JTT(匚二1-rm1. tMt1 1frrrmJ/tri /然后按一下旋钮，选择“由存储卡”，将SD卡插入Ender-3的SD卡槽中,再选择要打印的文件名，按下旋钮确定，3D打印机就会开始工作，正式打印了,接下来就是漫长的等待。4、模型的组装首先按照名称将各大行星配件组合在一起，按照距离太阳由近到远摆放。之前在打印模型时我们要将每个打印好的配件进行标注，这样方便我们后期组装。土星立杆、减速齿轮一组吕二、齿轮支架一我们以组装土星齿轮转盘为例，找出土星行星轨道臂-，土星星球模 型、土星齿轮转盘纟:少个；Jr。接下来我们分别将土星行星轨道臂和土星齿轮转盘、土星和木星间的减速齿轮组组合在一起，并将其依次套在传动轴支撑管上。组装底座和主传动轴。将传动轴套管和演示仪上底座组合在一起，并用螺丝固定住（图1）；将指轮转盘、指轮支撑托架和小传动齿轮依次由上而下安装（图2）；将传动轴和大齿轮组合在一起，并套入传动轴套管（图3）；将指轮转盘和主传动轴齿轮组合在一起（图4）。最后我们按照组装土星转盘的的方法依次从下到上将土星、木星、火星、地五、活动总结利用3D打印技术制作太阳系行星模拟器是一种跨学科协作学习的案例，在制作的过程中融合了物理、数学、地理等相关科目的知识。在整个研究性学习过 程中，我们得到以下启示: 1、注重发展学生的多元智能根据加德纳的多元智能理论，应该同时培养学生语言、数学推理和人际等智 能。学生通过向大家解释为什么选择某种物体代表某个行星以及如何确定某个行 星与太阳间的距离，可以有效地锻炼口头表达观点和信息的能力。由于本案例中 学生是以小组的形式进行研究性学习的，所以在学习过程中，小组成员互相协作， 有助干培养学生的人际交往能力。2、以学生学习为主，教师加以指导在初始阶段，学生在笔记本上写下关于太阳系已有的知识，并在组内进行论。 如果在讨论中有一些问题没有提到，教师会用提问的方式进一步了解学生关于太 阳系知识的掌握情况。这样就保证了对学生已有知识了解的全面性，并且不至于 偏离主题。我们在进行研究性学习的时候，要避免认为教师只需要给学生布置任 务。在整个研究性学习过程中，教师要对学生的探究活动进行指导，不能放任自 流。3、增强了学生的动手实践能力在制作模型的过程中，首先学生要查阅资料搞懂太星系中各大行星的距离和 公转周期并自己动手换算建成模型后各大行星的距离和比例；其次还要掌握齿轮 的传动比以及齿轮的转动方向，在组装的过程中不断调试；最后还要掌握 3D 打 印机的操作以及模型的切片。