O Processo STEM RACING (Anteriormente F1 nas Escolas)

O processo que os alunos seguem é: projetar, analisar, fazer, testar, competir e revisar. Com o tempo, o processo depende dos alunos aprenderem uns com os outros, com professores e ex-competidores. A sala de aula se torna um ambiente onde o conhecimento é compartilhado entre os alunos e entre as equipes como uma maneira ideal de garantir que os alunos aproveitem ao máximo o programa. Ao longo do processo, descrito a seguir, os alunos farão melhorias continuamente. Talvez eles precisem percorrer o processo de design para revisão algumas vezes antes de pegarem o jeito.  

Na primeira tentativa, os alunos podem ainda estar descobrindo como o CAD funciona. Algumas tentativas depois, a funcionalidade do CAD se tornará uma segunda natureza, e talvez eles consigam melhorar outros aspectos da competição. No geral, o programa F1 in Schools (STEM Racing) é projetado para ser um processo de aprendizado. À medida que os alunos trabalham em cada nível da competição, eles descobrirão que gastaram muitas centenas de horas no projeto e, no final, devem ter produzido uma variedade de materiais de qualidade para rever e também para consultar, se necessário, em uma entrevista de emprego ou estudo terciário.

Permitir que os alunos vejam seu próprio progresso no programa é excelente para desenvolver sua confiança e compreensão de como os projetos funcionam no mundo real e como o que aprendem na escola pode ser aplicado ao mundo fora da escola. O programa STEM Racing diferencia seus alunos usando a 'estrutura de classe' para competições. Os alunos virão de diferentes origens e podem vir com algum nível de conhecimento prévio. É essencial que a equipe reconheça o nível do aluno e permita que eles cresçam e progridam em seu próprio ritmo.

Para escolas novas, determinar as turmas dos alunos é algo que pode ser decidido depois que os alunos começam a desenvolver uma base de compreensão. É essencial ter em mente que a competição tem regras e regulamentos abrangentes que as equipes concorrentes devem aderir.

Documentos de Regulamentação

Existem dois documentos de regulamentação. Os Regulamentos Técnicos se relacionam com as especificações necessárias para o design e a fabricação do carro. Existem regras diferentes para classes diferentes, então as equipes devem ler bem os regulamentos e estar familiarizadas com o que é permitido.

Os Regulamentos da Competição contêm informações sobre a competição em si. Eles incluem informações sobre a filiação da equipe, conformidade com o processo da competição, envio de elementos do projeto para julgamento, regulamentos de corrida e reparo de carros, bem como informações sobre todos os critérios avaliáveis, como CAD, fabricação, portfólios, marketing e apresentações verbais, incluindo acesso a todos os scorecards pelos quais as equipes são avaliadas.

Projeto 

Seleção de pacotes de design de automóveis e CAD 

Os alunos devem desenvolver uma compreensão do software CAD. Inicialmente, ao projetar carros, os alunos devem receber um passo a passo do pacote CAD específico usado na escola e ser direcionados a vídeos tutoriais, se necessário. 

No site da Fábrica de Nerdes, os alunos podem encontrar modelos CAD para os kits de rodas e blanks de balsa, poupando os alunos de terem que projetar esses elementos. Há também uma variedade de recursos e vídeos online que orientam os alunos no processo de modelagem e carro de F1 in Schools - A plataforma Autodesk Fusion 360 tem tutoriais integrados e outros pacotes de vídeos relevantes do YouTube que podem orientar os alunos no processo. A assistência de professores familiarizados com CAD será benéfica nos estágios iniciais do projeto.

As equipes que entram em competições devem considerar o documento “Regulamentos Técnicos” ao projetar seus carros. As equipes podem perder informações críticas, o que levará a penalidades durante o evento. Embora isso seja um aviso para novas equipes, equipes experientes frequentemente também cometem erros quando os alunos são descuidados ou sentem que estão além da verificação dos regulamentos em relação ao seu design e modelo final. Garanta que os alunos tomem nota dos regulamentos críticos que atraem uma penalidade de tempo. Os primeiros passos no design para novas equipes seriam considerar qual pacote CAD é mais adequado para uso dentro do contexto escolar. Se competirem, as equipes também devem receber (ou ser direcionadas) aos Regulamentos Técnicos oficiais da F1 in Schools (STEM Racing) - eles são atualizados ano a ano, e é uma boa prática considerar os Regulamentos Técnicos no início do processo de design.

Exemplo de Regulamento Técnico

Este exemplo mostra os requisitos das rodas e da carroceria do carro projetado. Os inspetores medirão o carro e, se houver violação, a equipe perderá pontos e, neste caso, incorrerá em uma penalidade de tempo. O triângulo amarelo indica que este é um regulamento crítico. Carros considerados inseguros ou que não cumpram algumas regras críticas não poderão correr até que estejam em conformidade. O Cartão de Pontuação de Especificações que os juízes inspetores usam está disponível no documento de regulamentos da competição.

Inspeção/Retificação/Reparos

Em competições, os carros são enviados ao comitê de engenharia para inspeção antes de qualquer corrida acontecer. Os inspetores garantirão que cada carro esteja em conformidade com os regulamentos técnicos e as equipes serão penalizadas por quaisquer erros, seja por meio de uma penalidade de ponto ou uma penalidade de tempo ou ambos. As equipes terão a oportunidade de retificar violações de regulamentos críticos apenas, e carros inseguros não poderão correr até que sejam tornados seguros. É essencial que as equipes concorrentes garantam que seus carros estejam em conformidade com os regulamentos e que tenham acesso às versões atuais dos regulamentos técnicos e de competição oficial.

Análise e Testes 

Os testes podem ser conduzidos de muitas maneiras e não precisam ser complicados. Por exemplo, os alunos podem rolar seu produto finalizado em uma superfície plana para ver se as rodas estão bem alinhadas. Eles também podem usar medições simples dos componentes do carro para testar a precisão do processo de fabricação e acabamento. 

Embora os testes possam ser simples, eles devem ser documentados nos livros de exercícios dos alunos e nos portfólios de engenharia, com explicações de como as melhorias foram alcançadas e como as ideias foram desenvolvidas ao longo do processo de design, análise, fabricação e teste. 

A análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD) é um ótimo lugar para começar quando se trata de analisar um design antes de ir para a fabricação. A análise de elementos finitos (FEA) também é possível na maioria dos pacotes CAD que identificam as forças que atuam em um modelo específico. Os alunos podem descobrir muito sobre seu carro e design antes e depois da fabricação do carro.  Além de CFD e FEA, os alunos podem usar equipamentos como túneis de fumaça para obter uma melhor compreensão do fluxo de ar e da aerodinâmica. Túneis de fumaça são uma ótima maneira de visualizar o fluxo de ar ao redor do carro e como diferentes designs podem afetar o fluxo de ar. Considerando que coisas como área de superfície frontal e turbulência de ar são muito aplicáveis ​​a muitas soluções de engenharia que eles encontram na vida diária. 

O sistema de visualização de fumaça Air Trace é uma excelente maneira para as equipes verem como o ar flui ao redor do produto final. O sistema é ótimo para comparar veículos de diferentes formatos e pode ser incorporado a uma aula maior sobre aerodinâmica, engenharia e design. 

Teste vs. Análise

Embora o processo da F1 nas Escolas seja construído em design, análise, fabricação, teste, corrida e revisão, há uma relação clara entre teste e análise. A questão de quando ir para a fabricação deve ser decidida em grupo depois que os alunos sentirem que análise virtual suficiente ocorreu. Não faz sentido produzir um carro que se espera que tenha resultados ruins. 

Ao mesmo tempo, a análise pode ser confusa e imprecisa. Usar simulações de computador tem muitas vantagens, mas também algumas deficiências. Cabe às equipes encontrar o equilíbrio certo entre alocação de recursos e aquisição de dados. Há muito aprendizado que os alunos podem extrair desse processo comparar resultados modelados com o que acontece no mundo real pode ser uma excelente maneira de validar a eficácia de componentes individuais. 

Os alunos eventualmente precisarão correr com seus carros em uma pista. Este será o verdadeiro teste da velocidade de um carro. Ter uma pista disponível para os alunos será valioso, pois eles determinarão quais mudanças de design são eficazes e quais não são. 

Fabricação

Usinagem

A usinagem requer o uso de um roteador CNC. O processo de usinagem de um carro a partir de um bloco dá aos alunos uma excelente compreensão do processo de fabricação. 

Na classe profissional, as equipes também podem querer usinar suas rodas em uma CNC, o que geralmente obtém um resultado muito melhor do que usar impressão 3D para essa finalidade.

É melhor que os alunos tenham acesso a um roteador para obter uma experiência prática do processo. No entanto, se os alunos não tiverem acesso, é possível terceirizar a usinagem para indústrias, escolas ou universidades próximas.

https://www.youtube.com/watch?v=64oSu5QfRkk

Impressão 3D e Manufatura Aditiva

Componentes do carro podem ser impressos em 3D, como as asas dianteiras e traseiras. Na classe profissional, as rodas também podem ser impressas em 3D, mas na classe cadete, a impressão 3D não é permitida.  Ao competir, é essencial verificar se o seu design finalizado está em conformidade com os regulamentos. Enquanto a impressão 3D pode ser permitida em certas classes, mas não é um requisito em nenhuma classe. Outros métodos podem incluir o uso de fibra de carbono e terceirização da produção. 

Conjunto

A montagem pode ser feita de várias maneiras. As equipes são encorajadas a pensar sobre como os componentes se encaixarão nos estágios de design e fabricação. É importante que as equipes tomem muito cuidado ao fixar os componentes às carrocerias dos carros para garantir que o resultado final atinja as folgas e dimensões gerais necessárias de acordo com os Regulamentos Técnicos.

Cola pode ser usada para montar os carros. Uma boa cola vai longe quando se trata de montagem e reparos em andamento. 

Acabamento

A forma e o acabamento podem impactar uma grande parte da aparência do carro, e os carros são julgados nessas duas áreas. Os alunos têm permissão para aplicar um pouco de lixamento leve na carroceria do carro à mão em preparação para a aplicação de selante ou camadas de acabamento. Os alunos precisam pintar seus carros, e isso deve ser feito levando em consideração a marca geral de sua equipe. 

Nas competições, as equipes devem observar as exigências de publicidade utilizando os decalques corretos, conforme consta no regulamento. 

Notas: 

• A fabricação é um processo muito iterativo. As coisas vão dar errado, e os designs não vão sair exatamente como aparecem na tela do CAD. Para evitar problemas, é melhor que os alunos possam ter experiência prática de fabricação usando máquinas CNC em vez de terceirizar. 

  
  

• Os alunos frequentemente cometem o erro de pensar que seu modelo fabricado terá as mesmas dimensões que seu design CAD. A tolerância de fabricação é uma lição que eles devem aprender desde cedo. 

  
  

• Projetar um carro fácil de montar ou que tenha peças que se encaixem bem será altamente considerado pelos juízes de engenharia. Os alunos geralmente ignoram o efeito que a cola e a tinta podem ter nas dimensões e no peso do carro, levando-o a ficar fora das especificações e incorrer em possíveis deduções em pontos de escrutínio.

• Os alunos devem documentar seus erros e refinamentos. Aprender sobre a relação entre seu primeiro conceito e seu produto final é uma parte muito importante da jornada do F1 in Schools e pode ser útil durante o julgamento.

• Os alunos devem considerar os requisitos do carro em seu design e fabricação. Os carros de F1 nas escolas passam por uma variedade de forças e, muitas vezes, a rápida desaceleração no final da pista causará quebras e destacará falhas de design. Quebras podem ter um efeito significativo no desempenho de uma equipe, e um carro bem projetado não deve quebrar.

Corrida e Resultados

Correr é sempre divertido para os alunos, e os testes de pista podem ser muito benéficos para as equipes. Em geral, organizar um dia de corrida onde os alunos podem competir é uma ótima maneira de usar a competição para alimentar a motivação dos alunos para melhorar seus projetos e processos. Os carros STEM Racing usam um recipiente de 8g de CO2 para correr em uma pista de 20m de comprimento e cronometrada com precisão de 0,001 segundos. Os carros são amarrados à pista e podem atingir velocidades de até 80km/h. 

As equipes podem correr pela primeira vez durante as competições. Por razões óbvias, é uma boa ideia poder correr antes. Em ambos os casos, há muitas lições que podem ser aprendidas no dia. 

As equipes correm em baterias programadas e recebem um prazo para fazer reparos em seus veículos se algo der errado. Vale a pena considerar um design robusto para garantir que ele passe por uma competição. Em competições, as equipes completam tanto a corrida de reação, onde usam um gatilho para lançar os carros usando uma contagem regressiva, quanto a corrida automática, onde os carros são lançados simultaneamente usando o mecanismo de pista eletrônico integrado.

Analisando resultados

A melhor maneira de melhorar um carro é considerar os resultados e considerar como fazer ajustes pode melhorar o tempo do carro. Ocasionalmente, os resultados podem ser um pouco inesperados, e pequenas mudanças no carro podem fazer uma grande diferença. O peso desempenha um papel importante nos tempos de corrida de um carro. Correr é sempre divertido, mas também deve ser usado como uma oportunidade para aprender e melhorar o design do carro. Considerando o grande número de variáveis ​​que podem impactar o desempenho do carro, é essencial ao analisar os resultados fazer apenas uma mudança por vez.

Analisando Design e Construção

Os alunos podem ser capazes de desenvolver um carro muito rápido que não seja bem projetado ou projetado. Considerar como um design lida com a velocidade na pista e a rápida desaceleração na chegada é essencial para o sucesso, especialmente nos estágios finais da competição. É essencial limitar quebras. Os reparos podem ter um efeito significativo no peso e na aerodinâmica de um carro. Em competições, há restrições quando se trata de executar reparos e ter muitas quebras provavelmente prejudicará significativamente as chances de uma equipe concorrente vencer.

Análise Estatística

Os alunos poderão fazer alguns cálculos após receberem seus resultados. Os resultados são todos em unidades de tempo, então as aulas sobre tempo e estatística se prestam bem ao analisar resultados. Embora os testes de pista possam validar a velocidade dos carros, os alunos também precisam analisar as variáveis ​​que estão em jogo quando usam a pista para testar. Para obter resultados precisos, eles precisam remover ou reduzir o máximo de variáveis ​​possível. Algumas das variáveis ​​são condições climáticas, pesos dos recipientes, peso do carro e configuração da pista.

Considerar os resultados também permitirá que os alunos aprendam sobre médias e desvio padrão. Ao olhar para um punhado de resultados para um carro específico, os alunos serão capazes de calcular seu tempo médio de execução e o desvio padrão de suas descobertas. Os alunos podem usar esses resultados ao justificar seu processo de design e metodologia de seleção de carros.