ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 7

Transcript

1 ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Διάλεξη 7 Δρ. Στέλιος Τιμοθέου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

2 Τα θέματα μας σήμερα Σήματα - επανάληψη Αποτελεσματική χρήση βιβλιοθήκης - διαδικτύου Επίλυση προβλημάτων σε θέματα μηχανικών Το τενεκεδάκι διαμέσου των χρόνων Παράδειγμα επίλυσης προβλήματος

3 Μέση τιμή ισχύος P Η στιγμιαία ισχύς δίνει τη μεταβολή της ισχύος με το χρόνο. Η μέση τιμή της ισχύος όμως είναι συνήθως πιο χρήσιμη σε πολλές εφαρμογές. Η μέση τιμή της ισχύος σε περιοδικά σήματα τάσης και έντασης δίνεται από τη σχέση: [ cos(8 t 4)] dt [ t] 0 [sin(8 t 4)] P 1 T Στο προηγούμενο παράδειγμα: Προσοχή: P v avg i avg T 0 p( t) dt 1 2

4 Στιγμιαία ή μέση τιμή Η στιγμιαία τιμή δίνει την κατανάλωση ισχύος από μια συσκευή ή ένα στοιχείο σε κάθε χρονικό σημείο. Η μέση τιμή δίνει τον μέσο όρο κατανάλωσης ισχύος σε μια περίοδο Τ. Παράδειγμα: -- Μια ηλεκτρική λάμπα των 100 W καταναλώνει 100 J ανά δευτερόλεπτο. Τα 100 W είναι η μέση τιμή ισχύος της λάμπας. -- Η στιγμιαία ισχύς της συγκεκριμένης λάμπας μεταβάλλεται από 0 έως 200 W (0 στις 0 και 180 και 200 στις 90 και 270 ).

5 Καθημερινή προετοιμασία --Διαλέξεις Ανάγνωση και επανάληψη της προηγούμενης διάλεξης Ετοιμασία αποριών για την προηγούμενη διάλεξη Ανάγνωση του υλικού της επόμενης διάλεξης -- Εργαστήρια Ανάγνωση πειράματος Κατανόηση πειραματικής διαδικασίας Μελέτη της θεωρίας στην οποία βασίζεται το πείραμα Προετοιμασία πινάκων και σχεδιαγραμμάτων Η καλή προετοιμασία θα οδηγήσει σε πολύ πιο σύντομο και επιτυχές πείραμα Μην αφήσεις κενά και μην αφήσεις οτιδήποτε για αργότερα. Αργότερα θα είναι πολύ αργά.

6 Βιβλιοθήκη Εξαιρετικά χρήσιμη πηγή πληροφοριών που συνήθως περνά ανεκμετάλλευτη Πρέπει να γνωρίζετε πώς να τη χρησιμοποιείτε και πώς να βρίσκετε το υλικό αναφοράς που σας ενδιαφέρει Τα βιβλία στο βιβλιοστάσιο είναι χωρισμένα σε θεματικές κατηγορίες Αναζήτηση κατά συγγραφέα, τίτλο, θέμα κλπ Αυτόματος κατάλογος δημόσιας πρόσβασης -- Μέσω των υπολογιστών της βιβλιοθήκης -- Μέσω του διαδικτύου

7 Βιβλιοθήκη-Δανεισμός υλικού Χειμερινό ωράριο λειτουργίας (8:30-20:30) Δυνατότητα δανεισμού μέχρι και 7 βιβλίων έως 21 ημέρες Απαραίτητη η κατοχή κάρτας βιβλιοθήκης Συνεργασία με άλλες βιβλιοθήκες για διαδανεισμό υλικού

8 Βιβλιοθήκη-Ενημερωτικά σεμινάρια Η βιβλιοθήκη του Πανεπιστημίου Κύπρου προσφέρει σεμινάρια για να βοηθήσει τους/τις νέους/νέες φοιτητές/τριες να μάθουν πιο εύκολα τις λειτουργίες της βιβλιοθήκης Χρήση του αυτόματου καταλόγου Χρήση των ιστοσελίδων και των υπολογιστών της Βιβλιοθήκης Χρήση των βάσεων δεδομένων Για τη συμμετοχή στα σεμινάρια είναι απαραίτητο να δηλώσετε συμμετοχή εκ των προτέρων (αίτηση συμμετοχής στη Βιβλιοθήκη)

9 Διαδύκτιο Εξεύρεση επιστημονικών άρθρων Χρησιμοποίηση του ΙΕΕΕ Xplore μέσω της ιστοσελίδας της βιβλιοθήκης του Πανεπιστημίου Κύπρου Χρησιμοποίηση usergroups, etc για την επίλυση κυρίως προβλημάτων προγραμματισμού.

10 Eπίλυση προβλημάτων Αυτή είναι η δουλειά μας! Οι βιομηχανίες, οργανισμοί και το κοινωνικό σύνολο έχουν αρκετά προβλήματα που χρήζουν επίλυσης. Τα προβλήματα δεν λιγοστεύουν, αλλά όσο αναπτυσσόμαστε δημιουργούνται νέες ανάγκες. Υπάρχουν καλοί τρόποι και κακοί τρόποι για τη μελέτη και επίλυση προβλημάτων. Να ακολουθούμε τις πρέπουσες διαδικασίες, τόσο σε απλά προβλήματα (κατ οίκον εργασίες κατά τη διάρκεια των σπουδών μας), όσο και σε πολύπλοκα κατά τη διάρκεια της καριέρας μας.

11 Eπίλυση προβλημάτων Οι μηχανικοί αναλύουν και επιλύουν πολλά και διάφορα τεχνικά προβλήματα. Κάποια προβλήματα είναι σχετικά απλά με μια μόνο λύση κάποια άλλα είναι πολύπλοκα, χωρίς συγκεκριμένο τελικό σκοπό, με πολλές πιθανές λύσεις ενώ κάποια άλλα δεν έχουν κάποια ξεκάθαρη λύση. Η επίλυση προβλημάτων είναι μια διαδικασία που απαιτεί εμπειρία, γνώσεις, ικανότητα κρίσης, κοινή λογική και τέχνη.

12 Τύποι προβλημάτων Δημιουργία νέου προϊόντος -- Σύλληψη ιδέας/εφεύρεσης -- Σχεδιασμός, κατασκευή και δοκιμή νέου προϊόντος Βελτίωση αποδοτικότητας υφιστάμενου προϊόντος/συστήματος -- Πιο φτηνό, πιο γρήγορο, πιο αποδοτικό -- π.χ. ηλεκτρονικός υπολογιστής Δημιουργία/βελτίωση διαδικασίας -- π.χ. μεγιστοποίηση παραγωγικότητας μιας μηχανής με την κατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων της Βελτίωση ποιότητας ζωής -- π.χ. ανελκυστήρας, κυλιόμενες σκάλες, αυτόματος πιλότος

13 Διαδικασία επίλυσης προβλημάτων Αναγνώριση ανάγκης/προβλήματος Ορισμός του προβλήματος Κριτήρια λύσης (οικονομικά, τεχνικά) Συλλογή πληροφοριών Δημιουργίας μιας ή περισσότερων μεθόδων επίλυσης Δοκιμασία λύσης και περαιτέρω βελτίωση Έλεγχος και επιβεβαίωση της λύσης Παρουσίαση

14 Δημιουργική σκέψη Περιλαμβάνει ένα αριθμό σταδίων όπως: παρατήρηση ενός προβλήματος ή ανάγκης ανάλυση του προβλήματος ή της ανάγκης συλλογή δεδομένων, περίοδος έντονης συγκέντρωσης και σκέψης (αναζήτηση λύσεων, συζήτηση διαφόρων ιδεών) περίοδος ηρεμίας (εκκόλαψης) γέννηση της καινούργιας ιδέας

15 Ξεπερνώντας τα εμπόδια στη δημιουργική σκέψη Αποφυγή τοποθέτησης αχρείαστων περιορισμών ή απαιτήσεων στο πρόβλημα. Αναζήτηση διαφορετικών τρόπων αντιμετώπισης του προβλήματος (αποφυγή στερεοτυπικής σκέψης). Μπορεί να υπάρχουν λύσεις σε ένα πρόβλημα που να μην είναι κατ ανάγκην λύσεις της Μηχανικής, αλλά κάποιων άλλων κλάδων. Αναζήτηση μακρινών σχέσεων μεταξύ προβλημάτων και αναζήτηση λύσεων που να είναι ασυνήθιστες και μη παραδοσιακές. Διαμοιρασμός πολύπλοκων προβλημάτων σε μικρότερα προβλήματα. Ανοικτό μυαλό.

16 Το τενεκεδάκι Πρόβλημα: Ανάγκη διατήρησης φαγητού και ποτού σε κυτία ούτως ώστε να μη χαλούν (Ο Ναπολέων πρόσφερε φράγκα σε όποιον έβρισκε μια μέθοδο διατήρησης φαγητού και ποτού για τον στρατό και το ναυτικό του). Λύση: Ο Nicholas Appert (1809) κατάφερε να διατηρήσει φαγητό σε γυάλινα μπουκάλια (ζέσταινε το φαγητό μέσα στα μπουκάλια, τα έκλεινε αεροστεγώς και τα σφράγιζε με κερί).

17 Το τενεκεδάκι Πρόβλημα: Τα γυάλινα μπουκάλια έσπαζαν εύκολα κατά τη μεταφορά τους στο μέτωπο του πολέμου με τις άμαξες. Λύση: Ο Peter Durand εφηύρε ένα κυτίο από ατσάλι καλυμμένο με κασσίτερο μέσα στο οποίο σφράγιζε αεροστεγώς το φαγητό. Πρόβλημα: Το άνοιγμα των κυτίων ήταν δύσκολο. Οι στρατιώτες χρησιμοποιούσαν μαχαίρια και σφυριά για το άνοιγμα τους, ενώ κάποτε τα πυροβολούσαν! Λύση: 1. Χρήση ατσαλένιων κυτίων (πιο δυνατά και πιο λεπτά). 2. Κατασκευή εξειδικευμένων εργαλείων για το άνοιγμα των κυτίων.

18 Το τενεκεδάκι Πρόβλημα: Τα πρώτα ανοικτήρια έπρεπε να ρυθμιστούν για κάθε είδος κυτίου και χρειαζόταν επίσης να ανοικτεί μια τρυπίτσα στη μέση του κυτίου (ακριβώς στη μέση). Λύση: Κατασκευάστηκε το ανοικτήρι όπως το ξέρουμε σήμερα το 1925 (που ακόμα χρειάζεται βελτίωση). Πρόβλημα: Τα λεπτά κυτία δεν ήταν στιβαρά και στράβωναν εύκολα. Λύση: Πρόσθεση ενός χείλους στην κορυφή και δίπλωμα των πλευρών με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι πιο στιβαρές.

19 Το τενεκεδάκι Πρόβλημα: Τα τενεκεδάκια των αναψυκτικών που ανοίγονταν με ανοικτήρια είχαν κοφτερά χείλη και πολύ μεγάλα ανοίγματα. Λύση: Το ανοικτήρι τύπου Church key. Πρόβλημα: Χανότανε πολύ συχνά λόγω του μεγέθους του, ή δεν ήταν διαθέσιμο όταν χρειαζόταν. Λύση: Τενεκεδάκια τα οποία μπορούσαν να ανοιχτούν με το χέρι τραβώντας το δακτυλίδι στο πάνω μέρος.

20 Church opener

21 Church opener - OI

22 Το τενεκεδάκι Πρόβλημα: Πώς να απαλλαγούμε από τα δακτυλίδια; Να τα πετάξουμε; (περιβαλλοντικά προβλήματα) Να τα ρίξουμε μέσα στο τενεκεδάκι; (επικίνδυνο) Λύση: Δακτυλίδια τα οποία μένουν ενωμένα με το τενεκεδάκι. Πρόβλημα: Μερικοί άνθρωποι δεν μπορούν να ανοίξουν εύκολα τα τενεκεδάκια (μακριά νύχια, πολύ σφικτά δακτυλίδια κλπ.) Και η ιστορία συνεχίζεται

23 Παράδειγμα επίλυσης προβλήματος Χρήση ενός απλού προβλήματος για να κατανοήσουμε τη γενική διαδικασία που απαιτείται για την επίλυση προβλημάτων. Παράδειγμα: Υπολογισμός του μέγιστου ύψους ενός βλήματος.

24 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Αναγνώριση ανάγκης/προβλήματος Η εταιρεία που εργαζόμαστε σχεδιάζει πυροβόλα όπλα. Μας ζητούν να υπολογίσουμε το μέγιστο ύψος που θα φτάσει ένα βλήμα για να καθοριστούν οι προδιαγραφές ενός εκ των πυροβόλων όπλων.

25 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Ορισμός προβλήματος -- Πρέπει να γίνει καθαρά και με σαφήνεια. -- Αυτό το συγκεκριμένο πρόβλημα έχει μια μόνο ορθή απάντηση. -- Ο ορισμός του προβλήματος πρέπει να λέει τι είναι γνωστό και τι πρέπει να υπολογιστεί. -- Το πρόβλημα μπορεί να γραφεί ως ακολούθως: Ένα βλήμα βάλλεται κατ ευθείαν προς τα πάνω με αρχική ταχύτητα 100 m/s από μια απόσταση 3 μέτρων πάνω από το έδαφος. Ποιο είναι το μέγιστο ύψος που φτάνει το βλήμα; -- Είναι χρήσιμο (και καλή πρακτική) να σχεδιάζετε το πρόβλημα ώστε να μπορείτε να το αντιλαμβάνεστε καλύτερα.

26 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Ορισμός προβλήματος (συνέχεια) v = 100 m/s 3 m

27 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Συλλογή πληροφοριών -- Γνώση της θεωρίας και των βασικών αρχών του συγκεκριμένου θέματος. -- Τι υποθέσεις πρέπει να γίνουν; (π.χ. δεν υπάρχει αεροδυναμική αντίσταση ή άνεμος). Οι υποθέσεις πρέπει να είναι λογικές και να μην επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τη λύση του προβλήματος. Οι υποθέσεις γίνονται για την απλοποίηση του προβλήματος. -- Υποθέτουμε επίσης ότι η τιμή της σταθεράς της βαρύτητας είναι σταθερή.

28 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Δημιουργίας μιας ή περισσότερων μεθόδων επίλυσης -- Λύση 1: Γραφική επίλυση Από τη γραφική παράσταση φαίνεται ότι το μέγιστο ύψος είναι περίπου 515 m.

29 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Δημιουργίας μιας ή περισσότερων μεθόδων επίλυσης -- Λύση 2: Υπολογισμός Χρησιμοποιώντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας (κινητική ενέργεια στην αρχή της τροχιάς = δυναμική ενέργεια στο μέγιστο ύψος) 1 2 mv h 2 mg( h h 1 2g v 2 h 0 0 ) m

30 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Δοκιμασία λύσης και περαιτέρω βελτίωση -- Σε αυτό το μέρος της διαδικασίας γίνεται συνήθως η επαλήθευση των υπολογισμών, η βελτίωση του κώδικα του προγράμματος και γενικά η βελτίωση της λύσης. -- Για παράδειγμα, σε αυτό το πρόβλημα θα μπορούσαμε να συμπεριλαμβάναμε στην εξίσωση της τροχιάς την αντίσταση του αέρα.

31 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Έλεγχος και επιβεβαίωση της λύσης -- Πρέπει να επιβεβαιώσουμε εάν η λύση μας είναι σωστή και ρεαλιστική. -- Τρόποι επιβεβαίωσης: Πειράματα, συλλογή δεδομένων Υπολογισμός μέγιστου ύψους χρησιμοποιώντας μια άλλη μέθοδο λύσης ή μια άλλη θεωρία. Προσεκτική εξέταση κάθε μαθηματικής πράξης για τυχόν λάθη και για τη χρήση των σωστών μονάδων.

32 Υπολογισμός μέγιστου ύψους Παρουσίαση -- Η παρουσίαση της λύσης στη διοίκηση της εταιρείας, στους χρηματοδότες, ή σε διεθνή συνέδρια και περιοδικά είναι ένα πολύ σημαντικό μέρος της διαδικασίας επίλυσης προβλημάτων. -- Μια καλή και πλήρης παρουσίαση μπορεί να κάνει ακόμα και μια μέτρια λύση να φαίνεται εξαιρετική. -- Η παρουσίαση γίνεται σε μορφή τεχνικού κειμένου ή προφορικής παρουσίασης με τη χρήση διαφανειών (συνήθως γίνονται και τα δύο).

33 Mars climate orbiter 9/1999 Τροχιακό διαστημόπλοιο ελέγχου θερμοκρασίας Έλεγχος κλίματος, καιρού, Η 2 0 και CO 2 στον Αρη

34 Η NASA και οι μονάδες μέτρησης! -- Δύο ομάδες επιστημόνων: Η μια δούλευε με το σύστημα SI και η άλλη με το βρετανικό σύστημα. -- Το Climate Orbiter καταστράφηκε από την ατμοσφαιρική πίεση και την τριβή λόγω του χαμηλού υψομέτρου. -- Συνολικό κόστος: $125Μ Σημείωση: 1 μίλι = χιλιόμετρα