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課程來源:MIT
     
翻譯:黎雅芸
編輯:王吉勝

Student Stirling engines lined up for the spin-off.
本屆由學生設計的史特靈引擎的賽前展示 (本圖由Curt Newton慷慨提供)
Student Stirling engines lined up for the spin-off. (Photo courtesy of Curt Newton.)

課程重點

本課程由自由活動月(IAP)提供,自由活動月是個為期四星期的課程,在MIT從一月份的第一個星期起直到一月份結束。本課程活動會集中在實習大樓,學習使用自己的史特靈引擎,細節請參考專題部分。

This course is offered during the Independent Activities Period (IAP), which is a special 4-week term at MIT that runs from the first week of January until the end of the month The course revolves around students building and 'racing' their own Stirling engines, which is covered in greater detail in the projects section.

課程描述

本 課程會介紹各種機械工具原理和相關電腦軟體的使用。讓學生操作各種機械工具如帶鋸、銑床和車床。上課會運用到的軟體有MATLAB®, MAPLE®, XESS™和CAD。活動重點在於解決問題,而不是單純學習程式設計或建立演算法。作業以與機械工程主題相關之專題為取向。建議學生們可以在決定主修機械 工程後,利用第一個自由活動月選修這門課。

This course introduces the fundamentals of machine tool and computer tool use. Students work with a variety of machine tools including the bandsaw, milling machine, and lathe. Instruction given on MATLAB®, MAPLE®, XESS™, and CAD. Emphasis is on problem solving, not programming or algorithmic development. Assignments are project-oriented relating to mechanical engineering topics. It is recommended that students take this subject in the first IAP after declaring the major in Mechanical Engineering.

本課程由Douglas Hart教授和Kevin Otto博士共同授課。

This course was co-created by Prof. Douglas Hart and Dr. Kevin Otto.

師資
講師:
Douglas Hart 教授
David Wallace 教授
上課時數
教師授課:
Ten sessions for 2 weeks
6 hours / session
程度
大學部
回應
告訴我們您對本課程或「開放式課程網頁」的建議。
聲明
麻省理工學院開放式課程認可 開放式課程計畫(OOPS)的翻譯計畫,開放式課程計畫(OOPS)乃是運用其獨立團隊、獨立資源、獨立流程進行翻譯計畫之團隊。

所有麻省理工學院開放式課程之材料皆以麻省理工學院開放式課程創作共享授權發佈,所有之翻譯資料皆由開放式課程計畫(OOPS)所提供,並由其負翻譯品質之責任。

此 處麻省理工學院開放式課程之資料乃由 開放式課程計畫(OOPS) 譯為正體中文。麻省理工學院開放式課程在此聲明,不論是否遭遇或發現相關議題,麻省理工學院開放式課程、麻省理工學院教師、麻省理工學院校方並不對翻譯正 確度及完整性作保證。上述單位並對翻譯後之資料不作明示或默許對任一特定目的之適合性之保證、非侵權之保證、或永不出錯之保證。麻省理工學院校方、麻省理 工學院開放式課程對翻譯上之不正確不負任何責任。由翻譯所引發任何關於此等資料之不正確或其他瑕疵,皆由開放式課程計畫(OOPS)負全責,而非麻省理工 學院開放式課程之責。

原文聲明

 

2.670 課程主要介紹各種機械工具原理和相關電腦軟體的使用。學生將可以學習操作各種機械工具如帶鋸、銑床和車床。並介紹一些常用的電腦軟體如MATLAB®, MAPLE®, XESS™和CAD。活動重點在於解決問題,而不是單純學習程式設計或建立演算法。作業以與機械工程主題相關之專題為取向。建議學生們可以在決定主修機械 工程後,利用第一個自由活動月選修這門課。

今年本課程2.670只開放給大二和新生!

上課時間從每天早上9點到下午4點,週末除外,中午休息一個小時。

出席率很重要,每堂必點--這絕不是開玩笑的。


尋求幫助

如需幫助,請接洽你的講師或者是大學學生會聯盟,或是詢問其他班上同學。請各位同學彼此互相幫忙。

2.670 introduces the fundamentals of machine tool and computer tool use. Students will work with a variety of machine tools including the bandsaw, milling machine, and lathe. Instruction given on MATLAB®, MAPLE®, XESS™, and CAD. Emphasis is on problem solving, not programming or algorithmic development. Assignments are project-oriented relating to mechanical engineering topics. It is recommended that students take this subject in the first IAP after declaring the major in Mechanical Engineering.

This year 2.670 is open to Course II students and freshmen ONLY!

Classes run from 9:00 AM sharp until 4:00 PM every day except weekends, with an hour off for lunch at noon.

Attendance is mandatory--this is serious stuff.


Getting Help

If you need help, contact your instructors and/or UA's or ask other students in the class. Go on, help each other out!


 
 
天 課程單元 作業
1 MATLAB®課堂1
MATLAB® Lecture 1
預定作業1
Problem Set 1 Due
2 MATLAB®課堂2
MATLAB® Lecture 2
預定作業2
Problem Set 2 Due
3 MATLAB®實習課
MATLAB® Tutorial
預定作業3
Problem Set 3 Due
4-9 設計並製造一個你自己的史特靈引擎
Designing and Building Your Stirling Engines
 
10 建製完成。第九屆 史特靈引擎衍生賽
Construction Completed. Ninth Annual Stirling Engine Spin-Off!
 

 

MATLAB® 作業
MATLAB® Assignments

你必須在每次課程結束前交出你的作業。
You must turn in your assignments at the end of each class period.

天 作業
1 逐步地跟著第一個作業操作,就可以讓你自己完成這份家庭作業。這是線上版本的課堂講義。在MATLAB課程第一天結束前,要交出兩份圖。(PDF)
A step-by-step walk through of the first assignment will help finishing this homework assignment on your own. This is the on-line version of the notes handed out in class. You need to turn in two graphs by the end of the first day of MATLAB® class period (PDF)

這些圖要包含:
As detailed, these graphs include 列印出MATLAB計算一2.007的機械汽缸所輸出的轉置矩陣力、力和其所能舉起的最大重量。(PDF)
A one page printout of the MATLAB® output of the force to displacement matrix, the forces, and maximum weight a recent 2.007 machine could lift with air cylinders (PDF) 一張二階力單一自由度擺盪運動的圖解。 (PDF)
A graph solution to a second order forced single d.o.f. oscillator (PDF)
2 作業2
Problem Set 2
3 逐步地跟著講義最後的MATLAB作業操作。完成這些目標,並在MATLAB®課程第三天結束前交出兩張圖。(PDF)
An step-by-step tutorial to walk through the last MATLAB® assignment was also handed out as notes. Complete the tasks, and turn in the resulting two graphs by the end of the third day of your MATLAB® class periods (PDF)

這份作業是要作出兩張數值正交微分方程式(O.D.E)的圖解
The assignment is to create two graphs of a numerical o.d.e. solution 一個一階溫度冷卻方程式。(PDF)
A first order temperature cooling equation (PDF) 一個二階單一自由度擺盪方程式。(PDF)
A second order single degree of freedom oscillator equation (PDF)

注意,MATLAB®第三天課並沒有講師授課,相反地你要自己解出第三個作業。
Note there is no lecture on MATLAB® Day 3, but rather you are to work on your own to solve Problem Set 3.


尋求幫助
Getting Help

如果你需要幫助:
If you need help,

- 聯絡你的講師或是大學學生會聯盟。
- Contact your instructors and/or UA's in person

- 或是自行參考課堂講義。
- Or see the self-guided problem set tutorials:

作業1講義(PDF)
Problem Set 1 Tutorial (PDF)
作業2講義
Problem Set 2 Tutorial
作業3講義(PDF)
Problem Set 3 Tutorial (PDF)

- 或是詢問其他班上同學,請各位同學彼此互相幫忙。
- Or ask other students in the class. Go on, help each other out!


 
「工程師們,開啟你的引擎吧!」
"Engineers, Start Your Engines!"

加入我們第九屆衍生賽!!
Join us for the ninth annual spinoff!!
第10講 (在實驗室)
Day 10 (In Lab)

每次自由活動月,學生在2.670的課程中會製作出160個史特靈引擎
Every IAP, students in 2.670 build 160 working Stirling Engines.

2.670提供麻省理工學院的機械工程系大二學生,了解基本機械製造工 具、CAD製圖和MATLAB®的原理。本課程是從本系原來的教導未來常用之基本技能的基礎課程中逐漸發展出來的,但是它變成了本學院每年的慣例,讓麻省 理工學院的學生在每年有機會參加這製作屬於自己的史特靈引擎的活動。
2.670 gives sophomores in the mechanical engineering department at MIT an introduction to basic machine shop tools, CAD drawing, and MATLAB® fundamentals. The course was originally developed to teach basic skills used in future, core classes in the department, but it's become an annual institution at the Institute - with students from across MIT signing up each year for the chance to build their own, working Stirling engines!

衍生賽已經如同這門課一樣的有趣了。學生競相找出最快的引擎並投票選出最有設計感又討人喜歡的創意。我們希望今年你也能夠在加入我們的行列。
The spin-off is almost as fun as the class itself. Students race to find the fastest engines and vote to select the most aesthetically pleasing modifications. We hope you'll be able to join us this year!

時間
TIME 賽程
EVENT
3:30-4:00 pm 技能競賽
Craftsmanship Contest
4:00-4:30 pm 標準引擎賽
Stock Engine Race
4:30-4:45 pm 創意引擎賽
Modified Engine Race
4:45 pm 比薩─歡迎各位蒞臨!
Pizza - All are welcome!

2.670史特靈引擎衍生賽相片簿(2004年自由活動月)
Image Gallery of 2.670 Stirling Engine Spin-Off (IAP 2004)

2.670常用機械實驗室相片簿
Image Gallery of Lab Equipment Used in 2.670


  史特靈引擎的歷史
Stirling Engine History

在1816年9月27日,Robert Stirling在蘇格蘭愛丁堡法務部申請他的節熱器專利權。事實上Robert Stirling本身的職業是蘇格蘭修道院的牧師,他一直服務到86歲。但是,在他閒暇之餘,他會在自己的工作室建造熱機。Kelvin勳爵在一些大學課 程就使用過其中之一的雛形。
On September 27, 1816, Robert Stirling applied for a patent for his economiser at the Chancery in Edinburgh, Scotland. By trade, Robert Stirling was actually a minister in the Church of Scotland and he continued to give services until he was eighty-six years old. But, in his spare time, he built heat engines in his home workshop. Lord Kelvin used one of the working models during some of his university classes.

McQuorne Rankine教授在1850年,初次簡單地解說引擎的動力學原理。在大約一百年後,Rolf Meijer為了解釋各種形式的封閉式循環再生氣體引擎,而定義了「史特靈引擎」一詞。
In 1850 the simple and elegant dynamics of the engine were first explained by Professor McQuorne Rankine. Approximately one hundred years later, the term "Stirling engine" was coined by Rolf Meijer in order to describe all types of closed cycle regenerative gas engines.

史特靈引擎是特殊的熱機,因為史特靈引擎的理論效能幾乎就等於熱機的最大理論效能Carnot循環 效能。史特靈引擎是利用熱膨脹的氣體來推動,再經由冷卻壓縮的氣體拉回。史特靈引擎是利用固定容積氣體的冷點(通常是室溫)和熱點(通常利用加熱燈油或酒 精)來循環地做拉回與前推的動作。「位移活塞」在這兩點間推動氣體,而「施力活塞」會在氣體膨脹與壓縮時改變內部容積。
Stirling engines are unique heat engines because their theoretical efficiency is nearly equal to their theoretical maximum efficiency, known as the Carnot Cycle efficiency. Stirling engines are powered by the expansion of a gas when heated, followed by the compression of the gas when cooled. The Stirling engine contains a fixed amount of gas that is transferred back and forth between a "cold" end (often room temperature) and a "hot" end (often heated by a kerosene or alcohol burner). The "displacer piston" moves the gas between the two ends and the "power piston" changes the internal volume as the gas expands and contracts.


史特靈引擎動畫
Stirling Engine Animation

以下是2.670課程中史特靈引擎的示意圖
Below is an animation of the 2.670 Stirling engine.

Stirling engine animation.

2.670課程中史特靈引擎的示意圖
Animation of the 2.670 Stirling Engine.

空氣在引擎中是不斷地加熱(由酒精燈加熱),在空氣膨脹時就會推動施力活塞(圖中藍色部分)到右 邊。當施力活塞到達右邊時,黃色連桿會輕輕地帶動紅色「活塞」(在機器左邊),使空氣移到引擎較冷的一邊。空氣到較冷的一邊時會放熱到外界而壓縮,並拉藍 色活塞到左邊。此時空氣會再一次的移動,被帶回引擎較熱的區域,重複著這樣的循環。
Air in the engine is cyclically heated (by an alcohol burner) and expands to push the power piston (shown in blue) to the right. As the power piston moves to the right, the yellow linkage forces the loose-fitting, red "piston" (on the left half of the machine) to displace air to the cooler side of the engine. The air on the cool side loses heat to the outside world and contracts, pulling the blue piston to the left. The air is again displaced, sending it back to the hotter region of the engine, and the cycle repeats.

史特靈引擎循環也是可以「反轉」的,只要利用溫度差異就可以反向旋轉(並利用這個反應達到降溫)。利用你最愛的搜尋引擎去尋找額外的史特靈引擎的連結。
The Stirling engine cycle can also be used "in reverse", to convert rotating motion into a temperature differential (and thus provide refrigeration). Use your favorite search engine to find additional links on Stirling engines!


 
 
天 課程單元 課堂講稿
1 MATLAB®課堂1
MATLAB® Lecture 1
(PDF)
2 MATLAB®課堂2
MATLAB® Lecture 2
 
3 MATLAB®實習課
MATLAB® Tutorial
(PDF)
4-9 設計和製造你自己的史特靈引擎
Designing and Building Your Sterling Engines

金屬切割原則
Metal Cutting Physics

量測
Measurement

零件規劃設計
Part Layout

帶鋸
Band Saw

皮帶磨光機
Belt Sander

壓力鑽孔機(鑽孔)
Drill Press (and Tapping Holes)

車床
Lathe

銑床
Milling Machine

砂輪機和拋光機
Grinding and Buffing

加工金屬片
Working with Sheet Metal



(PDF)

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