Rak Buku Lipat: Memilih Panel antara Papan Lapis, Akrilik dan Aluminium
Murid diminta menghasilkan rak buku lipat untuk sudut bacaan kelas. Spesifikasi ialah: mesti menampung 5 kg buku, berat keseluruhan tidak melebihi 1.5 kg, kos bahan tidak melebihi RM25 seunit, boleh dilipat rata kurang daripada 60 mm, dan digunakan di kelas berhawa dingin tetapi kadang-kadang dibawa ke koridor yang lembap. Setiap rak memerlukan dua panel sisi bersaiz 300 mm kali 200 mm. Pasukan membandingkan tiga pilihan untuk panel sisi: papan lapis 12 mm (ketumpatan 600 kg/m3, RM38 sekeping 1.2 m kali 2.4 m), akrilik 6 mm (ketumpatan 1 190 kg/m3, RM95 sekeping) dan plat aluminium 2 mm (ketumpatan 2 700 kg/m3, RM180 sekeping). Komponen lain iaitu para, engsel dan pengikat dianggarkan 0.55 kg. Satu panel akrilik retak di lubang gerudi semasa prototaip pertama.
1. Kira jisim dua panel sisi dan kos bahan panel bagi setiap pilihan. Tentukan sama ada berat dan kos masih memenuhi spesifikasi, dan nyatakan mengapa angka itu belum cukup untuk membuat keputusan.
Read the worked answer
Isi padu satu panel = 0.30 × 0.20 × tebal. Luas sekeping bahan = 1.2 × 2.4 = 2.88 m2.
| Bahan | Isi padu satu panel | Jisim 2 panel | Kos 2 panel |
|---|---|---|---|
| Papan lapis 12 mm | 0.00072 m3 | 0.864 kg | RM1.58 |
| Akrilik 6 mm | 0.00036 m3 | 0.857 kg | RM3.96 |
| Aluminium 2 mm | 0.00012 m3 | 0.648 kg | RM7.50 |
Contoh pengiraan papan lapis: 0.00072 × 600 = 0.432 kg sepanel, didarab dua = 0.864 kg. Kos: (38 ÷ 2.88) × 0.06 × 2 = RM1.58.
Dengan komponen lain 0.55 kg, jumlah berat ialah 1.41 kg (papan lapis), 1.41 kg (akrilik) dan 1.20 kg (aluminium) - ketiga-tiganya lulus had 1.5 kg, walaupun papan lapis dan akrilik hanya berbaki kira-kira 0.09 kg. Kos panel pula jauh di bawah RM25 kerana panel hanya 0.12 m2 daripada kepingan besar; kos sebenar didominasi engsel, para, kemasan dan upah.
Oleh itu angka berat dan kos tidak membezakan pilihan. Keputusan mesti dibuat atas sifat lain: kekukuhan, kemudahan pemesinan, tingkah laku terhadap lembapan, dan ketahanan terhadap keretakan.
2. Pilih bahan untuk panel sisi dan cadangkan bahan serta kaedah sambungan engsel. Justifikasikan pilihan anda berdasarkan sifat bahan dan terangkan satu ujian yang perlu dijalankan.
Read the worked answer
Pilihan: papan lapis 12 mm.
- Kekukuhan: kekukuhan lenturan bergantung pada modulus dan kuasa tiga ketebalan. Papan lapis 12 mm mempunyai ketebalan tiga kali akrilik 6 mm, jadi kira-kira 8 kali lebih tegar pada modulus yang setara, dan lebih tegar daripada aluminium 2 mm yang mudah melentur atau kemek. Rak mesti menampung 5 kg tanpa melendut.
- Pemesinan: papan lapis boleh digerudi, diskru dan diketam dengan alatan bengkel sekolah; akrilik retak pada lubang gerudi kerana takik tegasan, manakala aluminium memerlukan rivet atau bolt dan pemotongan yang lebih rumit.
- Kos dan kemasan: termurah, dan boleh dikemaskan dengan syelek atau cat untuk mengurangkan penyerapan lembapan.
Sambungan: engsel piano keluli tahan karat diskru melalui lubang pandu dan dibubuh gam poliuretana, atau bolt M4 dengan sesendal jika perlu dibuka berulang kali. Elakkan engsel yang hanya digam kerana beban 5 kg menghasilkan daya tarikan besar pada skru.
Ujian: ujian tarik keluar skru (screw pull-out) dan ujian beban 7.5 kg selama 24 jam untuk mengukur lendutan. Ujian lembapan ringkas - rendam keratan dalam air 24 jam dan ukur pembengkakan tepi - juga wajar kerana rak akan dibawa ke koridor lembap.
3. Terangkan mengapa jisim panel akrilik hampir sama dengan papan lapis walaupun tebalnya hanya separuh, dan apakah implikasi jawapan itu terhadap sebut harga bahan yang disediakan pembekal.
Read the worked answer
Jisim ialah hasil darab isi padu dengan ketumpatan, iaitu luas × tebal × ketumpatan. Nisbah ketumpatan akrilik kepada papan lapis ialah 1 190 ÷ 600 ≈ 1.98, manakala nisbah ketebalannya 6 ÷ 12 = 0.50. Kedua-dua nisbah hampir saling membatalkan: 600 × 12 = 7 200, dan 1 190 × 6 = 7 140. Maka jisim per unit luas hampir sama (0.432 kg berbanding 0.428 kg sepanel), dan perbezaan 0.007 kg itu tidak bermakna dalam amalan.
Implikasi: sebut harga atau jadual sifat yang hanya menyenaraikan ketumpatan tidak boleh digunakan untuk membuat keputusan reka bentuk. Ketumpatan rendah tidak bermakna produk ringan jika ketebalan yang diperlukan lebih besar, dan bahan nipis yang tumpat boleh sama berat. Yang berbeza secara mendadak ialah kekukuhan, kerana ia bergantung pada ketebalan pangkat tiga - panel 12 mm kira-kira 8 kali lebih tegar daripada panel 6 mm pada modulus setara. Sebelum memilih, pasukan perlu meminta data modulus lenturan, kekuatan hentaman dan kadar penyerapan air, bukan hanya ketumpatan dan harga sekeping.