Тестване на аеродинамични тунели
Този урок се фокусира върху тестове за аеродинамични тунели, които инженерите използват за разработване на продукти като самолети, автомобили и дори сгради. Екипи от ученици изграждат свой собствен модел автомобил от ежедневни материали и тестват дизайна си във въздушна тунел, направена от вентилатор, който духа през дълга картонена кутия.
- Научете за инженерното проектиране.
- Научете за аеродинамичните тунели и инженерните изпитания.
- Научете за работата в екип и работата в групи.
Възрастови нива: 11-18
Строителни материали (за всеки екип)
Необходими материали (Търговия/Таблица на възможностите)
- Низ
- Пластмасова опаковка
- фолио
- Popsicle пръчици
- Клечки за зъби
- Кламери
- Хартия
- Картон
- 1 картонена тръба (от хартиена кърпа или тоалетна хартия)
Материали за тестване
- Рампа:
- Парче дърво или твърда пластмаса (поставено под наклон 15 градуса)
- Въздушен тунел:
- Малък преносим вентилатор
- Правоъгълна картонена кутия с отстранени краища
- Маскираща лента за закрепване на кутията към пода в фиксирано положение
- Рулетка
материали
- Рампа:
- Парче дърво или твърда пластмаса (поставено под наклон 15 градуса)
- Въздушен тунел:
- Малък преносим вентилатор
- Правоъгълна картонена кутия с отстранени краища
- Маскираща лента за закрепване на кутията към пода в фиксирано положение
- Рулетка
Процес
Преди да тестват дизайна на автомобила си в аеродинамичния тунел, всеки екип трябва да тества колата си на рампата, за да се увери, че може да се търкаля. Колата им трябва да се търкаля по рампа, поставена под ъгъл от 15 градуса, и трябва да се търкаля поне 4 фута, преди да бъде „сертифицирана“ за тестване на вятъра.
Настройте „аеродинамичния тунел“ в класната стая, като залепите правоъгълна кутия (отворена в двата края) към пода на класната стая. Поставете вентилатора в единия край на кутията. След това всеки екип поставя дизайна на автомобила си в единия край на кутията (маркирайте началната точка за последователност). Включете вентилатора (същата скорост за всеки тест) и накарайте всеки екип да измери разстоянието, което колата им е била избутана от вятъра, преди да спре.
Design Challenge
Вие сте екип от инженери, на които е поставено предизвикателството да създадат нов дизайн на автомобил, който предлага най -добрата горивна ефективност, като създава най -малко съпротивление или устойчивост на вятъра.
Критерии
- Трябва да превъртите колата надолу по рампа под ъгъл 15 градуса за поне 4 фута, преди да бъде „сертифицирана“ за тестване на вятъра.
Ограничения
- Използвайте само предоставените материали.
- Екипите могат да търгуват с неограничени материали.
- Разбийте класа на екипи от 2-3.
- Раздайте работен лист за тестване на аеродинамични тунели, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
- Накарайте учениците да работят в екипи, за да изпробват онлайн аеродинамичния тунел https://wright.nasa.gov/airplane/tunnl2int.html. Това ще осигури по -добро разбиране за това как формата на колата им ще повлияе на резултатите.
- Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектиране, критериите, ограниченията и материалите. Помислете да попитате учениците как формата на автомобил може да промени начина, по който работи аеродинамичният тунел. Би ли тествал камион по различен начин от автомобил? Какво ще кажете за кабриолет?
- Предоставете на всеки екип своите материали.
- Обяснете, че учениците трябва да разработят нов прототип на автомобил, който предлага най -добра горивна ефективност, като създава най -малко съпротивление или устойчивост на вятъра.
- Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
- Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
- Учениците се срещат и разработват план за колата си. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, пишат/рисуват своя план и представят плана си пред класа. Екипите могат да търгуват неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
- Екипите изграждат своя дизайн. Студентите трябва да тестват колите си на рампа. Колата им трябва да се търкаля по рампа, поставена под ъгъл от 15 градуса, и трябва да се търкаля поне 4 фута, преди да бъде „сертифицирана“ за тестване на вятъра.
- Тествайте дизайна на автомобила, като поставите колата в единия край на кутията „аеродинамичен тунел“ (в маркираната начална точка). Включете вентилатора (същата скорост за всеки тест).
- Екипите трябва да документират разстоянието, което колата им е била изтласкана от вятъра, преди да спрат.
- Ако времето позволява, дайте възможност на учениците да препроектират колата си, ако преценят, че промените могат да подобрят производителността.
- Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
- За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.
Отражение на ученика (инженерна тетрадка)
- На какво разстояние се е преместила колата ви, когато е бил включен аеродинамичният тунел? Как това беше свързано с разстоянията на другите модели автомобили във вашата класна стая?
- Какъв според вас беше аспектът на дизайна на колата, който се движеше най -малко, което я направи най -успешната?
- Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес? Защо биха могли?
- Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?
- Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
- Открихте ли, че във вашата класна стая има много дизайни, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за инженерните планове?
- Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете как работата в екип е повлияла на този проект.
- 8. Избройте няколко продукта, които смятате, че биха имали полза от тестването на аеродинамични тунели.
Модификация на времето
Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.
- Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
- Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
- Издръжливост: Способност да издържи дълго време.
- Ефективност: Работете или работите по начин, който дава резултати, с малко пропилени усилия.
- Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (виж инфографиката).
- Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми.
- Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
- Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
- Изпълнение: Начин на работа или работа.
- Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
- Аеродинамичен тунел: Големи тръби с въздух, който се движи вътре.
Интернет връзки
- Вятърни тунели на НАСА
- Бъдещ полетен дизайн на НАСА
- Летящ на земята, аеродинамични тунели на изследователския център Глен
- Интерактивен аеродинамичен тунел Wright 1901
Препоръчителна четене
- Трансонично изпитване на аеродинамични тунели (ISBN: 0486458814)
- Братя Райт: Биография на най -големите пионери в авиацията (ISBN: 0316861448)
Писателска дейност
Напишете есе или параграф за това какви други произведени продукти биха имали полза от тестването на аеродинамични тунели.
Привеждане в съответствие с учебните програми
Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:
- Стандарти за научно образование в САЩ (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Научни стандарти на САЩ от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/)
- Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Принципите и стандартите за училищна математика на Националния съвет на учителите по математика на САЩ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Американски общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
- Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
- Разбиране за научните изследвания
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Положение и движение на обекти
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в местните предизвикателства
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Науката като човешко начинание
Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Движения и сили
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в обществото
Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
- Разбиране за научното изследване
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Движения и сили
- Взаимодействия на енергия и материя
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Природни и предизвикани от човека опасности
- Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Исторически перспективи
Научни стандарти от следващо поколение 3-5 степени (на възраст 8-11)
Движение и стабилност: Сили и взаимодействия
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- 3-PS2-1. Планирайте и проведете разследване, за да предоставите доказателства за въздействието на балансирани и небалансирани сили върху движението на обект.
Инжинерен дизайн
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- 3-5-ETS1-1. Определете прост проблем при проектирането, отразяващ нужда или желание, който включва определени критерии за успех и ограничения върху материалите, времето или разходите.
- 3-5-ETS1-2.Генерирайте и сравнете множество възможни решения на проблем въз основа на това доколко всеки от тях отговаря на критериите и ограниченията на проблема.
- 3-5-ETS1-3. Планирайте и провеждайте справедливи тестове, при които променливите се контролират и точките на повреда се считат за идентифициране на аспекти на модел или прототип, които могат да бъдат подобрени.
Научни стандарти от следващо поколение 6-8 степени (на възраст 11-14)
Инжинерен дизайн
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- MS-ETS1-1 Определете критериите и ограниченията на проектния проблем с достатъчна прецизност, за да осигурите успешно решение, като вземете предвид съответните научни принципи и потенциалното въздействие върху хората и природната среда, което може да ограничи възможните решения.
Научни стандарти от следващо поколение 6-8 степени (на възраст 11-14)
Инжинерен дизайн
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- MS-ETS1-2 Оценявайте конкурентни дизайнерски решения, като използвате систематичен процес, за да определите колко добре отговарят на критериите и ограниченията на проблема.
Научни стандарти от следващо поколение 9-12 степени (на възраст 14-18)
Инжинерен дизайн
Учениците, които демонстрират разбиране, могат:
- HS-ETS1-4. Използвайте компютърна симулация, за да моделирате въздействието на предложените решения на сложен проблем от реалния свят с множество критерии и ограничения върху взаимодействията в и между системите, свързани с проблема.
Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти
Природата на технологиите
- Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията
- Стандарт 2: Студентите ще развият разбиране за основните концепции на технологията.
- Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение.
Технология и общество
- Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
- Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.
Дизайн
- Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
- Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания и разработки, изобретения и иновации и експериментиране при решаването на проблеми.
Способности за един технологичен свят
- Стандарт 12: Учениците ще развият способности да използват и поддържат технологични продукти и системи.
- Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.
Проектираният свят
- Стандарт 20: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват строителни технологии.
Вие сте екип от инженери, на които е поставено предизвикателството да създадат нов автомобилен прототип, който предлага най -добрата горивна ефективност, като създава най -малко съпротивление или устойчивост на вятъра.
Фаза на проучване/подготовка
- Прегледайте различните справочници за ученици и ако има достъп до интернет, изпробвайте виртуален тунел на http://wright.nasa.gov/airplane/tunnl2int.html.
Планиране като екип
- Вашият екип е снабден с някои „строителни материали“ от вашия учител. Имате лента, шнур, найлоново фолио, фолио, пръчици за мокасини, клечки за зъби, кламери, хартия, моливи, картон, една картонена тръба (от хартиена кърпа или тоалетна хартия) и трябва да използвате всички материали, така че всички коли да тежат еднакво.
- Започнете, като се срещнете с екипа си и разработите план за колата си. Усетете колко силен вятър ще духа във вашата аеродинамична тунел в класната стая, за да предвидите колко силна трябва да е колата ви. Вашата кола трябва да поддържа формата си през всички нива на вятъра и да се движи най -малко, за да покаже, че има най -малко съпротивление на вятъра.
- Напишете или нарисувайте плана си в полето по -долу, включително вашата проекция за материалите, които ще ви трябват за завършване на строителството. Представете своя дизайн на класа и обяснете избора на материали. Можете да изберете да преразгледате плана на екипите си, след като получите обратна връзка от класа.
|
Необходими материали:
|
Строителна фаза
- Изградете колата си!
Рампа тест
Вашият автомобил трябва да премине тест за рампа преди тестване на вентилатора. Той трябва да се търкаля надолу по рампа под ъгъл 15 градуса и да се търкаля поне 4 фута, преди да бъде „сертифициран“ за изпитване на вятър.
Тестът на аеродинамичния тунел!
- Наблюдавайте, докато вашият екип и други екипи тестват своите прототипи във вашата аеродинамична тунел в класната стая. Трябва да проведете три теста и да осредните стойностите, които откриете. Запишете резултатите на вашия екип в полето по -долу, включително точки и наблюдения.
Тест #1 Резултати и наблюдения
|
Тест #2 Резултати и наблюдения
|
Тест #3 Резултати и наблюдения
|
Средни резултати
|
Реинженеринг
Ако времето позволява, можете да препроектирате колата си, ако установите, че промените могат да подобрят производителността.
Размисъл
- На какво разстояние се е преместила колата ви, когато е бил включен аеродинамичният тунел? Как това беше свързано с разстоянията на другите модели автомобили във вашата класна стая?
- Какъв според вас беше аспектът на дизайна на колата, който се движеше най -малко, което я направи най -успешната?
- Смятате ли, че инженерите трябва да адаптират първоначалните си планове по време на производствения процес? Защо биха могли?
- Ако трябваше да го направите отново, как ще се промени планираният ви дизайн? Защо?
- Какви дизайни или методи видяхте от други екипи, които смятате, че работят добре?
- Открихте ли, че във вашата класна стая има много дизайни, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за инженерните планове?
- Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете как работата в екип е повлияла на този проект.
- Колко продукти можете да си представите, които биха се възползвали от тестването на аеродинамични тунели?