Puente de paletas
Esta lección se centra en cómo los puentes están diseñados para soportar el peso, al mismo tiempo que son duraderos y, en algunos casos, estéticamente agradables. Los estudiantes trabajan en equipos para diseñar y construir su propio puente con hasta 200 palitos de helado y pegamento.
- Aprenda sobre ingeniería civil.
- Aprende sobre diseño de ingeniería.
- Aprenda sobre planificación y construcción.
- Aprender sobre el trabajo en equipo y el trabajo en grupo.
Rangos de Edad: 8 – 18
Materiales de Construcción (para cada equipo)
Materiales Requeridos
- 200 palitos de paleta
- Pegamento para madera o artesanías
Materiales de Prueba
- 5 libras de peso (para estudiantes más jóvenes) y 20 libras de peso (para estudiantes mayores)
- (bolsas de azúcar o harina, latas de 16 oz. de comida, botella de 72 oz. de detergente para ropa, pesa de ejercicio u otra pesa)
- 2 sillas, escritorios o mesas pequeñas (lo suficientemente altas para permitir que los diseños se suspendan a 1 pie del piso)
Materiales
- 5 libras de peso (para estudiantes más jóvenes) y 20 libras de peso (para estudiantes mayores)
- (bolsas de azúcar o harina, latas de 16 oz. de comida, botella de 72 oz. de detergente para ropa, pesa de ejercicio u otra pesa)
- 2 sillas, escritorios o mesas pequeñas (lo suficientemente altas para permitir que los diseños se suspendan a 1 pie del piso)
Proceso
- Coloque 2 sillas o escritorios (superficie plana) a una distancia mínima de 14 ”entre sí
- Suspenda o pegue con cinta adhesiva un puente a 1 pie sobre el piso encima de las sillas / escritorios
- Coloque el peso predeterminado en el puente durante un minuto completo
- Dependiendo del tipo de peso seleccionado, se puede colocar encima del diseño o colgar desde abajo..
- El objetivo es probar los diseños para cumplir con la carga mínima. Sin embargo, ¡es divertido seguir agregando peso a la estructura para cumplir con la carga crítica que resulta en un puente que se desmorona!
Juzgando los diseños
- Como clase, discuta qué hace que un puente sea estéticamente agradable.
- Desarrollar una lista de atributos en preparación para la evaluación.
- A continuación, juzgue el diseño de cada puente por su valor estético.
- Utilice una escala del 1 al 5, en la que 1 sea "nada atractivo" y 5 sea "muy atractivo".
- Dar 1 comentario positivo y 1 sugerencia de mejora para cada diseño..
Puente peatonal Langkawi Sky - Malasia
- 125 metros de largo y 1.8 metros de ancho
- Diseñado como una pasarela curva para maximizar la experiencia visual.
- Formado por paneles de acero y hormigón colocados sobre una celosía triangular invertida.
- Suspendido por 8 cables de un solo pilón de 81.5 m de altura, y cuelga a unos 100 m sobre el suelo.
- Diseñado para llevar una capacidad máxima de 250 personas.
Fuente: Wikipedia
Colapso del puente peatonal de la Universidad Internacional de Florida
Un diseño deficiente provocó el colapso de un puente peatonal en construcción en FIU en 2018. Los ingenieros calcularon incorrectamente la cantidad de tensión que podría soportar la estructura.
Fuente: USA Today
Reto de Diseño
Eres un equipo de ingenieros que trabaja para diseñar un puente con pegamento y 200 palitos de helado o menos.
Criterios
- Los puentes deben poder soportar un peso predeterminado de 5 libras o 20 libras. La estructura debe tener una longitud mínima de 14 pulgadas.
Limitaciones
No se pueden utilizar más de 200 palitos de helado.
- Divida la clase en equipos de 2-4.
- Reparta la hoja de trabajo Diseñe su propio puente, así como algunas hojas de papel para dibujar diseños.
- Discutan los temas de la sección Conceptos Básicos.
- Revise las secciones de Proceso de Diseño de Ingeniería, Desafío de Diseño, Criterios, Limitaciones y Materiales. Si el tiempo lo permite, revise las “Aplicaciones al Mundo Real” antes de realizar el desafío de diseño.
-
Antes de instruir a los estudiantes para que comiencen a hacer una lluvia de ideas y esbozar sus diseños, pídales que consideren lo siguiente:
● Diferentes tipos de puentes
● ¿Qué formas son más fuertes que otras?
● La cantidad de peso de su diseño debe contener un criterio de tramo de 14 ".
● Estética: sé creativo
● Eficiencia: trate de no utilizar todos los palitos de helado. -
Proporcione a cada equipo sus materiales.
-
Explique que los estudiantes deben desarrollar un puente de paleta a partir de 200 palitos de paleta y pegamento. El puente debe poder sostener un peso predeterminado de 5 libras o 20 libras. La estructura debe tener una longitud mínima de 14 pulgadas.
- Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para diseñar y construir (se recomienda 1 hora).
- Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
- Los estudiantes se reúnen y desarrollan un plan para su puente. Acuerdan los materiales que necesitarán, escriben / dibujan su plan y presentan su plan a la clase.
- Los equipos construyen sus diseños.
- Pruebe los diseños del puente suspendiendo o pegando el puente 1 pie por encima del piso encima de las sillas / escritorios. Coloque el peso predeterminado en el puente durante un minuto completo.
- Los equipos deben documentar la cantidad de peso que podría soportar su puente y la cantidad de palitos de helado utilizados.
- Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
- Para obtener más contenido sobre el tema, consulte las secciones "Aplicaciones al Mundo Real" y "Explora Más".
Variación para estudiantes mayores
- Diseñe y construya un puente con palitos de helado y pegamento que pueda soportar el peso de:
- Dos estudiantes
- Tres estudiantes
- Recuerde tener en cuenta la seguridad, si prueba esta variación
Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)
- ¿Logró crear un puente que aguantara el peso requerido durante un minuto completo? Si no, ¿por qué falló?
- ¿Decidió revisar su diseño original mientras estaba en la fase de construcción? ¿Por qué?
- ¿Cuántos palitos de helado terminaste usando? ¿Este número difiere de su plan? Si es así, ¿qué cambió?
- ¿Cuál fue el puntaje estético promedio de su puente? ¿Cómo se compara esto con el resto de la clase? ¿Qué elementos de diseño de otros puentes te gustaron más?
- ¿Crees que ingenieros tienen que adaptar sus planes originales durante la construcción de sistemas o productos? ¿Por qué podrían hacerlo?
- Si tuvieras que hacerlo todo de nuevo, ¿cómo cambiaría tu diseño planificado? ¿Por qué?
- ¿Qué diseños o métodos viste que probaban otros equipos que creías que funcionaban bien?
- ¿Crees que hubiera podido completar este proyecto más fácilmente si estuvieras trabajando solo or sola? Explica…
- ¿Qué tipo de compensaciones crees que hacen los ingenieros entre funcionalidad, seguridad y estética al construir un puente real?
Modificación de Tiempo
La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.
Tipos de puentes
Hay seis tipos principales de puentes: arco, viga, atirantado, voladizo, colgante y truss.
Arco
Los puentes de arco tienen forma de arco y tienen pilares en cada extremo. Los primeros puentes de arco conocidos fueron construidos por los griegos e incluyen el puente Arkadiko. El peso del puente se inserta en los estribos a cada lado.
Manga
Los puentes de vigas son vigas horizontales sostenidas en cada extremo por pilares. Los primeros puentes de vigas eran troncos simples que se sentaban a lo largo de arroyos y estructuras simples similares. En los tiempos modernos, los puentes de vigas son puentes de vigas de acero de caja grande. El peso en la parte superior de la viga empuja hacia abajo los pilares en cada extremo del puente.
Atirantado
Al igual que los puentes colgantes, los puentes atirantados se sostienen mediante cables. Sin embargo, en un puente atirantado, se requiere menos cable y las torres que sostienen los cables son proporcionalmente más cortas.
Viga voladiza
Los puentes en voladizo se construyen utilizando voladizos: vigas horizontales que se apoyan en un solo extremo. La mayoría de los puentes en voladizo utilizan dos brazos en voladizo que se extienden desde lados opuestos del obstáculo que se va a cruzar y se encuentran en el centro.
Suspensión
Los puentes colgantes están suspendidos de cables. Los primeros puentes colgantes estaban hechos de cuerdas o enredaderas cubiertas con trozos de bambú. En los puentes modernos, los cables cuelgan de torres que están unidas a cajones o ataguías que están incrustados profundamente en el piso de un lago o río.
Braguero
Los puentes de celosía se componen de elementos conectados. Tienen una cubierta sólida y una celosía de vigas unidas a los lados. Los primeros puentes de celosía estaban hechos de madera, pero los puentes de celosía modernos están hechos de metales como el hierro forjado y el acero.
Puentes famosos
Firth of Forth Bridge, Escocia
El puente de Forth es un puente ferroviario en voladizo sobre el Firth of Forth en el este de Escocia. El puente se considera, incluso hoy, una maravilla de la ingeniería. Tiene 2.5 km (1.5 millas) de longitud y la vía doble se eleva 46 m (aproximadamente 150 pies) por encima de la marea alta. Consta de dos vanos principales de 1,710 m (520 pies), dos vanos laterales de 675 pies, 15 vanos de aproximación de 168 m (51 pies) y cinco de 25 m (7.6 pies). Cada tramo principal consta de dos brazos en voladizo de 680 m (210 pies) que sostienen un puente de vigas de 350 m (110 pies) central. Las tres grandes estructuras en voladizo de cuatro torres miden 340 m (104 pies) de altura, y cada pie de 70 m (21 pies) de diámetro descansa sobre una base separada. El grupo sur de cimientos tuvo que construirse como cajones bajo aire comprimido, a una profundidad de 90 pies (27 m). En su apogeo, aproximadamente 4,600 trabajadores se emplearon en su construcción.
Puente del puerto de Sydney, Australia
El Sydney Harbour Bridge es un puente de arco de acero sobre el puerto de Sydney que transporta trenes, vehículos y tráfico peatonal entre el distrito central de negocios de Sydney y el área de North Shore. La espectacular vista del puente, el puerto y la cercana Ópera de Sydney es una imagen icónica de Sydney y Australia. El puente fue diseñado y construido por Dorman Long and Co Ltd, de Middlesbrough, Teesside, Reino Unido, y fue la estructura más alta de la ciudad hasta 1967. Según Guinness World Records, es el puente de tramo largo más ancho del mundo y su puente de arco de acero más alto. , midiendo 134 metros (429.6 pies) desde la parte superior hasta el nivel del agua. También es el cuarto puente de arco transversal más largo del mundo. El arco está compuesto por dos armaduras de arco de 28 paneles. Sus alturas varían de 18 m (55.8 pies) en el centro del arco a 57 m (176.7 pies) (al lado de los pilones).
- Contrafuerte: Parte de una estructura que recibe presión
- Estético: Apreciación de una hermosa apariencia.
- Arco: Una forma curva. Un puente de arco tiene la forma de un arco y es naturalmente fuerte
- Manga: Pieza larga de madera o acero pesado, a menudo escuadrado, para uso en la construcción. Los puentes de vigas son vigas horizontales sostenidas en cada extremo por pilares.
- Cable: Una cuerda de alambre fuerte o una cadena de metal. Un puente atirantado está sostenido por cables.
- Viga voladiza: Vigas horizontales que se apoyan en un solo extremo. Los puentes en voladizo se construyen utilizando voladizos.
- Limitaciones: Limitaciones de material, tiempo, tamaño del equipo, etc.
- Criterios: Condiciones que debe cumplir el diseño como su tamaño total, etc.
- Carga critica: Peso al que falla un edificio o estructura
- certificados: Inventores y solucionadores de problemas del mundo. Se reconocen veinticinco especialidades importantes en ingeniería (ver infografía).
- Proceso de Diseño de Ingeniería: El proceso que utilizan los ingenieros para resolver problemas.
- Hábitos de la Mente de Ingeniería (HMI): Seis formas únicas de como piensan los ingenieros.
- Iteración: Probar y rediseñar es una iteración. Repetir (múltiples iteraciones).
- Carga: Un peso o una fuente de presión ejercida sobre un objeto.
- Prototipo: Un modelo de trabajo de la solución a probar.
- Lapso: La extensión o extensión entre apoyos
- Suspensión: Colgado en el aire. Los puentes colgantes están suspendidos de cables y tienden a ser largos.
- Estrés: Presión o tensión ejercida sobre un objeto material
Enlaces a Internet
Lectura Recomendada
- Puentes del mundo: su diseño y construcción (ISBN: 0486429954)
- Puentes: Estructuras asombrosas para diseñar, construir y probar (ISBN: 1885593309)
Actividad de Escritura
Escriba un ensayo o un párrafo sobre cómo los nuevos materiales de ingeniería han impactado el diseño de puentes durante el siglo pasado.
Alineación con los marcos curriculares
Nota: Los planes de lecciones de esta serie están alineados con uno o más de los siguientes conjuntos de estándares:
- Estándares de educación científica de EE. UU. (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Estándares de ciencia de la próxima generación de EE. UU. (http://www.nextgenscience.org/)
- Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Principios y estándares para las matemáticas escolares del Consejo Nacional de Profesores de Matemáticas de EE. UU. (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Estándares Estatales Básicos Comunes de EE. UU. Para Matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
- Estándares de Informática de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (de 4 a 9 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades de objetos y materiales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- La ciencia como esfuerzo humano
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (edades 10-14)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Movimientos y fuerzas
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Riesgos y beneficios
- Ciencia y tecnología en la sociedad
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Historia de la ciencia
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Movimientos y fuerzas
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Perspectivas historicas
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 3-5 (Edades 8-11)
Movimiento y estabilidad: fuerzas e interacciones
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 3-PS2-1. Planificar y realizar una investigación para proporcionar evidencia de los efectos de fuerzas equilibradas y desequilibradas en el movimiento de un objeto.
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- 3-5-ETS1-1. Defina un problema de diseño simple que refleje una necesidad o un deseo que incluya criterios específicos para el éxito y limitaciones de materiales, tiempo o costo.
- 3-5-ETS1-2. Genere y compare múltiples soluciones posibles a un problema basándose en qué tan bien es probable que cada una cumpla con los criterios y limitaciones del problema.
- 3-5-ETS1-3.Planificar y realizar pruebas justas en las que se controlen variables y se consideren puntos de falla para identificar aspectos de un modelo o prototipo susceptibles de mejora.
Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 6-8 (Edades 11-14)
Diseño de ingeniería
Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:
- MS-ETS1-1 Definir los criterios y limitaciones de un problema de diseño con suficiente precisión para asegurar una solución exitosa, teniendo en cuenta los principios científicos relevantes y los impactos potenciales en las personas y el medio ambiente natural que pueden limitar las posibles soluciones.
- MS-ETS1-2 Evaluar las soluciones de diseño de la competencia mediante un proceso sistemático para determinar qué tan bien cumplen con los criterios y limitaciones del problema.
Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades
La naturaleza de la tecnología
- Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
Tecnología y Sociedad
- Estándar 4: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos culturales, sociales, económicos y políticos de la tecnología.
- Estándar 5: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos de la tecnología en el medio ambiente.
- Estándar 6: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la sociedad en el desarrollo y uso de la tecnología.
- Estándar 7: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de la influencia de la tecnología en la historia.
Diseño
- Estándar 8: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los atributos del diseño.
- Estándar 9: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del diseño de ingeniería.
- Estándar 10: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la resolución de problemas, la investigación y el desarrollo, la invención y la innovación y la experimentación en la resolución de problemas.
Habilidades para un mundo tecnológico
- Estándar 11: Los estudiantes desarrollarán habilidades para aplicar el proceso de diseño.
El mundo diseñado
- Estándar 20: Los estudiantes desarrollarán una comprensión y serán capaces de seleccionar y utilizar tecnologías de construcción.
Ingeniería IndustrialFormas parte de un equipo de ingenieros a los que se les ha planteado el desafío de diseñar un puente con hasta 200 palitos de helado y pegamento. Los puentes deben poder soportar un peso específico (su maestro decidirá cuál será el objetivo de peso para su equipo). El puente debe tener al menos 14 pulgadas de largo. Sin embargo, debe tener más de 14 pulgadas porque cuando se haya construido, se colocará entre dos sillas para que esté al menos a un pie sobre el piso para una prueba de carga de peso. Además de cumplir con los requisitos estructurales y de soporte de peso, el puente también será juzgado por su estética, ¡así que sea creativo! Y, se le anima a utilizar la menor cantidad de paletas heladas posible para lograr su objetivo.
Etapa de Planificación
Reúnase en equipo y discuta el problema que necesita resolver. Luego, desarrolle y acuerde un diseño para su puente. Deberá determinar cuántos palitos de helado utilizará (hasta 200) y los pasos que seguirá en el proceso de fabricación. Piense en qué patrones podrían ser los más fuertes ... ¡pero también se le está juzgando por la estética de su puente! Dibuje su diseño en el cuadro a continuación y asegúrese de indicar la cantidad de palos que anticipa usar. Presente su diseño a la clase. Puede optar por revisar el plan de sus equipos después de recibir comentarios de la clase.
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Número de palitos de helado que anticipa usar:
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Fase de Construcción
Construye tu puente. Durante la construcción, puede decidir que necesita palos adicionales (hasta 200) o que su diseño debe cambiar. Esto está bien, simplemente haga un nuevo boceto y revise su lista de materiales.
Voto estético
Cada estudiante emitirá un voto sobre el aspecto de cada puente. La escala es 1 - 5 - (1: nada atractivo; 2: nada atractivo; 3: neutral / promedio; 4: algo atractivo; 5: muy atractivo). Este número se promedia para generar una puntuación para cada puente. Este puntaje no se basa en qué tan bien el puente podría soportar el peso, sino en cómo se ve.
Fase de prueba
Cada equipo probará su puente para ver si puede soportar el peso requerido durante al menos un minuto completo. Asegúrese de ver las pruebas de los otros equipos y observe cómo funcionaron sus diferentes diseños.
Fase de Evaluación
Evalúen los resultados de sus equipos, completen la hoja de trabajo de evaluación y presenten sus hallazgos a la clase.
Utilice esta hoja de trabajo para evaluar los resultados de su equipo:
1) ¿Logró crear un puente que sostuvo el peso requerido durante un minuto completo? Si no, ¿por qué falló?
2) ¿Decidió revisar su diseño original durante la fase de construcción? ¿Por qué?
3) ¿Cuántos palitos de helado terminaste usando? ¿Este número difiere de su plan? Si es así, ¿qué cambió?
4) ¿Cuál fue el puntaje estético promedio de su puente? ¿Cómo se comparó con el resto de la clase? ¿Qué elementos de diseño de otros puentes te gustaron más?
5) ¿Creen que los ingenieros deben adaptar sus planes originales durante la construcción de sistemas o productos? ¿Por qué podrían hacerlo?
6) Si tuvieran que hacerlo todo de nuevo, ¿cómo cambiaría su diseño planificado? ¿Por qué?
7) ¿Qué diseños o métodos viste que probaron otros equipos que pensaste que funcionaban bien?
8) ¿Crees que hubieras podido completar este proyecto más fácilmente si estuvieras trabajando solo o sola? Explica…
9) ¿Qué tipo de compensaciones crees que hacen los ingenieros entre funcionalidad, seguridad y estética al construir un puente real?
