Prendere il volo!
Questa lezione esplora come sia possibile il volo e come gli ingegneri abbiano migliorato i design ei materiali degli alianti per migliorare la precisione e la distanza del volo. Gli studenti costruiscono e testano i propri alianti con materiali semplici.
- Scopri le forze che incidono sul volo.
- Ulteriori informazioni su progettazione, test e risoluzione dei problemi di progettazione.
- Scopri come l'ingegneria può aiutare a risolvere le sfide della società.
- Informazioni sul lavoro di squadra e sulla risoluzione dei problemi.
Livelli di età: 8 - 12
Materiali di costruzione (squadre da selezionare)
Materiali richiesti
- Cartone / cartoncino
- Tubi di cartone (tovaglioli di carta, carta igienica)
- Bastoncini per ghiaccioli / Legno di balsa / Palette per pittura
- Fogli di schiuma artigianale / vassoi di schiuma
- Graffette / elastici
- Foil Jersey
Materiali di peso
- Monete / Rocce / Argilla / mastice
Materiali di prova
- Nastro di misurazione
- Box, goal o panchina per il bersaglio
- Una palestra o una bella giornata - da provare all'aperto!
Materiali
- Nastro di misurazione
- Box, goal o panchina per il bersaglio
- Una palestra o una bella giornata da provare all'aperto!
Processi
- Ogni squadra metterà alla prova il proprio progetto facendo volare il proprio aliante da un punto di partenza a un bersaglio a quindici piedi di distanza. Misura e registra la distanza percorsa con successo da ogni aliante.
- Per il test di volo, identifica un bersaglio grande come una scatola, una porta o una panchina in modo che gli alianti volino via dagli studenti. Una persona obiettiva dovrebbe "pilotare" ogni aliante in modo che la forza del lancio sia coerente. Ogni aereo sarà testato tre volte con la distanza più lontana dei tre utilizzata per determinare la squadra vincente.
- Documentare la distanza percorsa e tracciare la traiettoria di volo di ciascuna prova.
Impara le basi di come funziona una vela. (Video 1:00)
https://nj.pbslearningmedia.org/resource/arct14.sci.dsattack/how-does-a-glider-work/
Fonte: sito web PBS Learning Media - Design Squad Nation
Ci sono 4 forze che influenzano il modo in cui le cose volano (peso, portanza, resistenza e spinta). Guarda come lavorano insieme per produrre il volo. (Video 1:12)
Fonte: canale YouTube Smithsonian Education
Sapevi che c'è un campionato mondiale di aeroplani di carta? È vero! La Red Bull sponsorizza il campionato ogni anno. Forse potresti essere uno dei prossimi concorrenti. (Filmato 3:49)
Fonte: canale YouTube Red Bull
Design Challenge
Sei un team di ingegneri che ha la sfida di creare un aliante con materiali semplici che possano volare il più dritto possibile verso un bersaglio che si trova a quindici piedi di distanza.
Criteri
- L'aliante deve volare il più dritto possibile verso un bersaglio che si trova a quindici piedi di distanza.
vincoli
- Può utilizzare solo i materiali forniti.
- I materiali non utilizzati possono essere condivisi con altre squadre o i materiali possono essere scambiati.
- Suddividi la classe in squadre di 2-4.
- Distribuisci il foglio di lavoro Take Flight e alcuni fogli di carta per disegnare i disegni.
- Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base.
- Rivedi il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali. Se il tempo lo consente, rivedere "Applicazioni del mondo reale" prima di condurre la sfida di progettazione.
- Prima di istruire gli studenti a iniziare il brainstorming e ad abbozzare i loro progetti, chiedi loro di considerare quanto segue:
● Tre parti principali di un aliante: le ali, il corpo (o fusilagine) e la coda
● Bilanciamento delle 4 forze che influiscono sul volo: spinta, peso, portanza e resistenza
● Come il "peso" del tuo progetto è compensato dal "sollevamento"
● Se è necessario uno stabilizzatore sulla coda o un peso extra nella parte anteriore per migliorare la stabilità - Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
- Spiega che gli studenti devono sviluppare un aliante da oggetti di uso quotidiano e che l'aliante deve essere in grado di volare il più dritto possibile verso un bersaglio che si trova a quindici piedi di distanza.
- Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata).
- Usa un timer o un file cronometro in linea (funzione di conto alla rovescia) per assicurarti di mantenere il tempo. Dare agli studenti regolari "controlli del tempo" in modo che rimangano sul compito. Se hanno difficoltà, fai domande che li porteranno a una soluzione più rapida.
- Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per il loro aliante. Concordano i materiali di cui avranno bisogno, scrivono / disegnano il loro piano e presentano il loro piano alla classe. I team possono scambiare materiali illimitati con altri team per sviluppare il loro elenco di parti ideali.
- I team costruiscono i loro progetti.
- Metti alla prova i progetti dell'aliante facendo volare ogni aliante da un punto di partenza a un bersaglio a quindici piedi di distanza. Misura e registra la distanza percorsa con successo da ogni aliante.
- Le squadre dovrebbero documentare la distanza percorsa e tracciare la traiettoria di volo di ogni prova.
- In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
- Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere le sezioni "Applicazioni del mondo reale" e "Scavare più a fondo".
Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)
- Quanto era simile il tuo aliante finale al tuo modello di design originale?
- Se hai riscontrato la necessità di apportare modifiche durante la fase di costruzione, descrivi perché il tuo team ha deciso di apportare delle revisioni.
- Hai riscontrato la necessità di aggiungere ulteriori materiali durante la costruzione? Cosa hai aggiunto e perché?
- Pensi che gli ingegneri cambino spesso i loro piani originali durante la fase di sviluppo della produzione? In che modo pensi che ciò possa influire su un budget di progettazione o produzione pianificato?
- Come hai deciso quali materiali selezionare per la costruzione finale? Cosa c'era nei materiali che pensavi potessero aiutare il tuo aliante a volare?
- Come hai deciso la forma delle parti della tua vela? Qual era la forma di ogni parte che pensavi potesse aiutare il tuo aliante a volare?
Modifica dell'ora
La lezione può essere svolta in un solo periodo di lezione per gli studenti più grandi. Tuttavia, per aiutare gli studenti a non sentirsi di fretta e per assicurarne il successo (specialmente per gli studenti più giovani), dividi la lezione in due periodi dando agli studenti più tempo per fare brainstorming, testare le idee e finalizzare il loro progetto. Condurre il test e il debriefing nel prossimo periodo di lezione.
Quali forze impattano il volo?
Ci sono quattro forze che influenzano il volo: peso, portanza, resistenza e spinta. Tutte e quattro le forze devono essere prese in considerazione quando si progetta e si costruisce un aliante o un aeroplano. In volo, ogni forza ha una forza opposta che lavora contro di essa.
Tutto ha peso, che è il risultato delle forze gravitazionali. I materiali selezionati per il design di una vela avranno un peso che dovrà essere compensato da "Lift" per poter volare.
Sollevamento è una forza aerodinamica che aiuta a contrastare il peso. Più un oggetto è pesante, più è difficile per l'ascensore lavorare contro di esso e raggiungere il volo. Ma il movimento in avanti (velocità) o spinta di un aereo attraverso l'aria insieme alla forma dell'aereo e delle sue parti, in particolare le sue ali, influenzano tutte quanto sarà forte la forza di portanza! Molte ali hanno una forma curva nella parte superiore e sono più piatte nella parte inferiore, quindi l'aria si muove più velocemente sopra. Quando l'aria si muove più velocemente, la pressione dell'aria diminuisce. Se la pressione sulla parte superiore dell'ala è inferiore alla pressione sulla parte inferiore dell'ala, la differenza di pressione aiuta a sollevare l'ala in aria.
L'ultima delle quattro forze che influenzano il volo è trascinare….e questa forza lavora per rallentare un aliante o un aereo. La resistenza è una forza che agisce in modo opposto al movimento relativo di qualsiasi oggetto in movimento rispetto all'aria (o all'acqua!) Circostante. Ad esempio, il trascinamento agisce in direzione opposta alla direzione di movimento di un oggetto come un'auto, una bicicletta, un aeroplano, un aliante o lo scafo di una barca. È influenzato dalla forma e dalla selezione del materiale di un aereo o di una barca, nonché da altri fattori, inclusa l'umidità dell'aria. È anche influenzato dalla spinta o dalla velocità del velivolo ... maggiore è la spinta, maggiore è la resistenza.
Nel caso dell'aliante da costruire come parte di questa lezione ... la spinta è generata dalla persona che spingerà il tuo aereo in aria durante il test! Per un aereo a motore, è il motore che fornisce la propulsione e la potenza per muoversi nell'aria. Un aereo può avere diversi motori per generare spinta e il design del motore influisce anche sul modo in cui viene spostata l'aria circostante, che a sua volta influisce sulla spinta e sulla resistenza.
Tutte le forze che influenzano il volo sono correlate. Il modo in cui vola un aereo dipende dalla forza e dalla direzione di tutte e quattro le forze! Se tutti sono in equilibrio, un aereo si muoverà a velocità costante. Se ci sono squilibri, l'aereo si muoverà nella direzione di quella forza ... per esempio, se il peso supera il sollevamento, l'aereo si muoverà verso il basso.
Un aereo sale se le forze di portanza e spinta sono più forti della gravità e della resistenza. Se la gravità e la resistenza sono più forti della portanza e della spinta, l'aereo precipita.
I fratelli Wright
Orville Wright (19 agosto 1871 - 30 gennaio 1948, a sinistra) e Wilbur Wright (16 aprile 1867 - 30 maggio 1912, a destra), erano due fratelli e pionieri dell'aviazione che sono generalmente accreditati per aver inventato, costruito e pilotato il primo aereo di successo al mondo. Fecero il primo volo controllato e sostenuto di un aereo a motore più pesante dell'aria il 17 dicembre 1903, vicino a Kitty Hawk, nella Carolina del Nord, negli Stati Uniti. Nel 1904-05 i fratelli svilupparono ulteriormente la loro macchina volante nel primo pratico velivolo ad ala fissa. Sebbene non siano i primi a costruire e pilotare velivoli sperimentali, i fratelli Wright furono i primi a inventare e mettere a punto i controlli degli aerei che rendevano possibile il volo a motore ad ala fissa.
La vera svolta dei fratelli è stata la loro invenzione del controllo a tre assi, che ha permesso a un pilota di guidare l'aereo e mantenere l'equilibrio, o equilibrio. Questo metodo rimane ancora lo standard per tutti i tipi di velivoli ad ala fissa. Mentre altri dell'epoca si stavano concentrando sulla creazione di motori più potenti, i fratelli Wright pensavano che trovare un modo per controllare un aereo fosse la sfida più urgente.
Utilizzando una piccola galleria del vento costruita in casa, i fratelli hanno testato e riprovato le loro idee e progetti. Hanno raccolto molti dati che li hanno aiutati a progettare e costruire ali ed eliche più efficienti che potevano essere controllate. Il loro primo brevetto statunitense, 821,393, non rivendicava l'invenzione di una macchina volante, ma piuttosto l'invenzione di un "sistema di controllo aerodinamico che manipolava le superfici di una macchina volante".
Hanno acquisito l'esperienza e le competenze essenziali per il loro successo lavorando con macchine da stampa, biciclette, motori e altre macchine. Il loro lavoro con le biciclette in particolare ha influenzato la loro convinzione che un veicolo instabile come una macchina volante potesse effettivamente essere controllato ed equilibrato con la pratica!
Dal 1900 fino ai loro primi voli a motore alla fine del 1903, condussero ampi test di aliante che svilupparono anche le loro capacità di piloti.
Maggiori dettagli sul processo di invenzione dei fratelli Wright sono disponibili su https://wright.nasa.gov/overview.htm.
- Aerodinamico: Le qualità di un oggetto che influenzano la facilità con cui è in grado di muoversi nell'aria.
- vincoli: Limitazioni con materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
- Criteri: Condizioni che il design deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
- Trascinare: Una forza che agisce in modo opposto al movimento relativo di qualsiasi oggetto in movimento rispetto all'aria circostante.
- Ingegneri: Inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque principali specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
- Processo di progettazione ingegneristica: Gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi.
- Abitudini mentali ingegneristiche (EHM): Sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
- Iterazione: Test e riprogettazione è un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
- Sollevamento: Una forza aerodinamica che aiuta a contrastare il peso. Più un oggetto è pesante, più è difficile per l'ascensore lavorare contro di esso e raggiungere il volo.
- Pressione: L'applicazione della forza a qualcosa da qualcos'altro a diretto contatto con essa.
- Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
- Spinta: Il movimento in avanti (velocità) o spinta di un aereo nell'aria insieme alla forma dell'aereo e delle sue parti.
- Velocità: Quanto velocemente un oggetto si sta muovendo in una particolare direzione.
- Peso: Tutto ha un peso, che è il risultato delle forze gravitazionali. I materiali selezionati per il design di una vela avranno un peso che dovrà essere compensato dalla "portanza" per poter volare.
Connessioni Internet
lettura consigliata
- Aereo a reazione: come funziona, David Macaulay (ISBN: 978-1626722118)
- Il grande libro degli aeroplani, DK (ISBN: 978-1465445070)
- Volo, DK (ISBN: 978-0756673178)
Attività di scrittura
Scrivi un saggio o un paragrafo su come è cambiata la tecnologia degli alianti negli ultimi cento anni. Oppure scrivi un saggio su come pensi che il mondo sia stato influenzato dal fatto che le persone possono volare.
Allineamento ai Curriculum Frameworks
Nota: I piani delle lezioni di questa serie sono allineati a uno o più dei seguenti gruppi di standard:
- Standard statunitensi per l'educazione scientifica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Standard scientifici di nuova generazione degli Stati Unitihttp://www.nextgenscience.org/)
- Standards for Technological Literacy della International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Principi e standard del Consiglio nazionale degli insegnanti di matematica degli Stati Uniti per la matematica scolastica (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- US Common Core State Standards for Mathematics (http://www.corestandards.org/Math)
- Associazione degli insegnanti di informatica K-12 Standard di informatica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Standard scientifici di nuova generazione (classi 3-5)
Gli studenti che dimostrano comprensione possono:
- 3-PS2-1. Pianificare e condurre un'indagine per fornire prove degli effetti di forze bilanciate e sbilanciate sul movimento di un oggetto.
- 3-PS2-2. Effettuare osservazioni e / o misurazioni del movimento di un oggetto per fornire prove che un modello può essere utilizzato per prevedere il movimento futuro.
- 3-5-ETS1-1. Definire un semplice problema di progettazione che rifletta un'esigenza o un desiderio che includa criteri specifici per il successo e vincoli su materiali, tempi o costi.
- 3-5-ETS1-2. Genera e confronta più possibili soluzioni a un problema in base alla probabilità che ciascuna di esse soddisfi i criteri e i vincoli del problema.
- 3-5-ETS1-3. Pianificare ed eseguire test equi in cui le variabili sono controllate e i punti di guasto sono considerati per identificare aspetti di un modello o prototipo che possono essere migliorati.
- 5-PS2-1. Supporta l'argomento secondo cui la forza gravitazionale esercitata dalla Terra sugli oggetti è diretta verso il basso.
US Common Core State Standards for Mathematics (classi 3-5)
- Terza elementare: rappresentazione e interpretazione dei dati (CCSS.MATH.CONTENT.3.MD.B.4)
- Quarta elementare: rappresentare e interpretare i dati (CCSS.MATH.CONTENT.4.MD.B.4)
- Quinta elementare: rappresentare e interpretare i dati (CCSS.MATH.CONTENT.5.MD.B.2)
Standard per l'alfabetizzazione tecnologica della International Technology Education Association (classi 3-5)
- Capitolo 8 - Gli attributi del design
- Definizioni di design
- Requisiti di progettazione
- Capitolo 9 - Progettazione ingegneristica
- Processo di progettazione ingegneristica
- Creatività e considerazione di tutte le idee
- Modelli
- Capitolo 10 - Il ruolo della risoluzione dei problemi, della ricerca e sviluppo, dell'invenzione e della sperimentazione nella risoluzione dei problemi
- Troubleshooting
- Invenzione e innovazione
- Sperimentazione
- Capitolo 11 - Applicare il processo di progettazione
- Raccogliere informazioni
- Visualizza una soluzione
- Prova e valuta le soluzioni
- Migliora un design
