Giocare con i paracadute

Questa lezione si concentra sul design dei paracadute. Squadre di studenti costruiscono paracadute con materiali di uso quotidiano. Quindi testano i loro paracadute per determinare se possono trasportare una rondella di metallo a un bersaglio a terra con la velocità di discesa più lenta possibile.

Progetta e costruisci un paracadute
Testa e perfeziona i loro progetti
Comunicare il processo di progettazione e i risultati

Livelli di età: 8-18

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Materiali e preparazione

Materiali di costruzione (per ogni squadra)

Materiali richiesti (negoziazione / tabella delle possibilità)

Gomitolo
Sacchetti di plastica per la spazzatura
Shopper in plastica
Fogli di carta
Filtri per caffè
Quotidiani
Foglio di alluminio
Rondelle in metallo (diametro 3 cm)

Materiali di prova

Metro o nastro adesivo
Piccola scala
Stringa / nastro
Piatto di carta

Materiali e processi di prova

Materiali

Metro o nastro di misurazione
Piccola scala
Stringa / nastro
Piatto di carta

Processo

Crea un bersaglio rotondo di 10 cm sul pavimento con nastro adesivo, spago oppure puoi usare un piatto di carta. Usa una piccola scala per far cadere i paracadute da un'altezza di 2 metri. L'altezza di caduta deve essere misurata dal bordo inferiore della rondella (appesa al paracadute).

Sfida di progettazione ingegneristica

Design Challenge

Sei un team di ingegneri a cui è stata affidata la sfida di progettare un paracadute con oggetti di uso quotidiano. La tua sfida è progettare un paracadute in grado di trasportare una rondella metallica a terra da un'altezza di 2 metri e colpire un bersaglio rotondo di 10 centimetri con la velocità di discesa più lenta possibile.

Criteri

Deve portare una rondella metallica a terra da un'altezza di 2 metri e colpire un bersaglio di 10 centimetri con la velocità di discesa più lenta possibile.

vincoli

Utilizzare solo i materiali forniti.
Le squadre possono scambiare materiali illimitati.

Istruzioni e procedure per l'attività

Suddividi la classe in squadre di 2-3.
Distribuisci il foglio di lavoro Progetta un paracadute e alcuni fogli di carta per disegnare i disegni.
Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base.
Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali.
Istruire gli studenti a iniziare il brainstorming e ad abbozzare i loro progetti.
Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
Spiega che gli studenti devono sviluppare il proprio paracadute funzionante da oggetti di uso quotidiano che possono trasportare una rondella metallica a terra da un'altezza di 2 metri. Il paracadute deve colpire un bersaglio di 10 centimetri di diametro con la velocità di discesa più lenta.
Prima che gli studenti inizino a costruire, valuta la possibilità di discutere di come funziona un paracadute e di cosa rende unico il design.
Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata). Ricorda agli studenti di tenere presente che più tempo impiega il loro paracadute per colpire il bersaglio, meglio è.
Usa un timer o un cronometro in linea (funzione di conto alla rovescia) per assicurarti di rimanere puntuale. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dare agli studenti regolari "controlli del tempo" in modo che rimangano concentrati. Se hanno difficoltà, fai domande che li porteranno a una soluzione più rapida.
Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per il loro paracadute. 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.
Prova i modelli del paracadute. Ogni squadra avrà 4 possibilità di testare il proprio design. Crea un bersaglio rotondo di 10 cm sul pavimento con nastro adesivo, spago oppure puoi usare un piatto di carta. Usa una piccola scala per far cadere i paracadute da un'altezza di 2 metri. L'altezza di caduta deve essere misurata dal bordo inferiore della rondella (appesa al paracadute).
Per ciascuno dei 4 test, le squadre dovrebbero documentare il tempo impiegato dal loro paracadute per colpire il bersaglio e la distanza in cui è atterrato dal bersaglio. Dovrebbero quindi calcolare la velocità (altezza di caduta di 2 metri divisa per il tempo di caduta). La media di 4 prove è considerata il punteggio finale.
In classe, discuti le domande di riflessione degli studenti.
Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".

Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)

Sei riuscito a creare un paracadute che potesse colpire il bersaglio? In tal caso, qual è stata la tua velocità di discesa più lenta? In caso contrario, perché ha fallito?
Hai deciso di rivedere il tuo progetto originale o di richiedere materiali aggiuntivi durante la fase di costruzione? Perché?
Hai negoziato scambi di materiale con altre squadre? Come ha funzionato questo processo per te?
Se avessi potuto avere accesso a materiali diversi da quelli forniti, cosa avrebbe richiesto il tuo team? Perché?
Pensi che gli ingegneri debbano adattare i loro progetti originali durante la costruzione di sistemi o prodotti? Perché potrebbero?
Se dovessi rifare tutto da capo, come cambierebbe il tuo design pianificato? Perché?
Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?
Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se lavorassi da solo? Spiegare…
Che tipo di modifiche pensi che dovresti apportare al tuo progetto se avessi bisogno di trasportare un carico utile più pesante? Provalo!

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.

Processo di progettazione ingegneristica

Concetti di base

Storia dei paracadute

I paracadute sono dispositivi utilizzati per rallentare il movimento degli oggetti. I paracadute vengono generalmente utilizzati per rallentare il movimento di oggetti in caduta, ma possono anche essere utilizzati per rallentare oggetti in movimento orizzontalmente come le auto da corsa. Si ritiene che la parola paracadute sia di origine francese che combina le parole para, (una parola francese con radici greche) che significano scivolo per proteggere dalla caduta. Il paracadute moderno si è evoluto nel corso di diversi secoli. Si ritiene che gli acrobati cinesi usassero i paracadute nei loro atti già nel 1300. Leonardo DaVinci ha abbozzato i progetti per un paracadute a forma di piramide nella metà del XV secolo. La prima volta che un uomo ha effettivamente tentato un paracadute fu a metà del XVI secolo da Faust Vrancic, un inventore croato. Ha chiamato la sua invenzione Homo Volans o l'uomo volante. Effettivamente testò il suo paracadute nel 15 lanciandosi da una torre a Venezia. Andrew Garnerin è stata la prima persona su record ad utilizzare un paracadute che non possedeva un telaio rigido. Ha usato il suo paracadute per saltare fuori dalle mongolfiere da un'altezza di 16 piedi! È stata anche la prima persona a includere uno sfiato nel baldacchino per ridurre l'instabilità. I paracadute che conosciamo oggi con maggiore dimestichezza non hanno cominciato a prendere forma fino al XVIII secolo.

Parti di un paracadute

La parte superiore del paracadute è conosciuta come il baldacchino. Storicamente, i baldacchini erano fatti di seta, ma ora sono solitamente realizzati in tessuto di nylon. A volte la vela ha un foro o uno sfiato al centro per scaricare la pressione. Quando un paracadute è alloggiato in un contenitore come uno zaino, può consistere in un baldacchino principale e un altro baldacchino più piccolo noto come scivolo pilota. Lo scivolo pilota esce per primo dal container e serve per aprire il tettuccio principale. Una serie di linee collega la capottina allo zaino. Le linee sono raccolte tramite collegamenti in metallo o tela attaccati a cinghie spesse note come bretelle. Le bretelle vengono quindi collegate a un'imbracatura se il paracadute deve essere utilizzato da una persona.

Tipi di paracadute

Esistono molti tipi diversi di paracadute. Ecco alcuni dei più comuni disegni di paracadute.

Paracadute rotondo: il paracadute con cui la maggior parte delle persone ha familiarità è il paracadute rotondo. Il paracadute rotondo è caratterizzato da un baldacchino circolare.
Paracadute quadrato: Il paracadute quadrato o cruciforme possiede un baldacchino di forma quadrata. I paracadute quadrati sono utili perché riducono lo spintone dell'utente e hanno una velocità di discesa più lenta; ridurre gli infortuni.
Paracadute ad aria compressa: la maggior parte dei paracadute destinati all'uso da parte delle persone che vediamo oggi sono paracadute ad aria compressa. La vela in un paracadute di tipo ariete è composta da 2 strati di materiale che vengono cuciti insieme per formare celle piene d'aria.
Paracadute a nastro e ad anello: utilizzato a velocità supersoniche.

Legge dei corpi cadenti

Galileo Galilei (1564-1642) è stato un astronomo e fisico italiano. Galileo condusse molte ricerche sul movimento e sviluppò quella che è nota come la legge dei corpi cadenti. Questa legge afferma che tutti gli oggetti indipendentemente dalla loro massa cadono alla stessa velocità e che la loro velocità aumenta in modo uniforme man mano che cadono. I calcoli di Galileo, tuttavia, non hanno preso in considerazione la resistenza dell'aria. Il trascinamento, o la forza che si oppone al movimento di un oggetto, gioca un ruolo significativo nel movimento di un paracadute in caduta.

Leggi del moto di Newton

Sir Isaac Newton (1642-1727) è stato un brillante matematico, astronomo e fisico considerato una delle figure più influenti della storia umana. Newton ha studiato un'ampia varietà di fenomeni durante la sua vita, uno dei quali includeva il movimento di oggetti e sistemi. Sulla base delle sue osservazioni ha formulato tre leggi del moto che sono state presentate come Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica nel 1686.

Prima legge di Newton - Un oggetto a riposo rimarrà a riposo e un oggetto in movimento rimarrà in movimento a una velocità costante a meno che non venga influenzato da una forza sbilanciata (come attrito o gravità). Questa è anche nota come legge di inerzia.
Seconda legge di Newton - L'accelerazione di un oggetto è direttamente proporzionale alla forza netta che agisce su di esso e inversamente proporzionale alla sua massa. La direzione dell'accelerazione è nella direzione della forza netta applicata. La seconda legge di Newton può essere espressa come: F = ma
Terza legge di Newton - Per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria.

Gravità

Il lavoro di Newton sullo sviluppo delle leggi del moto lo ha portato a formulare la Legge di Gravitazione Universale. La legge afferma che due corpi si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. Possiamo usare la seguente equazione per calcolare la forza di gravità con cui un oggetto viene attratto dalla Terra: FG = mg

m = massa dell'oggetto

g = l'accelerazione di gravità

Vocabolario

Rosone: parte superiore del paracadute.
Vincoli: limitazioni relative a materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
Discesa: L'atto o il processo di andare verso il basso
Ingegneri: inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque grandi specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
Processo di progettazione ingegneristica: gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi.
Engineering Habits of Mind (EHM): sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
Iterazione: test e riprogettazione sono un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
Paracadute: dispositivi utilizzati per rallentare il movimento degli oggetti. I paracadute vengono generalmente utilizzati per rallentare il movimento di oggetti in caduta, ma possono anche essere utilizzati per rallentare oggetti in movimento orizzontale come le auto da corsa.
Carico utile: peso trasportato da un veicolo, aereo o veicolo spaziale.
Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
Paracadute ad aria compressa: la maggior parte dei paracadute destinati all'uso da parte delle persone che vediamo oggi sono paracadute ad aria compressa. La vela in un paracadute di tipo ariete è composta da 2 strati di materiale che vengono cuciti insieme per formare celle piene d'aria.
Paracadute a nastro e ad anello: utilizzato a velocità supersoniche.
Paracadute rotondo: il paracadute con cui la maggior parte delle persone ha familiarità è il paracadute rotondo. Il paracadute rotondo è caratterizzato da un baldacchino circolare.
Paracadute quadrato: Il paracadute quadrato o cruciforme possiede un baldacchino di forma quadrata. I paracadute quadrati sono utili perché riducono lo spintone dell'utente e hanno una velocità di discesa più lenta; ridurre gli infortuni.

Dig Deeper

Connessioni Internet

lettura consigliata

Il baldacchino di seta: Storia del paracadute (ISBN: 978-1853108556)
Sky People: A History of Parachuting (ISBN: 978-1853108693)

Attività di scrittura

Ricerca il paracadute conico di Leonardo DaVinci e confrontalo e confrontalo con i moderni modelli di paracadute.

Allineamento del curriculum

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 nazionali per l'educazione scientifica Gradi K-4 (età 4-9)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

Abilità necessarie per fare ricerca scientifica

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di

Proprietà di oggetti e materiali
Posizione e movimento degli oggetti

CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

La scienza come impresa umana

Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 5-8 (età 10-14)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

Abilità necessarie per fare ricerca scientifica

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di

Movimenti e forze

CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

Scienza e tecnologia nella società

CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

Storia della scienza

Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 9-12 (età 14-18)

CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi

Abilità necessarie per fare ricerca scientifica

CONTENUTO STANDARD B: Scienze fisiche

Come risultato delle loro attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

Movimenti e forze

CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di

Scienza e tecnologia nelle sfide locali, nazionali e globali

Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 9-12 (età 14-18)

CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza

Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione delle prospettive storiche

Storia della scienza

Next Generation Science Standards Grades 2-5 (Age 7-11)

Materia e sue interazioni

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

2-PS1-2. Analizza i dati ottenuti dal test di materiali diversi per determinare quali materiali hanno le proprietà più adatte allo scopo previsto.

Energia

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

4-PS3-1. Usa le prove per costruire una spiegazione che collega la velocità di un oggetto all'energia di quell'oggetto.

Progettazione ingegneristica

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

3-5-ETS1-1 Definire un semplice problema di progettazione che rifletta un bisogno o un desiderio che includa criteri specifici per il successo e vincoli su materiali / tempo / costo.
3-5-ETS1-2. Genera e confronta più possibili soluzioni a un problema in base alla probabilità che ciascuna di esse soddisfi i criteri / 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 gli aspetti di un modello o prototipo che possono essere migliorati.

Next Generation Science Standards Grades 6-8 (Age 11-14)

Progettazione ingegneristica

Gli studenti che dimostrano comprensione possono:

MS-ETS1-1 Definire i criteri ei vincoli di un problema di progettazione con sufficiente precisione per garantire una soluzione di successo, tenendo conto dei principi scientifici pertinenti e dei potenziali impatti sulle persone e sull'ambiente naturale che possono limitare le possibili soluzioni.
MS-ETS1-2 Valuta soluzioni di progettazione concorrenti utilizzando un processo sistematico per determinare quanto soddisfano i criteri e i vincoli del problema.

Principi e standard per la matematica scolastica (età 11-14)

Standard di misurazione

-Applicare tecniche, strumenti e formule appropriati per determinare le misurazioni.

risolvere semplici problemi che coinvolgono velocità e misurazioni derivate per attributi come velocità e densità.

Principi e standard per la matematica scolastica (età 14-18)

Standard di misurazione

- Applicare tecniche, strumenti e formule appropriati per determinare le misurazioni.

analizzare la precisione, l'accuratezza e l'errore approssimativo nelle situazioni di misurazione.

Common Core State Standards for School Mathematics Grades 2-8 (età 7-14)

Misurazione e dati

Misura e stima le lunghezze in unità standard.
CCSS.Contenuto.matematico.2.MD.A.1 Misura la lunghezza di un oggetto selezionando e utilizzando strumenti appropriati come righelli, indicatori di livello, bastoncini e nastri di misurazione.
CCSS.Contenuto.matematico.2.MD.A.3 Stimare le lunghezze utilizzando unità di pollici, piedi, centimetri e metri.

Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età

Design

Standard 8: gli studenti svilupperanno una comprensione degli attributi del design.
Standard 9: gli studenti svilupperanno una comprensione della progettazione ingegneristica.
Standard 10: Gli studenti svilupperanno una comprensione del ruolo della risoluzione dei problemi, ricerca e sviluppo, invenzione e innovazione e sperimentazione nella risoluzione dei problemi.

Foglio di lavoro per studenti

Sei un team di ingegneri a cui è stata affidata la sfida di progettare un paracadute con oggetti di uso quotidiano. La tua sfida è progettare un paracadute in grado di trasportare una rondella metallica a terra da un'altezza di 2 m e colpire un bersaglio di 10 cm con la velocità di discesa più lenta possibile. Il paracadute che può colpire il bersaglio con la velocità di discesa più lenta è il vincitore.

Fase di pianificazione

Incontra una squadra e discuti il problema che devi risolvere. Quindi sviluppa e concorda un design per il tuo paracadute. Dovrai determinare quali materiali desideri utilizzare.

Disegna il tuo disegno nella casella sottostante e assicurati di indicare la descrizione e il numero di parti che intendi utilizzare. Presenta il tuo design alla classe.

Puoi scegliere di rivedere il piano delle tue squadre dopo aver ricevuto feedback dalla classe.

Design:

Materiale necessario:

Fase di costruzione

Costruisci il tuo paracadute. Durante la costruzione potresti decidere di aver bisogno di materiali aggiuntivi o che il tuo progetto deve cambiare. Va bene: crea un nuovo schizzo e rivedi l'elenco dei materiali.

Fase di test

Ogni squadra metterà alla prova il proprio paracadute. Avrai bisogno di cronometrare il tuo test per assicurarti di poter sostenere la lavatrice e raggiungere il tasso di discesa più lento.

Dati di prova del paracadute
Altezza di caduta (m)	Tempo di caduta (s)	Velocità (SM)	Distanza atterrata dall'obiettivo
Test 1
Test 2
Test 3
Test 4
Media

Valutazione

Valuta i risultati dei tuoi team, completa il foglio di lavoro di valutazione e presenta i tuoi risultati alla classe.

Usa questo foglio di lavoro per valutare i risultati della tua squadra nella lezione Giocare con i paracadute:

1. Sei riuscito a creare un paracadute che potesse colpire il bersaglio? In tal caso, qual è stata la tua velocità di discesa più lenta? In caso contrario, perché ha fallito?

2. Hai deciso di rivedere il tuo progetto originale o di richiedere materiali aggiuntivi durante la fase di costruzione? Perché?

3. Hai negoziato scambi di materiale con altre squadre? Come ha funzionato questo processo per te?

4. Se avessi potuto avere accesso a materiali diversi da quelli forniti, cosa avrebbe richiesto il tuo team? Perché?

5. Pensi che gli ingegneri debbano adattare i loro progetti originali durante la costruzione di sistemi o prodotti? Perché potrebbero?

6. Se dovessi rifare tutto da capo, come cambierebbe il tuo progetto pianificato? Perché?

7. Quali progetti o metodi hai visto provare ad altri team che pensavi funzionassero bene?

8. Pensi che saresti stato in grado di completare questo progetto più facilmente se avessi lavorato da solo? Spiegare…

9. Che tipo di modifiche pensi che dovresti apportare al tuo progetto se avessi bisogno di trasportare un carico utile più pesante? Provalo!