바람 측정

이 수업은 풍속계가 어떻게 바람의 속도를 측정하도록 설계되었으며 시간이 지남에 따라 디자인이 어떻게 변했는지에 초점을 맞춥니다. 학생 팀은 일상적인 재료로 작동하는 풍속계를 설계하고 제작합니다.

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연령 수준 : 8-18

빌드 재료(팀별)

필요한 재료(거래/가능성표)

알루미늄 호일
플라스틱/종이/스티로폼 컵
끈
구부릴 수 있는 와이어(예: 꽃집 또는 공예 와이어)
빨대
나무 공예품/팝시클 스틱
작은 나무 숟가락
작은 나무(발사) 조각
종이 클립
고무 밴드
이쑤시게
판지
플라스틱 랩

시험 재료

3단계 속도 설정이 가능한 헤어드라이어 또는 선풍기 (또는 바람이 많이 부는 환경에서 테스트를 외부에서 완료할 수 있음)
모눈 종이

시험 재료 및 공정

소스

3단계 속도 설정이 가능한 헤어드라이어 또는 선풍기 (또는 바람이 많이 부는 환경에서 테스트를 외부에서 완료할 수 있음)
모눈 종이

방법

팬이나 헤어드라이어를 사용하여 3가지 다른 풍속(낮음, 중간, 높음)에서 각 팀의 풍속계를 3번 테스트합니다. 각 테스트 동안 팀은 풍속계(회전 기반)로 측정한 풍속과 평균 풍속을 문서화해야 합니다.

그런 다음 그래프 용지를 사용하여 팬 또는 헤어 드라이어 속도 설정이 증가함에 따라 풍속계로 측정한 풍속이 어떻게 증가했는지 나타내는 차트를 그려야 합니다. 그래프에는 평균 풍속을 사용해야 합니다.

엔지니어링 디자인 챌린지

디자인 도전

당신은 일상적인 재료로 자신의 풍속계를 설계하고 구축해야 하는 도전을 받은 엔지니어 팀입니다. 또한 풍속계에 표시된 대로 바람의 속도를 측정하고 기록하는 시스템을 고안해야 합니다.

기준

상단 부분은 빠르게 회전하거나 회전하는 것에 대한 저항 없이 자유롭게 움직일 수 있어야 합니다.
다양한 속도로 팬이나 헤어드라이어에서 발생하는 바람을 견딜 수 있어야 합니다.
다양한 풍속에서 회전을 측정하고 차트로 표시하는 방법이 있어야 함

제약

제공된 재료만 사용하십시오.
팀은 무제한 재료를 거래할 수 있습니다.

활동 지침 및 절차

수업을 2-3명의 팀으로 나눕니다.
바람 측정 워크시트와 디자인 스케치용 종이 몇 장을 나누어 주십시오.
배경 개념 섹션의 주제에 대해 토론합니다. 학생들에게 4컵 또는 3컵 디자인을 만들고 싶은지와 그 이유를 묻는 것을 고려하십시오. 그들은 풍속을 측정하는 데 사용할 척도를 결정해야 합니다.
엔지니어링 설계 프로세스, 설계 과제, 기준, 제약 조건 및 재료를 검토합니다.
각 팀에 자료를 제공합니다.
학생들은 일상적인 재료로 작동하는 자체 풍속계를 설계하고 제작해야 하며, 팀은 풍속계에 표시된 대로 바람의 속도를 측정하고 기록하는 시스템을 고안해야 한다고 설명합니다.
설계 및 구축에 소요되는 시간을 알립니다(1시간 권장).
타이머나 온라인 스톱워치(카운트다운 기능)를 사용하여 시간을 잘 지키십시오. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). 학생들에게 정기적인 "시간 확인"을 하여 과제를 계속 수행하도록 합니다. 그들이 어려움을 겪고 있다면 더 빨리 해결책을 찾을 수 있는 질문을 하십시오.
학생들은 자신의 풍속계를 만나 계획을 세웁니다. 그들은 필요한 자료에 동의하고, 계획을 작성/그리며, 계획을 학급에 발표합니다. 팀은 이상적인 부품 목록을 개발하기 위해 다른 팀과 무제한 재료를 교환할 수 있습니다.
● 학생들은 풍속계의 회전 수를 측정할 것이므로 회전 수를 더 쉽게 계산할 수 있도록 컵이나 윈드 캐처 중 하나가 다른 것과 다른 색상이라고 제안해야 할 수도 있습니다.
● 상단 부분은 빠르게 회전하거나 회전에 대한 저항 없이 자유롭게 움직일 수 있어야 합니다. 상단 부분이 회전하거나 회전할 빨대나 뾰족한 물체를 사용하는 것이 필수적입니다.
● 학생들은 XNUMX컵 디자인, XNUMX컵 디자인을 개발하거나 새로운 디자인을 구상할 수 있습니다. 어린 학생들을 위해 이 도전 과제를 변경하십시오.
팀은 자신의 디자인을 만듭니다.
팬이나 헤어드라이어를 사용하여 3가지 다른 풍속(낮음, 중간, 높음)에서 각 팀의 풍속계를 3번 테스트합니다. 각 테스트 동안 팀은 풍속계(회전 기반)로 측정한 풍속과 평균 풍속을 문서화해야 합니다.
그런 다음 그래프 용지를 사용하여 팬 또는 헤어 드라이어 속도 설정이 증가함에 따라 풍속계로 측정한 풍속이 어떻게 증가했는지 나타내는 차트를 그려야 합니다. 그래프에는 평균 풍속을 사용해야 합니다.
팀은 그래프 용지를 사용하여 팬이나 헤어드라이어의 속도가 증가함에 따라 풍속계로 측정한 풍속이 어떻게 증가했는지 나타내는 차트를 그립니다. 그래프에 평균 풍속을 사용해야 합니다.
학급에서 학생 성찰 질문에 대해 토론합니다.
주제에 대한 자세한 내용은 "더 깊이 파고들기" 섹션을 참조하십시오.

학생 성찰(엔지니어링 노트)

세 가지 "바람" 속도를 측정하는 풍속계를 만드는 데 성공했습니까? 그렇지 않다면 왜 실패했습니까?
시공 단계에서 원래 디자인을 수정하거나 추가 자재를 요청하기로 결정하셨습니까? 왜요?
테스트 중 하나의 판독값으로 인해 해당 풍속에 대한 평균 판독값이 크게 변경되었을 수 있다는 것을 발견했습니까?
풍속계를 사용하여 풍력 에너지를 이용하기 위해 풍력 터빈을 설치하기에 좋은 위치인지 확인하기 위해 위치를 테스트하는 경우 속도 설정당 XNUMX번의 테스트가 신뢰할 수 있는 평균을 생성하기에 충분하다고 생각하십니까? 그렇지 않다면 얼마나 많은 테스트가 적절할 것이라고 생각하십니까?
제공된 것과 다른 자료에 액세스할 수 있었다면 팀에서 무엇을 요청했을까요? 왜요?
엔지니어가 시스템이나 제품을 구축하는 동안 원래 계획을 수정해야 한다고 생각하십니까? 왜 그럴까요?
모든 것을 다시 해야 한다면 계획한 디자인이 어떻게 변할까요? 왜요?
다른 팀에서 어떤 디자인이나 방법이 효과가 있다고 생각하는 것을 보았습니까?
왜 풍속계의 디자인이 시간이 지남에 따라 그렇게 많이 변했다고 생각합니까?
기능을 개선하기 위해 시간이 지남에 따라 재설계된 다른 세 가지 장비를 나열하십시오.

시간 수정

수업은 고학년 학생의 경우 1회 수업 시간에 완료할 수 있습니다. 그러나 학생들이 서두르지 않도록 하고 학생의 성공을 보장하기 위해(특히 어린 학생의 경우) 수업을 두 기간으로 나누어 학생들에게 브레인스토밍, 아이디어 테스트 및 디자인을 완성할 더 많은 시간을 제공합니다. 다음 수업 시간에 테스트 및 보고를 수행합니다.

배경 개념

풍속계란 무엇입니까?

풍속계는 풍속을 측정하는 데 사용되는 장치로 기상 관측소에서 사용되는 하나의 계기입니다. 이 용어는 바람을 의미하는 그리스어 anemos에서 파생됩니다. 최초의 풍속계는 레오나르도 다빈치가 발명했습니다. Leonardo는 실제로 풍속을 측정하기 위해 두 가지 유형의 기기를 설계했습니다. 왼쪽에서 두 그림을 모두 볼 수 있습니다.

깃털이 한때 풍속을 측정하는 데 사용되었기 때문에 첫 번째 것은 "라멜라(lamellae)" 또는 "펜넬로(pennello)" 풍속계라고 불렸습니다. 그것은 바람의 힘에 따라 움직이는 얇은 판으로 눈금이 매겨진 막대기였습니다.

다른 것들은 원뿔 모양의 튜브로 만들어졌으며 동일한 풍속에서 바퀴를 돌리는 풍압이 공기가 통과하는 원뿔의 구멍에 비례하는지 확인하도록 설계되었습니다.

XNUMX컵 풍속계

간단한 유형의 풍속계는 1846년 John Thomas Romney Robinson 박사가 발명한 컵 풍속계입니다. 여기에는 수직 샤프트에서 서로 90도 각도로 부착된 XNUMX개의 수평 암의 한쪽 끝에 장착된 XNUMX개의 컵이 포함되었습니다. 수평으로 부는 바람은 풍속에 비례하는 속도로 컵을 돌릴 것입니다. 특정 시간 동안 컵의 회전 수를 계산하면 해당 위치의 평균 풍속을 결정할 수 있습니다. 로빈슨이 처음으로 풍속계를 설계했을 때 컵의 크기나 팔의 길이에 상관없이 컵은 항상 바람 속도의 XNUMX/XNUMX로 움직인다고 잘못 설명했습니다. 바람의 속도와 컵의 속도 사이의 실제 관계("풍속계 계수")는 실제로 컵과 팔의 치수에 의존하며 XNUMX에서 XNUMX보다 약간 작은 값을 가질 수 있음이 나중에 발견되었습니다. .

세 컵 풍속계

1926컵 풍속계는 풍속이 빠르게 변할 때 정확도가 지연되는 것으로 나타났습니다. 따라서 1935컵 풍속계는 특히 바람이 빠르게 또는 예기치 않게 변할 수 있는 환경에서 정확도를 개선하도록 설계되었습니다. 3컵 풍속계는 60년 캐나다인 John Patterson에 의해 처음 개발되었습니다. 많은 엔지니어링 제품과 마찬가지로 시간이 지남에 따라 성능 향상, 비용 절감 또는 안전성 향상을 위해 개선되거나 "재설계"됩니다. 1991년에 미국의 Brevoort & Joiner에 의해 XNUMX컵 풍속계가 향상되었습니다. 그들의 작업은 최대 시속 XNUMX마일(mph)의 속도로 XNUMX% 미만의 오류율로 더 정확한 컵 휠 디자인으로 이어졌습니다. XNUMX년에 호주의 Derek Weston에 의해 풍향과 풍속을 모두 측정할 수 있도록 설계가 변경되었습니다. Weston은 한 컵에 태그를 추가하여 태그가 바람에 따라 또는 반대로 이동하면서 속도가 증가하거나 감소했습니다. XNUMX컵 풍속계는 현재 풍력 에너지 평가 연구의 산업 표준으로 사용됩니다.

풍속계를 사용하여 바람 잠재력 테스트하기

풍속계는 풍속을 측정하는 데 사용되는 장치입니다. 많은 국가와 조직에서 풍속계 대출 프로그램을 제공하므로 회사나 개인이 해당 위치에서 풍력을 충분히 생성할 수 있는지 판단하기 위해 해당 위치의 바람을 평가할 수 있습니다. 이러한 테스트 사이트의 경우 풍속계는 장기간에 걸쳐 10분 간격으로 풍속 데이터를 수집할 수 있습니다.

음속 풍속계

음속 풍속계(오른쪽 사진 참조)는 1970년대에 처음 개발되었으며 초음파 음파를 사용하여 풍속과 방향을 측정합니다. 그들은 변환기 쌍 사이의 음파 펄스의 비행 시간을 기반으로 풍속을 측정합니다. 움직이는 부품이 없기 때문에 기존의 컵앤베인 풍속계의 정확도와 신뢰성이 염분이나 다량의 먼지에 의해 부정적인 영향을 받는 노출된 자동화 기상 관측소 및 기상 부표에서 장기간 사용하기에 적합합니다.

재료 선택

풍속계를 설계하기 위해 선택한 재료는 종종 의도한 용도에 따라 다릅니다. 예를 들어, 대기 오염 연구와 같은 저풍속 적용을 위한 풍속계는 일반적으로 가벼운 재료로 만들어집니다. 그러나 재료 때문에 바람이 많이 불거나 얼음이 많은 환경에는 적합하지 않습니다. 재료 선택도 장비의 수명을 예측하는 데 중요합니다.

어휘

풍속계(Anemometer): 풍속을 측정하는 데 사용되는 장치로 기상 관측소에서 사용되는 하나의 계기이다.
제약: 재료, 시간, 팀 규모 등의 제한
기준: 전체 크기 등 디자인이 충족해야 하는 조건
엔지니어: 세계의 발명가이자 문제 해결사. XNUMX개의 주요 전문 분야가 엔지니어링에서 인정됩니다(인포그래픽 참조).
엔지니어링 설계 프로세스: 프로세스 엔지니어가 문제를 해결하는 데 사용합니다.
EHM(Engineering Habits of Mind): 엔지니어가 생각하는 XNUMX가지 고유한 방식.
Four Cup 풍속계: 수직 샤프트에서 서로 90도 각도로 부착된 XNUMX개의 수평 암의 한쪽 끝에 장착된 XNUMX개의 컵을 포함합니다. 수평으로 부는 바람은 풍속에 비례하는 속도로 컵을 돌릴 것입니다.
반복: 테스트 및 재설계는 한 번의 반복입니다. 반복합니다(여러 번 반복).
프로토타입: 테스트할 솔루션의 작업 모델.
음속 풍속계: 초음파 음파를 사용하여 풍속과 방향을 측정합니다.
Three Cup 풍속계: 특히 바람이 빠르게 또는 예기치 않게 변할 수 있는 환경에서 정확도를 개선하도록 설계되었습니다.

심화를 파

인터넷 연결

추천 도서

풍력 에너지 – 사실: 유럽 풍력 에너지 협회(ISBN: 1844077101)의 풍력 발전 기술, 경제 및 미래 가이드
건축 환경의 풍력 에너지(ISBN: 0906522358)

쓰기 활동

공항 관제사에게 정보를 제공하기 위해 공항에 높이가 다른 여러 풍속계가 있는 이유에 대한 에세이를 작성하십시오.

커리큘럼 조정

커리큘럼 프레임워크에 맞게 조정

참고 : 이 시리즈의 수업 계획은 다음 표준 세트 중 하나 이상에 맞춰져 있습니다.

미국 과학 교육 표준(http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
미국 차세대 과학 표준(http://www.nextgenscience.org/)
국제 기술 교육 협회의 기술 문해력 기준(http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
미국 수학 교사 협의회의 학교 수학 원칙 및 표준(http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
수학에 대한 미국 공통 핵심 주 표준(http://www.corestandards.org/Math)
컴퓨터 과학 교사 협회 K-12 컴퓨터 과학 표준(http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

국가 과학 교육 기준 K-4학년(4-9세)

내용 표준 A: 탐구로서의 과학

활동의 결과로 모든 학생들은

과학적 탐구에 필요한 능력
과학적 탐구에 대한 이해

내용 표준 B: 물리학