Мерење на ветрот

Оваа лекција се фокусира на тоа како се создаваат анемометрите за да се измери брзината на ветрот и како дизајните се менувале со текот на времето. Студентски тимови дизајнираат и градат работен анемометар од материјали од секојдневието.

Дознајте за анемометри.
Дознајте за инженерскиот дизајн.
Дознајте како инженерството може да помогне во решавањето на предизвиците на општеството.
Дознајте за тимска работа и решавање на проблеми.

Возрасни нивоа: 8-18

Материјали и подготовка

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали (тргување / табела на можности)

Алуминиумска фолија
Чаши од пластика / хартија / стиропор
Стринг
Wireица со свиткување (т.е. цвеќарница или занаетчиска жица)
Штрауси
Дрвени занаетчиски стапчиња
Мали лажици од дрво
Мали парчиња дрво (балса)
Спајалици
Гумени ленти
Четки за заби
Картон
Пластична фолија

Материјали за тестирање

Фен за коса или вентилатор со 3 поставки за брзина (или ако сте во ветровито опкружување, тестирањето може да се заврши надвор)
Графичка хартија

Тестирање на материјали и процес

материјали

Фен за коса или вентилатор со 3 поставки за брзина (или ако сте во ветровито опкружување, тестирањето може да се заврши надвор)
Графичка хартија

Процесот на

Користете вентилатор или фен, тестирајте го анемометарот на секоја екипа 3 различни времиња со 3 различни брзини на ветер (мала, средна, голема). За време на секој тест, тимовите треба да ја документираат брзината на ветерот што се мери со нивниот анемометар (врз основа на ротации) и просечната брзина на ветерот.

Потоа, со помош на графичка хартија, тимовите треба да нацртаат табела што покажува како брзината на ветерот, измерена со нивниот анемометар, се зголемува со зголемувањето на поставката за вентилаторот или фенот. За графикот треба да се користат просечните брзини на ветерот.

Предизвик за инженерски дизајн

Дизајн предизвик

Вие сте тим инженери на кои им е даден предизвик да дизајнирате и градите ваш сопствен анемометар од материјали од секојдневието. Исто така, мора да смислите систем за мерење и снимање на брзината на ветерот како што е наведено од вашиот анемометар.

Критериуми

Горниот дел мора да може да се движи слободно без отпор на вртење или да се сврти брзо.
Мора да може да го одржува ветерот генериран од вентилатор или фен со различна брзина
Мора да има начин да се измерат и да се исцртаат ротациите со различна брзина на ветерот

Ограничувања

Користете ги само дадените материјали.
Екипите можат да тргуваат со неограничени материјали.

Инструкции и процедури за активност

Пауза од часови во тимови од 2-3.
Поделете го работниот лист Мерење на ветрот, како и неколку листови хартија за скицирање на дизајни.
Дискутирајте за темите во делот за концепти во заднина. Размислете да ги прашате учениците дали сакаат да направат дизајн со 4 или 3 чаши и зошто. Тие ќе треба да одредат која скала ќе ја користат за мерење на брзината на ветерот.
Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвик за дизајн, критериуми, ограничувања и материјали.
Обезбедете им на секој тим свои материјали.
Објаснете дека студентите мора да дизајнираат и градат сопствен работен анемометар од материјали од секојдневието, и дека тимот мора да смисли систем за мерење и снимање на брзината на ветерот како што е наведено од нивниот анемометар
Најавете го времето што треба да го дизајнираат и изградат (се препорачува 1 час).
Користете тајмер или он-лајн стоперка (одбројување одлика) за да се осигурате дека ќе бидете навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дајте им редовни „проверки на времето“ на студентите за да останат на задачата. Ако се борат, поставете прашања што побрзо ќе ги доведат до решение.
Студентите се среќаваат и развиваат план за нивниот анемометар. Тие се согласуваат за материјалите што ќе им бидат потребни, го напишуваат / нацртаат својот план и го презентираат својот план на часот. Екипите можат да разменуваат неограничени материјали со други тимови за да го развијат својот идеален список со делови.
● Студентите веројатно ќе го измерат бројот на вртежи на нивниот анемометар, па можеби ќе треба да сугерирате дека една од чашите или фаќачите на ветер е со различна боја од другите за полесно броење на вртежите.
● Горниот дел мора да може слободно да се движи без отпор на вртење или да се сврти брзо. Користењето слама или зашилен предмет на кој горниот дел ќе се сврти или ќе се врти е од суштинско значење.
● Студентите можеби ќе сакаат да развијат дизајн со четири чаши, дизајн со три чаши или да излезат со нов дизајн. Различете го овој предизвик за помладите студенти.
Екипите ги градат своите дизајни.
Користете вентилатор или фен, тестирајте го анемометарот на секоја екипа 3 различни времиња со 3 различни брзини на ветер (мала, средна, голема). За време на секој тест, тимовите треба да ја документираат брзината на ветерот што се мери со нивниот анемометар (врз основа на ротации) и просечната брзина на ветерот.
Потоа, користејќи графичка хартија, тимовите треба да нацртаат графикон што покажува како брзината на ветерот, измерена со нивниот анемометар, се зголемува со зголемувањето на поставката за вентилаторот или фен. За графикот треба да се користат просечните брзини на ветерот.
Користејќи графичка хартија, тимовите цртаат табела што покажува како брзината на ветерот, измерена со нивниот анемометар, се зголемува со зголемувањето на брзината на вентилаторот или фенот. Тие треба да ја користат нивната просечна брзина на ветерот за графиконот.
Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
За повеќе содржини на темата, видете во делот „Копање подлабоко“.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

Дали успеавте да создадете анемометар што ги мери трите различни брзини на „ветерот“? Ако не, зошто не успеа?
Дали одлучивте да го ревидирате вашиот оригинален дизајн или да побарате дополнителни материјали додека сте во фаза на изградба? Зошто?
Откривте дека отчитувањата од еден од вашите тестови може да резултираа во голема промена во просечното читање за таа брзина на ветерот?
Ако вашиот анемометар беше искористен за тестирање на локација за да се види дали е добро место за инсталирање на турбина на ветер за да се искористи енергијата на ветерот, дали мислите дека три тестови на поставување брзина би биле доволни за да се генерира сигурен просек? Ако не, колку тестови мислите дека би биле соодветни?
Ако можевте да имате пристап до материјали што беа различни од предвидените, што ќе бараше вашиот тим? Зошто?
Дали мислите дека инженерите треба да ги прилагодат своите оригинални планови за време на изградбата на системи или производи? Зошто би можеле?
Ако требаше да го сторите тоа одново, како би се сменил вашиот планиран дизајн? Зошто?
Кои дизајни или методи ги видовте другите тимови како се обидоа, за кои мислевте дека функционираат добро?
Што мислите, зошто дизајнот на анемометрите се промени толку многу со текот на времето?
Наведете други три делови од опремата што се реинженерирани со текот на времето за да се подобри функционалноста.

Модификација на времето

Лекцијата може да се заврши во период од само 1 час за постари ученици. Сепак, за да им помогнете на студентите да се почувствуваат избрзани и да обезбедат успех на студентите (особено за помладите ученици), поделете ја лекцијата во два периоди, давајќи им на студентите повеќе време за бура на идеи, тест идеи и финализирање на нивниот дизајн. Спроведете тестирање и дебрифија во следниот час.

Процес на инженерско дизајнирање

Концепти во позадина

Што е анемометар?

Анемометар е уред што се користи за мерење на брзината на ветерот, и е еден инструмент што се користи во метеоролошка станица. Терминот е изведен од грчкиот збор anemos, што значи ветер. Првиот анемометар го измислил Леонардо да Винчи. Леонардо всушност дизајнирал два различни типа на инструменти за мерење на брзината на ветерот. Можете да ги видите цртежите и за левата страна.

Првиот беше наречен анемометар „ламели“ или „пеннело“ затоа што некогаш се користеа пердуви за да се измери брзината на ветерот. Тоа беше дипломиран стап со тенка плоча што се движеше според силата на ветерот.

Другите беа направени од конусни цевки и беа дизајнирани да проверат дали притисокот на ветерот што ги врти тркалата е пропорционален на отворот во конусите низ кои минуваше воздухот, со оглед на истата брзина на ветерот.

Анемометар за четири чаши

Едноставен вид на анемометар е анемометар за чаши, измислен во 1846 година од д-р Johnон Томас Ромни Робинсон. Вклучуваше четири чаши кои беа поставени на едниот крај од четири хоризонтални краци, кои беа прицврстени под агли од 90 степени едни на други на вертикална вратило. Ветерот кој дува хоризонтално ќе ги претвори чашите со брзина пропорционална на брзината на ветерот. Ако ги изброите вртењата на чашите за одреден временски период, може да ја одредите просечната брзина на ветерот за таа локација. Кога Робинсон за првпат го дизајнираше својот анемометар, тој погрешно изјави дека без оглед колку биле големи чашите или колку долго биле рацете, чашите секогаш се движеле со една третина од брзината на ветерот. Подоцна беше откриено дека вистинската врска помеѓу брзината на ветрот и таа на чашите, наречена „фактор на анемометар“, всушност зависи од димензиите на чашите и рацете и може да има вредност помеѓу две и нешто повеќе од три .

Анемометар за три чаши

Откриено е дека четири аномеметри чаши доживуваат доцнење во точноста кога брзината на ветерот брзо се менува. Значи, анемометарот со три чаши е направен за да се подобри точноста, особено во средини каде што ветерот може да се промени брзо или неочекувано. Анемометарот за три чаши за прв пат го разви Канаѓанецот Johnон Патерсон во 1926 година. Како што важи за многу дизајнирани производи, тие се подобруваат или „се реинженерираат“ со текот на времето за да се подобрат перформансите, да се намалат трошоците или да се зголеми безбедноста. Во 1935 година, анемометарот за три чаши беше подобрен од Brevoort & Joiner од Соединетите Држави. Нивната работа доведе до дизајн на тркало-чаша, кој беше попрецизен со стапка на грешка помала од 3% при брзина до 60 милји на час (час / час). Во 1991 година, дизајнот го смени Австралиецот Дерек Вестон за да може да ги измери и насоката на ветерот и брзината на ветерот. Вестон додаде ознака на една чаша, што предизвика брзина да се зголемува и намалува, бидејќи ознаката се движеше наизменично со и против ветрот. Три чаши анемометри во моментов се користат како индустриски стандард за студии за проценка на енергијата на ветерот.

Користење на анемометри за тестирање на потенцијалот на ветерот

Анемометар е уред што се користи за мерење на брзината на ветерот. Многу земји и организации нудат програми за заем за анемометар, така што компанија или индивидуа може да го оцени ветерот на нивната локација за да утврди дали ќе се генерира доволно енергија на ветерот на нивната локација. За овие места за испитување, анемометар може да собира податоци за брзината на ветерот во интервали од 10 минути за подолг временски период.

Сонични анемометри

Сонични анемометри (видете ја фотографијата десно) за првпат беа развиени во 1970-тите и користат ултразвучни звучни бранови за мерење на брзината и насоката на ветерот. Тие ја мерат брзината на ветерот врз основа на времето на летање на звучните импулси помеѓу парови на трансдуцери. Недостатокот на подвижни делови ги прави соодветни за долгорочна употреба во изложени автоматски метеоролошки станици и временски знаци каде што точноста и веродостојноста на традиционалните анемометри со чаши и стапови се негативно погодени од солениот воздух или големи количини прашина.

Избор на материјал

Материјалите избрани за дизајнирање на анемометар често се засноваат на нивната намена. На пример, анемометри наменети за апликации со мала брзина на ветер, како што се студии за загадување на воздухот, обично се направени од лесни материјали. Сепак, поради нивните материјали, тие не се добро прилагодени за многу ветровито или ледено опкружување. Изборот на материјали е исто така важен за предвидување на животниот век на опремата.

Вокабулар

Анемометар: Уред што се користи за мерење на брзината на ветерот и е еден инструмент што се користи во метеоролошка станица.
Ограничувања: Ограничувања со материјалот, времето, големината на тимот итн.
Критериуми: Услови кои дизајнот мора да ги задоволува како неговата вкупна големина итн.
Инженери: Пронаоѓачи и решавачи на проблеми на светот. Дваесет и пет главни специјалитети се препознаени во инженерството (види инфографик).
Процес на инженерско дизајнирање: Процесните инженери користат за да решаваат проблеми.
Инженерски навики на умот (EHM): Шест уникатни начини на кои размислуваат инженерите.
Анемометар со четири чаши: Вклучуваше четири чаши кои беа монтирани на едниот крај на четири хоризонтални краци, кои беа прикачени под агли од 90 степени еден до друг на вертикално вратило. Ветерот што дува хоризонтално ги вртеше чашите со брзина која беше пропорционална на брзината на ветерот.
Итерација: Тестот и редизајнот е една итерација. Повторете (повеќе повторувања).
Прототип: Работен модел на решението што треба да се тестира.
Sonic Anemometer: Користете ултразвучни звучни бранови за мерење на брзината и насоката на ветерот.
Анемометар со три чаши: Конструиран да ја подобри прецизноста и особено во средини каде ветерот може брзо или неочекувано да се промени.

Копаат подлабоко

Интернет конекции

Препорачано четиво

Енергија на ветер - Факти: Водич за технологијата, економијата и иднината на ветерната енергија од Европската асоцијација за ветерна енергија (ISBN: 1844077101)
Енергија на ветер во изградена околина (ISBN: 0906522358)

Активност за пишување

Напишете есеј зошто аеродромот може да има неколку анемометри на различна висина за да им обезбеди информации на контролорите на аеродромот?

Усогласување на наставната програма

Усогласување со рамки на наставните програми

Забелешка: Плановите за лекции во оваа серија се усогласени со еден или повеќе од следниве групи на стандарди:

Стандарди за образование на науки во САД (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Научни стандарди на следната генерација на САД (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарди за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Национален совет на наставници по математика на САД, принципи и стандарди за училишна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Заеднички основни државни стандарди на САД за математика (http://www.corestandards.org/Math)
Здружение на наставници по компјутерски науки К-12 Стандарди за компјутерски науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди за образование во наука Оценки К-4 (возраст 4 - 9)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

Способности неопходни за вршење на научни истражувања
Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на активностите, сите ученици треба да развијат разбирање за

Позиција и движење на предметите

СТАНДАРД СОДРИНА Д: Наука за земјата и вселената

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

Промени во земјата и небото

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

Способности на технолошки дизајн
Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Наука и технологија во локалните предизвици

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Науката како човечки потфат

Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10 до 14 години)

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

Движења и сили
Трансфер на енергија

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности во 5-8 одделение, сите ученици треба да се развиваат

Способности на технолошки дизајн

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Наука и технологија во општеството

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Историја на науката

Национални стандарди за образование во наука Одделение 9-12 (возраст од 14-18)

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

Движења и сили

СТАНДАРД СОДРИНА Д: Наука за земјата и вселената

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

Енергија во земјата систем

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

Способности на технолошки дизајн
Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Наука и технологија во локални, национални и глобални предизвици

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Историски перспективи

Стандарди за наука на следната генерација оценки 3-5 (8-11 возраст)

Движење и стабилност: Сили и интеракции

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

3-ПС2-1. Планирајте и спроведете истрага за да обезбедите докази за ефектите на избалансираните и неурамнотежени сили врз движењето на некој предмет.

енергија

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

4-ПС3-1. Користете докази за да конструирате објаснување во врска со брзината на објектот со енергијата на тој објект.

Инженерски дизајн

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

3-5-ЕТС1-1. Дефинирајте едноставен проблем во дизајнот што рефлектира потреба или желба што вклучува специфицирани критериуми за успех и ограничувања на материјалите, времето или трошоците.
3-5-ETS1-2. Создадете и споредете повеќе можни решенија за проблем заснован на тоа колку веројатно секој ги исполнува критериумите и ограничувањата на проблемот.
3-5-ETS1-3.Планирајте и извршете фер тестови во кои се контролираат променливите и се сметаат точките на неуспех за да се идентификуваат аспектите на моделот или прототипот што може да се подобри.

Следна Стандарди за наука за генерација 6-8 одделение (11-14 години)

Инженерски дизајн

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

MS-ETS1-2 Оценете конкурентни решенија за дизајн користејќи систематски процес за да утврдите колку добро ги исполнуваат критериумите и ограничувањата на проблемот.

Стандарди за наука на следната генерација оценки 9-12 (14-18 возраст)

енергија

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

HS-PS3-3. Дизајн, изградба и рафинирање на уред кој работи во дадени ограничувања за да претвори една форма на енергија во друга форма на енергија.

Принципи и стандарди за училишна математика

Број и стандард за работење

Разберете ги броевите, начините на претставување на броевите, односите меѓу броевите и броевите системи

Стандарди за анализа на податоци и веројатност

Формулирајте прашања што можат да се решат со податоци и собираат, организираат,
и прикажете релевантни податоци за да одговорите на нив.

Заеднички основни државни стандарди за училишна математика одделение 2-8 (возраст 7-10)

геометрија

Графички точки на координатната рамнина за решавање на реални и математички проблеми.
CCSS.Math.Содржина.5.GA2 Претставувајте реални и математички проблеми со графички точки во првиот квадрант на координатната рамнина и интерпретирајте ги координираните вредности на точките во контекст на ситуацијата.

Стандарди за технолошка писменост - сите векови

Природата на технологијата

Стандард 1: Студентите ќе развијат разбирање за карактеристиките и обемот на технологијата.
Стандард 3: Студентите ќе развијат разбирање за односите меѓу технологиите и врските помеѓу технологијата и другите области на студии.

Технологија и општество

Стандард 5: Студентите ќе развијат разбирање за ефектите на технологијата врз животната средина.

дизајн

Стандард 8: Студентите ќе развијат разбирање за атрибутите на дизајнот.
Стандард 9: Студентите ќе развијат разбирање за инженерскиот дизајн.
Стандард 10: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на смена на проблеми, истражување и развој, пронајдоци и иновации и експериментирање во решавање проблеми.

Способности за технолошки свет

Стандард 11: Студентите ќе развијат способности за примена на процесот на дизајнирање.

Работен лист за студенти

Работите како тим инженери на кои им е даден предизвик да дизајнирате ваш сопствен анемометар од секојдневни предмети. Testingе го тестирате анемометарот во неколку различни брзини на „ветер“ генерирани од вентилатор или фен во вашата училница. Исто така, мора да смислите систем за мерење и снимање на брзината на ветерот како што е наведено од нивниот анемометар. И, ќе треба да ги нацртате брзините на ветрот на графикон, да ги прегледате дизајните на другите студентски „инженерски“ тимови и да ги презентирате вашите откритија на часот.

Фаза на планирање

Запознајте се како тим и разговарајте за проблемот што треба да го решите. Needе треба да одлучите дали сакате да направите анемометар со четири шолји или три шолји - или можеби ќе имате подобра идеја и нов дизајн! Тогаш, вашиот тим треба да развие и да се согласи за дизајнот на вашиот анемометар. Needе треба да одредите кои материјали сакате да ги користите - имајте на ум дека вашиот дизајн мора да биде доволно силен за да издржи ветер од вентилатор или фен и ќе мора да можете да генерирате информации за брзината на ветерот на размер што го развивате - така што може да има некои елементи во дизајнот што можете да ги внесете во вашиот анемометар за да ви помогнат да го следите движењето. Нацртајте го вашиот дизајн во полето подолу и задолжително наведете го описот и бројот на делови што планирате да ги користите. Презентирајте го вашиот дизајн пред часот. Може да изберете да го ревидирате планот на вашите тимови откако ќе добиете повратни информации од часот.

Потребни материјали:

Фаза на градба

Изградете го вашиот анемометар. За време на изградбата може да одлучите дека ви требаат дополнителни материјали или дека треба да се смени вашиот дизајн. Ова е во ред - само направете нова скица и ревидирајте го списокот на материјали.

Фаза на тестирање

Секој тим ќе го тестира својот анемометар со три различни брзини на „ветер“ користејќи вентилатор или фен за во училница. Тестирајте три пати со секоја брзина и одреди ја просечната брзина на ветерот за секоја поставка на вентилаторот или фенот. На секој тест наведете во полето подолу каква е брзината на ветерот. Гледајте ги тестовите на другите тимови и наб teamsудувајте како функционираат нивните различни дизајни.

Тест #	Поставување на брзина на вентилаторот	Брзината на ветерот мерена со анемометар	Просечна брзина на ветерот при поставување на брзината на вентилаторот
1	Ниско
2	Ниско
3	Ниско
1	Медиум
2	Медиум
3	Медиум
1	Високо
2	Високо
3	Високо

Фаза на документација

Користете графичка хартија, нацртајте табела што покажува како се зголеми брзината на ветерот, измерена со вашиот анемометар, со зголемувањето на поставката за брзината на вентилаторот или фенот. Користете ја просечната брзина на ветерот за графиконот.

Фаза на евалуација

Оценете ги резултатите на вашите тимови, пополнете го работниот лист за евалуација и презентирајте ги наодите на часот.

Користете го овој работен лист за да ги оцените резултатите на вашиот тим во активноста „Мерење на ветрот“.

Дали успеавте да создадете анемометар што ги мери трите различни брзини на „ветерот“? Ако не, зошто не успеа?

Дали одлучивте да го ревидирате вашиот оригинален дизајн или да побарате дополнителни материјали додека сте во фаза на изградба? Зошто?

Откривте дека отчитувањата од еден од вашите тестови може да резултираа во голема промена во просечното читање за таа брзина на ветерот?

Ако вашиот анемометар беше искористен за тестирање на локација за да се види дали е добро место за инсталирање на турбина на ветер за да се искористи енергијата на ветерот, дали мислите дека три тестови на поставување брзина би биле доволни за да се генерира сигурен просек? Ако не, колку тестови мислите дека би биле соодветни?