Un secol de materiale plastice
Această lecție explorează modul în care dezvoltarea plasticului - și ingineria componentelor din plastic în produse de zi cu zi - a afectat lumea. Elevii învață despre istoria materialelor plastice, ce fac inginerii din plastic și câte produse au fost îmbunătățite prin adăugarea de componente din plastic. Elevii lucrează în echipe pentru a identifica produse fără plastic și produse despre care cred că nu ar putea exista într-o lume pre-plastică. Lucrează ca echipe de „ingineri” pentru a vedea dacă pot reproiecta un produs pentru a utiliza cu 50% mai puține componente din plastic decât în proiectele actuale.
- Aflați despre materialele plastice.
- Aflați despre modul în care materialele plastice au fost concepute în atâtea produse obișnuite.
- Aflați mai multe despre lucrul în echipă și despre procesul de rezolvare / proiectare a ingineriei.
Niveluri de vârstă: 8-18
Materiale de construcție (pentru fiecare student)
Materiale necesare
- Fișele de lucru ale studenților
- Secțiunea Subiecte de fundal
Designul Challenge
Sunteți o echipă de ingineri, dată fiind provocarea de a veni cu o listă de patru mașini sau produse care credeți că ar fi imposibile fără invenția materialelor plastice. Apoi, veți decide ce piese din plastic veți înlocui într-unul dintre aceste produse sau mașini pentru a facilita reciclarea. Ce materiale veți folosi în schimb și cum va afecta performanța, prețul sau estetica?
- Divizați clasa în echipe de 3-4.
- Distribuiți foaia de lucru Century of Plastics și tipăriți secțiunea Concepte de fundal.
- Discutați subiectele în secțiunea Concepte de fundal
- Examinați procesul de proiectare inginerească, provocarea de proiectare, criteriile, constrângerile și materialele.
- Indicați elevilor să lucreze în echipă pentru a completa prima foaie de lucru pentru elevi - Plastic Hunt !:
- Gândiți-vă la elementele pe care le puteți găsi acasă, la clasă sau la locul de joacă. Identificați și documentați orice articole care nu au părți componente din plastic.
- Ca clasă, discutați întrebările de reflecție:
- A fost mai greu decât credeai să găsești produse care să nu conțină plastic?
- Din produsele pe care le-ați găsit fără plastic, ce au avut în comun?
- Dacă ați reproiecta unul dintre produsele pe care le-ați găsit, v-ați schimba
- vreo componentă a plasticului? De ce? De ce nu?
- Crezi că CD-urile ar fi posibile fără materiale plastice? De ce? De ce nu?
- De ce este importantă reciclarea?
- Indicați elevilor să lucreze în echipă pentru a finaliza Primul pas a celei de-a doua foaie de lucru pentru elevi - Tu ești inginerul:
- Veniți cu o listă de patru mașini sau produse care credeți că ar fi imposibile fără invenția materialelor plastice. Pentru fiecare, răspundeți la aceste întrebări:
- Ce procent din produs este plastic?
- De ce ar fi imposibil acest lucru fără plastic?
- Cum a influențat această mașină sau produs această lume?
- Veniți cu o listă de patru mașini sau produse care credeți că ar fi imposibile fără invenția materialelor plastice. Pentru fiecare, răspundeți la aceste întrebări:
- Indicați elevilor să lucreze în echipă pentru a finaliza Pasul doi a celei de-a doua foaie de lucru pentru elevi - Tu ești inginerul:
- Înlocuiți o parte din plasticul din oricare dintre cele patru produse sau mașini pe care le-ați identificat în prima parte pentru a le recicla mai ușor. Discutați ce materiale veți folosi în schimb, cum va afecta performanța, prețul sau estetica. Apoi prezintă ideile tale la clasă:
- Descrieți ce face produsul dvs. și procentul din acesta pe care îl considerați plastic.
- Explicați ce componente veți înlocui cu alte materiale; descrieți modul în care ați selectat materialele de înlocuire și modul în care noile materiale vor afecta greutatea, costul și funcționalitatea produsului.
- Preziceți dacă acest produs va fi la fel de eficient ca designul actual, dacă ar putea costa mai mult să fie fabricat și cum ar fi mai ușor de reciclat.
- Descrieți modul în care echipa dvs. crede că ingineria materialelor plastice în produse obișnuite a afectat lumea.
- Înlocuiți o parte din plasticul din oricare dintre cele patru produse sau mașini pe care le-ați identificat în prima parte pentru a le recicla mai ușor. Discutați ce materiale veți folosi în schimb, cum va afecta performanța, prețul sau estetica. Apoi prezintă ideile tale la clasă:
- Pentru mai mult conținut pe această temă, consultați secțiunea „Săpând mai adânc”.
Modificarea timpului
Lecția poate fi făcută în cel puțin o perioadă de clasă pentru elevii mai mari. Cu toate acestea, pentru a ajuta elevii să se simtă grăbiți și pentru a asigura succesul elevilor (în special pentru elevii mai tineri), împărțiți lecția în două perioade, oferindu-le elevilor mai mult timp pentru a face brainstorming, pentru a testa ideile și pentru a finaliza proiectarea lor. Efectuați testarea și descrierea în următoarea perioadă de curs.
Ce sunt materialele plastice?
Un secol de materiale plastice
Secolul al XIX-lea a cunoscut progrese enorme în chimia polimerilor. Cu toate acestea, a fost nevoie de cunoștințele inginerilor chimiști în timpul secolului al XX-lea pentru a face din polimerii produși în masă o realitate economică viabilă. Când un plastic numit bachelită a fost introdus în 19, a lansat „Epoca Plasticului”. Bakelita a fost concepută în multe produse, de la prize electrice, la perii de păr, la radiouri, ceasuri și chiar bijuterii. Produsele din bachelită din această epocă sunt acum foarte de colecție! Astăzi, plasticul se găsește în aproape fiecare produs. Este greu de găsit multe mașini care nu încorporează mai multe tipuri de plastic.
Ce sunt materialele plastice?
Materialele plastice sunt polimeri: lanțuri lungi de atomi legați între ele. Plastic este un termen care acoperă de fapt o gamă foarte largă de produse de polimerizare sintetice sau semisintetice. Acestea sunt compuse din condens organic sau polimeri suplimentari și pot conține alte substanțe pentru a le face mai potrivite pentru o aplicație cu variații ale toleranței la căldură, cât de greu este, culoare și flexibilitate. Materialele plastice pot fi turnate sau formate în forme dure particulare sau pot fi dezvoltate ca filme sau fibre. La un moment dat în fabricarea sa, fiecare plastic este capabil să curgă. Cuvântul plastic este derivat din faptul că multe forme sunt maleabile, având proprietatea plasticității. Inginerii apelează adesea la un plastic ca piese componente în multe produse, deoarece este ușor, relativ ieftin și durabil. A redus costul multor produse, iar multe produse nu ar exista astăzi fără plastic.
Ingineri din materiale plastice
Dezvoltarea materialelor plastice a lansat un nou domeniu de lucru: Inginerii din materiale plastice! Ei studiază proprietățile materialelor polimerice și dezvoltă mașini care pot modela piese din plastic. Acestea explorează modalități de modelare a materialelor plastice pentru a satisface nevoile altor ingineri care au nevoie de piese, cum ar fi capacele telefonului mobil, tălpile pantofilor și roțile rucsacului. De asemenea, lucrează pentru a îmbunătăți performanța materialelor plastice, căutând materiale noi care să reacționeze mai bine la temperaturi ridicate sau scăzute sau mișcări repetitive.
Cronologie scurtă
- 1907: primul plastic pe bază de polimer sintetic - baquelita - a fost creat de Leo Hendrik Baekeland. Bakelitul a fost primul plastic inventat care și-a păstrat forma după ce a fost încălzit.
- 1908: Celofanul a fost descoperit de chimistul elvețian Jacques Brandenberger.
- Anii 1920: Se produc acetat de celuloză, acrilice (Lucite și Plexiglas) și polistiren.
- 1957: General Electric dezvoltă materiale plastice din policarbonat.
- 1968: consumul de fibre sintetice realizate de om depășește fibrele naturale din SUA
- 1987: Nipon Zeon dezvoltă plasticul cu „memorie”, astfel încât să poată fi îndoit și răsucit la temperaturi scăzute, dar atunci când este încălzit peste 37 Celsius, revine chiar la forma sa originală!
- Anii 1990: programele de reciclare a materialelor plastice sunt comune, oferind o nouă utilizare pentru materialele plastice vechi
Istoria pre-plastică a obiectelor cotidiene
Periuta de dinti
Cea mai veche periuță de dinți cunoscută a fost un „băț de mestecat” realizat din crenguțe mestecate sau piure. Acest stil de igienă dentară datează de mii de ani. Mai recent, periuțele de dinți au fost fabricate cu mânere de os cu firele sau părul de porci înfășurate împreună cu sârmă. Acest stil a fost popular încă din anii 1600 până la mijlocul anilor 1800, deși mânerul era uneori din lemn. Următoarea modificare majoră a designului a fost determinată de introducerea Nylonului. Acest material sintetic a fost aplicat pentru prima dată pe periuța de dinți în jurul anului 1938. Până în 1939, inginerii au început să dezvolte periuțe de dinți electrice pentru a îmbunătăți eficiența periajului. Prima periuță de dinți electrică reală a fost dezvoltată în Elveția în 1939. În Statele Unite, Squibb a introdus o periuță de dinți electrică în 1960, urmată de General Electric introducând o periuță de dinți fără fir reîncărcabilă în 1961. Chiar și ața dentară, care inițial era din fir de mătase, nu era Nu s-a popularizat până la apariția materialelor plastice și a materialelor sintetice.
Un pix/creion
În primii trei mii de ani de la inventarea hârtiei, instrumentul de scriere folosit de majoritatea oamenilor a fost o plumă de pasăre - de obicei o gâscă - care a fost scufundată într-o fântână de cerneală. Punctele de creion din oțel produse în masă au început să apară la începutul anilor 1800, ceea ce asigura un control mai mare asupra liniei. În timpul primului război mondial, stilourile au început să fie fabricate dintr-o substanță dură, de obicei neagră, din cauciuc cunoscută sub numele de vulcanit. Materialele plastice colorate timpurii au fost introduse în anii 1920. Sheaffer a introdus stilouri realizate din celuloid în diferite culori. Acestea erau foarte scumpe, dar s-au dovedit atât de populare încât, în câțiva ani, majoritatea producătorilor de stilouri au oferit stilouri în noul material sintetic, înlocuind unele modele din metal și lemn. Cu toate acestea, utilizarea pe scară largă a materialelor plastice și ingineria stiloului cu bilă fără scurgere au adus costurile instrumentelor de scris fine la îndemâna majorității oamenilor. În anii 1960, stilourile de unică folosință au preluat și, deși stilourile rămân disponibile, acestea au doar o cotă foarte mică din piață astăzi.
Ochelari de vedere
Ochelarii au fost inițial confecționați din metal și sticlă. Dacă cineva ar necesita o rețetă deosebit de puternică, totuși, paharul ar fi foarte greu așezat pe nas. Materialele plastice au revoluționat ochelarii, prin înlocuirea lentilelor de sticlă cu materiale mai ușoare și înlocuirea majorității metalului din cadre cu materiale plastice mai ușoare, colorate. Cu toate acestea, există încă metal în cadru, deoarece majoritatea balamalelor sunt încă din metal. Și, desigur, nu ar exista lentile de contact fără dezvoltarea materialelor sintetice.
- Constrângeri: Limitări cu material, timp, dimensiunea echipei etc.
- Criterii: Condiții pe care proiectul trebuie să le îndeplinească, cum ar fi dimensiunea sa totală etc.
- Ingineri: Inventori și soluționatori de probleme ai lumii. Douăzeci și cinci de specialități majore sunt recunoscute în inginerie (vezi infografic).
- Procesul de proiectare inginerească: inginerii de proces îl folosesc pentru a rezolva probleme.
- Obiceiuri de inginerie ale minții (EHM): șase moduri unice în care gândesc inginerii.
- Iterație: Testarea și reproiectarea este o singură iterație. Repetați (mai multe iterații).
- Prototip: Un model de lucru al soluției de testat.
- Reciclare: Proces de preluare a materialelor gata de a fi aruncate și de transformare (schimbare) a acestora în materiale reutilizabile.
Conexiuni la Internet
Bibliografie
- American Plastic: A Cultural History de Jeffrey L. Meikle (ISBN: 978-0813522357) Ingineria plasticelor de RJ Crawford (ISBN: 978-0750637640)
Activitate de scriere
- Scrie un eseu sau un paragraf care să descrie dacă crezi că zborul spațial ar fi posibil fără introducerea materialelor plastice. Dați exemple pentru a vă susține punctul de vedere.
- Scrie un eseu sau un paragraf care să descrie cum funcționează reciclarea în orașul tău. Dați exemple despre modul în care inginerii încorporează materiale reciclate în produse noi.
Alinierea la cadrele curriculare
Notă: toate planurile de lecție din această serie sunt aliniate la SUA Standarde naționale de educație științifică (produs de Consiliul national de cercetare și aprobat de Asociația Națională a Profesorilor în Științe) și, dacă este cazul, la Standardele Asociației Internaționale de Educație Tehnologică pentru Standardele de Alfabetizare Tehnologică și Consiliul Național al Principiilor și Standardelor Profesorilor de Matematică pentru Matematică Școlară.
Standarde naționale de educație științifică Clasele K-4 (vârste 4-9)
STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora
- Proprietățile obiectelor și materialelor
STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități de proiectare tehnologică
- Abilități de a distinge între obiecte naturale și obiecte realizate de oameni
STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Tipuri de resurse
- Schimbări în medii
STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știința ca efort uman
Standarde naționale de educație științifică Clasele 5-8 (vârste 10-14)
STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice
Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora
- Proprietăți și modificări ale proprietăților în materie
STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități de proiectare tehnologică
- Înțelegeri despre știință și tehnologie
STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Riscuri și beneficii
- Știință și tehnologie în societate
STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Istoria științei
Standarde naționale de educație științifică Clasele 9-12 (vârste 14-18)
STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice
Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Structura și proprietățile materiei
STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități de proiectare tehnologică
- Înțelegeri despre știință și tehnologie
STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Calitatea mediului
STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Perspective istorice
Standarde pentru alfabetizare tehnologică - Toate vârstele
Natura tehnologiei
- Standardul 3: Elevii vor dezvolta o înțelegere a relațiilor dintre tehnologii și a conexiunilor dintre tehnologie și alte domenii de studiu.
Tehnologie și societate
- Standardul 4: Elevii vor dezvolta o înțelegere a efectelor culturale, sociale, economice și politice ale tehnologiei.
- Standardul 5: Elevii vor dezvolta o înțelegere a efectelor tehnologiei asupra mediului.
- Standardul 7: Elevii vor dezvolta o înțelegere a influenței tehnologiei asupra istoriei.
Amenajări
- Standardul 8: Elevii vor dezvolta o înțelegere a atributelor designului.
- Standardul 9: Elevii vor dezvolta o înțelegere a proiectării inginerești.
Abilități pentru o lume tehnologică
- Standardul 13: Elevii vor dezvolta abilități de a evalua impactul produselor și sistemelor.
Lumea proiectată
- Standardul 19: Elevii vor dezvolta o înțelegere și vor fi capabili să selecteze și să utilizeze tehnologiile de fabricație.
Vânătoare de plastic!
Primul pas: În timp ce o echipă se gândește la elementele pe care le puteți găsi în casa dvs., la clasă sau la locul de joacă. Puteți identifica articole care nu au părți componente din plastic?
Articole de bucătărie | Articole pentru baie | Articole de clasă | Echipament sportiv |
|
Întrebări:
- A fost mai greu decât credeai să găsești produse care să nu conțină plastic?
- Din produsele pe care le-ați găsit fără plastic, ce au avut în comun?
- Dacă ați reproiecta unul dintre produsele pe care le-ați găsit, ați schimba vreuna dintre piesele componente în plastic? De ce? De ce nu?
- Crezi că CD-urile ar fi posibile fără materiale plastice? De ce? De ce nu?
- De ce este importantă reciclarea?
Primul pas: Ca echipă, veniți cu o listă cu patru mașini sau produse care credeți că ar fi imposibile fără invenția materialelor plastice. Pentru fiecare, răspundeți la întrebările de mai jos:
Ce procent din produs este plastic? | De ce ar fi imposibil acest lucru fără plastic? | Cum a influențat această mașină sau produs această lume? | |
1-
|
|||
2-
|
|||
3-
|
|||
4-
|
Pasul doi: Provocarea dvs. este să lucrați ca o echipă de „ingineri” pentru a înlocui o parte din materialul plastic din oricare dintre cele patru produse sau mașini pe care le-ați identificat în prima parte a acestei fișe de lucru pentru a le face mai ușor de reciclat. Discutați ce materiale veți folosi în schimb, cum va afecta performanța, prețul sau estetica. Apoi prezentați ideile dvs. la clasă în trei forme:
- descrieți ceea ce face produsul dvs. și procentul acestuia considerat că este plastic.
- explicați ce componente veți înlocui cu alte materiale; descrieți modul în care ați selectat materialele de înlocuire și modul în care noile materiale vor afecta greutatea, costul și funcționalitatea produsului.
- preziceți dacă acest produs va fi la fel de eficient ca designul actual, dacă ar putea costa mai mult să fie fabricat și cum ar fi mai ușor de reciclat.
- descrie modul în care echipa ta crede că ingineria materialelor plastice în produse obișnuite a afectat lumea.