Мерење ветра

Ова лекција се фокусира на то како су анемометри направљени за мерење брзине ветра и како су се дизајни мењали током времена. Студентски тимови дизајнирају и граде радни анемометар од свакодневних материјала.

Сазнајте више о анемометрима.
Сазнајте више о инжењерском дизајну.
Научите како инжењеринг може помоћи у решавању друштвених изазова.
Сазнајте о тимском раду и решавању проблема.

Старосни нивои: 8-18

Материјали и припрема

Материјали за израду (за сваки тим)

Потребни материјали (трговање / табела могућности)

Алуминијумска фолија
Шоље од пластике / папира / стиропора
низ
Жица која се може савити (тј. Жица за цвеће или занат)
Стравс
Дрвени занатски штапићи
Мале дрвене кашике
Мали комади дрвета (балза)
Спајалице
Гумице
Чачкалице
Картон
Пластична фолија

Материјали за испитивање

Сушило за косу или вентилатор са 3 подешавања брзине (или ако сте у ветровитом окружењу, тестирање се може завршити напољу)
Папир на коцкице

Тестирање материјала и процеса

Materijali

Сушило за косу или вентилатор са 3 подешавања брзине (или ако сте у ветровитом окружењу, тестирање се може завршити напољу)
Папир на коцкице

Процес

Користите вентилатор или фен, тестирајте анемометар сваког тима 3 пута при 3 различите брзине ветра (мала, средња, велика). Током сваког теста, тимови треба да документују брзину ветра која је измерена њиховим анемометром (на основу ротација) и просечну брзину ветра.

Затим, користећи милиметарски папир, тимови треба да нацртају графикон који показује како се брзина ветра, мерено њиховим анемометром, повећавала како се повећавала брзина вентилатора или фенова. За графикон треба користити просечне брзине ветра.

Изазов инжењерског дизајна

Дизајн изазов

Ви сте тим инжењера који су добили изазов да сами дизајнирају и изграде свој анемометар од свакодневних материјала. Такође морате осмислити систем за мерење и бележење брзине ветра како показује ваш анемометар.

kriterijumi

Горњи део мора да се може слободно кретати без отпора за брзо окретање или окретање.
Мора бити у стању да одржи ветар који ствара вентилатор или сушило за косу при различитим брзинама
Мора постојати начин мерења и графикона ротација при различитим брзинама ветра

Ограничења

Користите само достављене материјале.
Тимови могу трговати неограниченим материјалом.

Упутства и поступци активности

Поделите класу на тимове од 2-3.
Поделите радни лист Меасуринг тхе Винд, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
Разговарајте о темама у одељку о основним концептима. Размислите о томе да питате ученике да ли желе да направе дизајн са 4 или 3 шоље и зашто. Мораће да одреде коју ће скалу користити за мерење брзине ветра.
Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
Обезбедите сваки тим својим материјалима.
Објасните да студенти морају да пројектују и изграде сопствени радни анемометар од свакодневних материјала, као и да тим мора да осмисли систем за мерење и бележење брзине ветра како показује њихов анемометар
Најавите колико им је времена потребно за дизајн и израду (препоручује се 1 сат).
Користите тајмер или он-лине штоперицу (функција одбројавања) како бисте били сигурни да држите време. (ввв.онлине-стопватцх.цом/фулл-сцреен-стопватцх). Дајте ученицима редовне „временске провере“ како би остали на задатку. Ако се муче, поставите питања која ће их брже довести до решења.
Студенти се састају и развијају план за свој анемометар. Договарају се о материјалима који ће им требати, напишу / нацртају свој план и презентују свој план предавању. Тимови могу да тргују неограничено са другим тимовима како би развили своју листу идеалних делова.
● Студенти ће вероватно мерити број обртаја свог анемометра, па ћете можда морати да предложите да је једна од шоља или хватача ветра другачије боје од осталих ради лакшег бројања обртаја.
● Горњи део мора да се може слободно кретати без отпора за брзо окретање или окретање. Коришћење сламе или шиљастих предмета на којима ће се горњи део окретати или окретати је неопходно.
● Студенти ће можда желети да израде дизајн са четири шоље, дизајн са три шоље или да смисле нови дизајн. Промените овај изазов за млађе ученике.
Тимови граде своје дизајне.
Користите вентилатор или фен, тестирајте анемометар сваког тима 3 пута при 3 различите брзине ветра (мала, средња, велика). Током сваког теста, тимови треба да документују брзину ветра која је измерена њиховим анемометром (на основу ротација) и просечну брзину ветра.
Затим, користећи милиметрски папир, тимови треба да нацртају графикон који показује како се брзина ветра, мерено њиховим анемометром, повећавала како се повећавала брзина вентилатора или фенова. За графикон треба користити просечне брзине ветра.
Користећи милиметарски папир, тимови цртају графикон који показује како се брзина ветра, мерено њиховим анемометром, повећавала како се брзина вентилатора или фенова повећавала. За графикон би требало да користе своје просечне брзине ветра.
Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.

Рефлексија ученика (инжењерска свеска)

Да ли сте успели да направите анемометар који је мерио три различите брзине „ветра“? Ако не, зашто није успео?
Да ли сте током фазе изградње одлучили да ревидирате свој оригинални дизајн или затражите додатне материјале? Зашто?
Да ли сте открили да су очитавања једног од ваших тестова можда резултирала великим променама у вашем просечном очитавању за ту брзину ветра?
Ако је ваш анемометар коришћен за тестирање локације како би се утврдило да ли би било добро инсталирати ветротурбину како би се искористила енергија ветра, да ли мислите да би три теста по подешавању брзине била довољна за генерисање поузданог просека? Ако не, колико тестова мислите да би било довољно?
Да сте могли да имате приступ материјалима који се разликују од понуђених, шта би ваш тим тражио? Зашто?
Да ли мислите да инжењери морају да прилагоде своје првобитне планове током изградње система или производа? Зашто би могли?
Ако бисте морали да поновите све изнова, како би се променио ваш планирани дизајн? Зашто?
Које дизајне или методе сте видели да су други тимови покушали за које сте мислили да добро функционишу?
Зашто мислите да се дизајн анемометра толико променио током времена?
Наведите још три дела опреме која су временом преуређена да би побољшала функционалност.

Модификација времена

Лекција се може изводити за само 1 час за старије ученике. Међутим, да бисте ученицима помогли да се осећају пожуривано и да би им осигурали успех (посебно за млађе ученике), поделите наставу на два периода дајући ученицима више времена за мозгање, тестирање идеја и дораду њиховог дизајна. Спроведите тестирање и извештавање у наредном периоду наставе.

Процес инжењерског дизајна

Позадине

Шта је анемометар?

Анемометар је уређај који се користи за мерење брзине ветра и један је инструмент који се користи у метеоролошкој станици. Термин је изведен из грчке речи анемос, што значи ветар. Први анемометар изумео је Леонардо да Винци. Леонардо је заправо дизајнирао две различите врсте инструмената за мерење брзине ветра. Цртеже за обе можете видети лево.

Прва се звала анемометар „ламеле“ или „пеннелло“ јер су се пера некада користила за мерење брзине ветра. То је био степенасти штап са танком плочом који се кретао у складу са силом ветра.

Други су направљени од цеви у облику конуса и дизајнирани су да провере да ли је притисак ветра који окреће точкове пропорционалан отвору у конусима кроз који је ваздух пролазио, с обзиром на исту брзину ветра.

Анемометар са четири шоље

Једноставна врста анемометра је анемометар са чашом, који је 1846. године изумео др Јохн Тхомас Ромнеи Робинсон. Садржала је четири шоље које су биле постављене на један крај четири хоризонтална крака, који су били причвршћени под углом од 90 степени један на други на вертикалној осовини. Ветар који дува хоризонтално окретао би чаше брзином пропорционалном брзини ветра. Ако сте бројали окрете чаша током одређеног временског периода, могли бисте да одредите просечну брзину ветра за ту локацију. Када је Робинсон први пут дизајнирао свој анемометар, погрешно је изјавио да су се чаше, ма колико биле велике или дуге руке, увек кретале трећином брзине ветра. Касније је откривено да стварни однос између брзине ветра и чаша, назван „фактор анемометра“, заправо зависи од димензија чаша и руку и може имати вредност између две и нешто више од три .

Анемометар са три шоље

Утврђено је да су анемометри са четири шоље имали кашњења у тачности када су се брзине ветра брзо мењале. Дакле, анемометар са три шоље направљен је да побољша тачност, посебно у окружењима где би се ветар могао променити брзо или неочекивано. Анемометар са три шоље први је развио Канађанин Јохн Паттерсон 1926. Као што је случај са многим инжењерским производима, они се временом побољшавају или „преправљају“ како би побољшали перформансе, смањили трошкове или повећали сигурност. Године 1935. анемометар са три шоље побољшали су Бревоорт & Јоинер из Сједињених Држава. Њихов рад довео је до дизајна чашица, који је био тачнији са стопом грешака мањом од 3% при брзинама до 60 миља на сат (мпх). 1991. године аустралијски Дерек Вестон променио је дизајн како би могао да мери и смер ветра и брзину ветра. Вестон је у једну шољу додао ознаку, због чега се брзина повећавала и смањивала док се ознака померала наизменично са и против ветра. Три анемометра са три шоље тренутно се користе као индустријски стандард за студије о процени енергије ветра.

Коришћење анемометра за испитивање потенцијала ветра

Анемометар је уређај који се користи за мерење брзине ветра. Многе земље и организације нуде програме позајмљивања анемометра, тако да компанија или појединац могу проценити ветар на њиховој локацији како би утврдили да ли ће се на њиховој локацији генерисати довољно снаге ветра. За ове тест локације, анемометар може прикупљати податке о брзини ветра у интервалима од 10 минута током дужег временског периода.

Сониц Анемометерс

Звучни анемометри (види фотографију десно) први пут су развијени 1970-их и користе ултразвучне звучне таласе за мерење брзине и смера ветра. Они мере брзину ветра на основу времена лета звучних импулса између парова претварача. Недостатак покретних делова чини их погодним за дуготрајну употребу на изложеним аутоматизованим метеоролошким станицама и метеоролошким плутачама где сланост ваздуха или велике количине прашине негативно утичу на тачност и поузданост традиционалних анемометра са шољама и лопатицама.

Избор материјала

Материјали одабрани за пројектовање анемометра често се заснивају на намени. На пример, анемометри намењени примени на малим брзинама ветра, као што су студије загађења ваздуха, обично су направљени од лаганих материјала. Међутим, због својих материјала нису погодни за веома ветровито или ледено окружење. Избор материјала је такође важан за предвиђање животног века опреме.

речник

Анемометар: Уређај који се користи за мерење брзине ветра и један је инструмент који се користи у метеоролошкој станици.
Ограничења: Ограничења у погледу материјала, времена, величине тима итд.
Критеријуми: Услови које дизајн мора да задовољи као његова укупна величина итд.
Инжењери: проналазачи и решавачи проблема света. У инжењерству је признато двадесет пет главних специјалности (погледајте инфографику).
Процес инжењерског пројектовања: Процесни инжењери користе за решавање проблема.
Инжењерске навике ума (ЕХМ): Шест јединствених начина на које инжењери размишљају.
Анемометар са четири чаше: Укључује четири шоље које су постављене на једном крају четири хоризонталне руке, које су причвршћене једна на другу под углом од 90 степени на вертикалној осовини. Ветар који дува хоризонтално би окретао чаше брзином која је била пропорционална брзини ветра.
Итерација: Тестирање и редизајн су једна итерација. Поновите (више понављања).
Прототип: Радни модел решења за тестирање.
Звучни анемометар: Користите ултразвучне звучне таласе за мерење брзине и смера ветра.
Анемометар са три чаше: Дизајниран да побољша тачност, посебно у окружењима где се ветар може брзо или неочекивано променити.

Копајте дубље

Интернет Цоннецтионс

Рецоммендед Реадинг

Енергија ветра - Чињенице: Водич за технологију, економију и будућност снаге ветра од Европске асоцијације за енергију ветра (ИСБН: 1844077101)
Енергија ветра у изграђеном окружењу (ИСБН: 0906522358)

Писање активности

Напишите есеј о томе зашто аеродром може имати неколико анемометара на различитим висинама за пружање информација контролорима аеродрома?

Усклађивање наставног програма

Усклађивање са оквирним програмима

Белешка: Планови лекција у овој серији усклађени су са једним или више следећих скупова стандарда:

Амерички стандарди за научно образовање (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Амерички научни стандарди следеће генерације (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарди за технолошку писменост Међународног удружења за технолошко образовање (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Амерички национални савет наставника математике „Принципи и стандарди за школску математику“ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Заједнички основни амерички државни стандарди за математику (http://www.corestandards.org/Math)
Удружење наставника информатике К-12 Стандарди рачунарске науке (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди научног образовања Разреди К-4 (узраст 4 - 9)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање
Разумевање научног испитивања

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Положај и кретање предмета

САДРЖАЈ СТАНДАРД Д: Наука о Земљи и свемиру

Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање

Промене на земљи и небу

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности технолошког дизајна
Разумевање науке и технологије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у локалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука као људски подухват

Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10 - 14 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање

Покрети и силе
Пренос енергије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности у 5-8 разредима, сви ученици би требало да се развијају

Способности технолошког дизајна

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у друштву

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Историја науке

Национални стандарди научног образовања Разреди 9-12 (узраст 14-18 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици би требало да развију разумевање

Покрети и силе

САДРЖАЈ СТАНДАРД Д: Наука о Земљи и свемиру

Као резултат својих активности, сви ученици би требало да развију разумевање

Енергија у земаљском систему

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности технолошког дизајна
Разумевање науке и технологије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у локалним, националним и глобалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Историјске перспективе

Научни стандарди следеће генерације, разреди 3-5 (узраст 8-11)

Кретање и стабилност: Силе и интеракције

Студенти који покажу разумевање могу:

3-ПС2-1. Планирајте и спроведите истрагу како бисте пружили доказе о ефектима уравнотежених и неуравнотежених сила на кретање предмета.

енергија

Студенти који покажу разумевање могу:

4-ПС3-1. Користите доказе да направите објашњење које повезује брзину објекта са енергијом тог предмета.

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

3-5-ЕТС1-1.Дефинишите једноставан дизајн проблем који одражава потребу или потребу која укључује одређене критеријуме за успех и ограничења на материјале, време или трошкове.
3-5-ЕТС1-2. Генеришите и упоредите више могућих решења проблема на основу тога колико је вероватно да ће свако од њих испунити критеријуме и ограничења проблема.
3-5-ЕТС1-3.План и извршити фер испитивања у којима се контролишу променљиве и узимају у обзир тачке отказа како би се идентификовали аспекти модела или прототипа који се могу побољшати.

Следећа Научни стандарди генерације, разреди 6-8 (узраст 11-14)

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

МС-ЕТС1-2 Процените конкурентска решења дизајна користећи систематски поступак да бисте утврдили колико добро испуњавају критеријуме и ограничења проблема.

Научни стандарди следеће генерације, разреди 9-12 (узраст 14-18)

енергија

Студенти који покажу разумевање могу:

ХС-ПС3-3. Дизајнирајте, направите и дорадите уређај који ради у оквиру задатих ограничења да претвори један облик енергије у други облик енергије.

Принципи и стандарди за школску математику

Број и оперативни стандард

Разумевање бројева, начина представљања бројева, односа међу бројевима и бројевних система

Анализа података и стандарди вероватноће

Формулишите питања која се могу адресирати подацима и прикупљати, организовати,
и приказати релевантне податке како би на њих одговорили.

Уобичајени основни државни стандарди за школску математику, разреди 2-8 (узраст 7-10 година)

Геометрија

Графикујте тачке на координатној равни за решавање стварних и математичких проблема.
ЦЦСС.Матх.Цонтент.5.ГА2 Представљају стварни свет и математичке проблеме графичким приказом тачака у првом квадранту координатне равни и тумаче координатне вредности тачака у контексту ситуације.

Стандарди за технолошку писменост - сва доба

Природа технологије

Стандард 1: Студенти ће развити разумевање карактеристика и домета технологије.
Стандард 3: Студенти ће развити разумевање односа између технологија и веза између технологије и других поља студија.

Технологија и друштво

Стандард 5: Студенти ће развити разумевање ефеката технологије на животну средину.

Дизајн

Стандард 8: Студенти ће развити разумевање својстава дизајна.
Стандард 9: Студенти ће развити разумевање инжењерског дизајна.
Стандард 10: Студенти ће развити разумевање улоге решавања проблема, истраживања и развоја, проналаска и иновација и експериментисања у решавању проблема.

Способности за технолошки свет

Стандард 11: Студенти ће развити способности за примену процеса дизајнирања.

Студентски радни лист

Радите као тим инжењера који су добили изазов да сами дизајнирају анемометар од свакодневних предмета. Тестираћете анемометар на неколико различитих брзина „ветра“ које генерише вентилатор или сушило за косу у вашој учионици. Такође морате осмислити систем за мерење и бележење брзине ветра како показује њихов анемометар. И, мораћете да графички прикажете брзину ветра, прегледате дизајн других студентских „инжењерских“ тимова и представите своја сазнања предавању.

Фаза планирања

Састаните се као тим и разговарајте о проблему који треба да решите. Мораћете да одлучите да ли желите да направите анемометар од четири или три шоље - или ћете можда имати бољу идеју и нови дизајн! Тада ваш тим треба да развије и договори дизајн вашег анемометра. Мораћете да утврдите које материјале желите да користите - имајте на уму да ваш дизајн мора бити довољно јак да поднесе ветар из вентилатора или сушила за косу и да ћете морати да генеришете информације о брзини ветра на скалу коју развијате - тако да можда постоје неки елементи дизајна које можете уградити у свој анемометар који ће вам помоћи да пратите кретање. Нацртајте свој дизајн у доњем пољу и обавезно наведите опис и број делова које планирате да користите. Представите свој дизајн предавању. Можете изабрати да ревидирате план својих тимова након што добијете повратну информацију од предавања.

Потребни материјали:

Фаза изградње

Направите свој анемометар. Током градње можете одлучити да су вам потребни додатни материјали или да ваш дизајн треба променити. Ово је у реду - само направите нову скицу и ревидирајте листу материјала.

Фаза тестирања

Сваки тим ће тестирати свој анемометар на три различите брзине „ветра“ користећи вентилатор у учионици или сушило за косу. Тестирајте три пута при свакој брзини и одредите просечну брзину ветра за свако подешавање вентилатора или сушила за косу. На сваком тесту у пољу испод назначите која је тачно брзина ветра. Обавезно гледајте тестове осталих тимова и посматрајте како су радили њихови различити дизајни.

Тест #	Подешавање брзине вентилатора	Брзина ветра мерено анемометром	Просечна брзина ветра при подешавању брзине вентилатора
1	низак
2	низак
3	низак
1	Средњи
2	Средњи
3	Средњи
1	висок
2	висок
3	висок

Фаза документације

Користећи милиметарски папир, нацртајте графикон који показује како се брзина ветра мерена вашим анемометром повећавала како се повећавала брзина вентилатора или сушила за косу. За графикон користите своје просечне брзине ветра.

Фаза евалуације

Оцените резултате својих тимова, попуните радни лист за евалуацију и представите своја сазнања предавању.

Користите овај радни лист за процену резултата вашег тима у активности „Мерење ветра“.

Да ли сте успели да направите анемометар који је мерио три различите брзине „ветра“? Ако не, зашто није успео?

Да ли сте током фазе изградње одлучили да ревидирате свој оригинални дизајн или затражите додатне материјале? Зашто?

Да ли сте открили да су очитавања једног од ваших тестова можда резултирала великим променама у вашем просечном очитавању за ту брзину ветра?

Ако је ваш анемометар коришћен за тестирање локације како би се утврдило да ли би било добро инсталирати ветротурбину како би се искористила енергија ветра, да ли мислите да би три теста по подешавању брзине била довољна за генерисање поузданог просека? Ако не, колико тестова мислите да би било довољно?