Tasarlanmış Sporlar

Materyal Oluşturma (Her ekip için)

Gerekli malzemeler

• En az dört çeşit top (golf topu, antrenman / içi boş golf topu, tenis topu, beyzbol, futbol topu, basketbol, ​​lastik top)
• Ölçüm bandı

Tasarım Yarışması

• Zorluk 1 - Uçak kanatlarına gamzeler eklemenin jet yolcuları için yakıt verimliliğini artırıp artırmayacağını belirleyen bir mühendis ekibisiniz. Grup olarak birkaç soruyu yanıtlamanız ve analizinizi sınıfınızdaki diğer ekiplerle paylaşmanız gerekecek.
• 2. Zorluk - Farklı zıplayan top türlerinin fiziğini değerlendirme ve açıklama görevi verilen bir mühendis ekibisiniz.

1. Sınıfı 2-3 kişilik takımlara ayırın.
2. Engineered Sports çalışma sayfasını ve tasarımların eskizlerini çizmek için bazı kağıtları dağıtın.
3. Arka Plan Kavramları Bölümündeki konuları tartışın. Öğrencilerden bir sopa tarafından vurulduğunda bir golf topunun nasıl tepki verdiğini düşünmelerini isteyin. Hangi faktörler topun daha ileri gitmesini sağlar?
4. Mühendislik Tasarım Süreci, Tasarım Zorluğu ve Malzemeleri gözden geçirin.
5. Her takıma malzemelerini sağlayın.
6. Öğrencilerin iki zorluğu tamamlamaları gerektiğini açıklayın:
   1. Uçak kanatlarına çukurlar eklemenin jet uçakları için yakıt verimliliğini artırıp artırmayacağını belirlemek için bir ekip olarak çalışın. Grup olarak birkaç soruyu yanıtlamaları ve analizlerini sınıftaki diğer ekiplerle paylaşmaları gerekecek.
   2. Aynı yükseklikten düşürüldüğünde bir dizi topun nasıl sekeceğini tahmin etmek ve açıklamak için bir ekip olarak çalışın. Takımlar iki tür enerjiyi (kinetik ve potansiyel) değerlendirecek ve her topun esnekliğini ve sekmesini tartışacaktır. Ayrıca bir sıçrama testi yapacaklar ve bulgularını belgeleyecekler.
7. Soruları yanıtlamaları, testlerini ve dokümantasyonlarını gerçekleştirmeleri gereken süreyi duyurun (1 saat önerilir).
8. Zamanında kalmanızı sağlamak için bir zamanlayıcı veya çevrimiçi bir kronometre (geri sayım özelliği) kullanın. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Öğrencilere, görevde kalmaları için düzenli "zaman kontrolleri" verin. Mücadele ediyorlarsa, onları daha hızlı çözüme götürecek sorular sorun.
9. Öğrenciler 1 numaralı mücadeleyi tamamlamak için toplanır, aşağıdaki soruları yanıtlar ve ardından sınıfa sunarlar:
   ● Düzgün bir topun veya çukurlu bir topun havada uçarken daha az hava sürtünmesi yaşayacağını düşünüyor musunuz? Neden?
   ○ Öğretmen için: Testler, pürüzsüz bir golf topunun çukurlu bir golf topunun yalnızca yarısına kadar uçacağını göstermektedir. Rüzgar tünellerinde yapılan golf toplarının testleri, aslında çukurlu topların, dalgalanmayı azaltan türbülanslı bir sınır tabakası oluşturarak sürüklemeyi önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Golf topları üzerindeki çukurlar, eğer top düzgünse normalde topa etki eden aerodinamik direnci azaltır. Tamamen pürüzsüz toplar havada uçtuğunda, arkasında büyük bir düşük basınçlı hava cebi oluşur. Bu, onu yavaşlatan sürüklenmeyi yaratır. Uyanıklığı azaltarak, basınç farkı azalır ve bu da azaltılmış bir sürükleme kuvveti ile sonuçlanır. Çukurlar, topun etrafındaki havada türbülans yaratır. Aslında havanın topu çok yakından kucaklamasını sağlıyor. Bu, havanın bir topu hızla geçmesi yerine, önden arkaya doğru topun eğrisini daha yakından takip ettiği anlamına gelir. Bu, daha küçük bir wake ve daha az sürükleme ile sonuçlanır. Çukurlu toplar, yumuşak topların yaptığı gibi yaklaşık 1/2 oranında sürükleme yaratır.
   ● Çukurların bir golf topu üzerindeki etkisini anlamak, mühendislik ekibimiz uçakların kanatlarına çukurlar eklemeyi önermeli mi? Sınıfınıza sunacağınız bu fikir lehinde veya aleyhinde bir argüman yazın.
   ○ Öğretmen için: Golf toplarına çukur eklemenin sürtünmeyi azaltmaya yardımcı olmasının nedenlerinden biri, bir golf topunun yuvarlak olmasıdır. Yuvarlak şekil, havada hareket ederken golf topuna karşı çalışır. Toplar veya küreler, verimli uçuş için en iyi şekiller değildir. Uçaklar, hava akımının kademeli olarak bir araya gelmesine izin veren konik bir şekle sahip olarak sürüklenmeyi önler, böylece uçağın arkasındaki hava daha az türbülanslı olur ve daha az sürtünmeyle sonuçlanır. Futbol topları, golf toplarından daha aerodinamik bir şekle sahiptir. Ayrıca, uçak kanatları gibi aerodinamik şekiller, yüzey sürtünme sürüklemesi adı verilen farklı türden bir sürüklenmeyle başa çıkmak zorundadır. Bir bakıma, uçak kanatlarından (vorteks jeneratörleri) yapışan tırnaklar, çukurlara benzer bir işleve sahiptir, çünkü havayı parçalamaktadır. Futbol toplarında ipler de benzer bir işleve sahiptir. Uçaklara çukur eklemenin sürüklenmeyi önemli ölçüde etkilememesinin bir başka nedeni de, bir golf topundan farklı olarak bir uçağın motor gücü nedeniyle hareket ediyor olmasıdır. Golf topları vurulduktan hemen sonra yavaşlar, bu nedenle çukurlar topu daha uzun süre havada tutmaya yardımcı olur; uçaklar, motor çalıştığı sürece ayakta kalabilir.
   ● Mühendisliğin diğer spor ekipmanlarının tasarımını nasıl etkilediğine dair iki örnek verin. Son on yılda mühendislik sonucunda iki spor ekipmanının fiziksel olarak nasıl değiştiğine dair belirli örnekleri ekleyin.
   ○ Öğretmen için: Örnekler arasında futbol topları, futbol topları, yüzme gözlükleri, mayolar, tenis raketleri, kayaklar, koruyucu kasklar yer alır.
10. Öğrenciler 2 numaralı mücadeleyi tamamlamak için bir araya geliyor.
11. Sınıf olarak, 2. zorluk için öğrenci yansıtma sorularını tartışın.
12. Konuyla ilgili daha fazla içerik için "Daha Derin Kazma" bölümüne bakın.

Öğrenci Yansıması (mühendislik defteri)

1. Hemen çıkma tahminleriniz, gerçek hemen çıkma sonuçlarıyla karşılaştırıldığında nasıldı? Bulgularınla ​​ilgili seni ne şaşırttı?
2. Bu sıçrama testi ile ilgili olarak kinetik ve potansiyel enerji kavramlarını açıklayın.
3. Bir enerji kaybı olsaydı, bunun sebebi ne olurdu?
4. Farklı topların sekmesindeki farkı neyin hesaba kattığını düşünüyorsunuz? Daha büyük müydü? Daha fazla malzeme mi? Daha çok mühendislik mi? Kombinasyon?
5. Topların farklı zıplama seviyeleri olsaydı sporun nasıl değişeceğini düşünün. Bir spor seçin ve üç farklı zıplama seviyesinin sporu, oyuncularını, diğer ekipmanlarını ve hatta sporun oynandığı ortamı nasıl etkileyeceğini açıklayın.
6. Yukarıdaki 5. soruyu yanıtlayarak tasarım değiş tokuşları (mühendislikte yaygın) hakkında neler öğrendiniz?

Ders, daha büyük öğrenciler için 1 ders dönemi kadar kısa bir sürede yapılabilir. Bununla birlikte, öğrencilerin acele hissetmelerine yardımcı olmak ve öğrenci başarısını sağlamak için (özellikle daha genç öğrenciler için) dersi iki döneme ayırın, öğrencilere beyin fırtınası yapmaları, fikirleri test etmeleri ve tasarımlarını tamamlamaları için daha fazla zaman verin. Bir sonraki sınıf döneminde testi ve sorgulamayı gerçekleştirin.

• Aerodinamik: Bir nesnenin havada ne kadar kolay hareket edebildiğini etkileyen nitelikleri.
• Havacılık ve Uzay Mühendisliği: Uçan makinelerin tasarımı, inşası, test edilmesi ve kontrolü.
• Hava Direnci: Havanın hareket eden bir cisme karşı ittiği sürtünme kuvveti.
• Sıçrama: Bir engele çarptıktan sonra hareket yönünün değişmesi.
• Kısıtlamalar: Malzeme, zaman, ekibin büyüklüğü vb. ile ilgili sınırlamalar.
• Kriterler: Tasarımın genel boyutu vb. gibi karşılaması gereken koşullar.
• Sürükleme: Bir cismin sıvı veya gaz içindeki hareketini yavaşlatma eğiliminde olan bir kuvvet.
• Mühendisler: Dünyanın mucitleri ve problem çözücüleri. Mühendislikte yirmi beş ana uzmanlık tanınır (infografiklere bakın).
• Mühendislik Tasarım Süreci: Süreç mühendisleri sorunları çözmek için kullanır. 
• Mühendislik Zihni Alışkanlıkları (EHM): Mühendislerin düşündüğü altı benzersiz yol.
• Sürtünme: Temas halindeki iki yüzeyin bağıl hareketine veya bu tür harekete yönelik eğilimine karşı çıkan kuvvet.
• Kinetik Enerji: Hareketinden dolayı sahip olduğu ekstra enerjidir.
• Yineleme: Test ve yeniden tasarım bir yinelemedir. Tekrarla (birden çok yineleme).
• Potansiyel Enerji: Bir cismin konumundan (yerçekimi veya elektrik alanında) veya durumundan (örneğin gergin veya sıkıştırılmış bir yay veya bir kimyasal reaktan olarak) dolayı sahip olduğu enerji.
• Prototip: Test edilecek çözümün çalışan bir modeli.

İnternet Bağlantıları

• Exploratorium: Spor Bilimi

Önerilen Kaynaklar

• Newton on the Tee: Golf Biliminde İyi Bir Yürüyüş, John Zumerchik (ISBN: 0743212142)
• Theodore P.Jorgensen (AIP) tarafından Golf Fiziği (ISBN: 038798691X)
• Engineering of Sport, yazan Eckehard Moritz (Editör), Steven Haake (Editör)

Yazma aktivitesi

En sevdiğiniz spor ekipmanının tasarımını ve geliştirilmesini mühendisliğin nasıl etkilediğini açıklayan bir makale veya paragraf yazın. Destekleyici ayrıntılar, tarihçe verin ve mühendisliğin sporu daha da geliştirebileceğini düşündüğünüze dair önerilerde bulunun.

Müfredat Çerçevelerine Uyum

Not: Bu serideki ders planları, aşağıdaki standartlardan bir veya daha fazlasıyla uyumludur:  

• ABD Bilim Eğitimi Standartları (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• ABD Yeni Nesil Bilim Standartları (http://www.nextgenscience.org/) 
• Uluslararası Teknoloji Eğitimi Derneği'nin Teknolojik Okuryazarlık Standartları (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• ABD Ulusal Matematik Öğretmenleri Konseyi'nin Okul Matematiği İlkeleri ve Standartları (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Matematik için ABD Ortak Çekirdek Eyalet Standartları (http://www.corestandards.org/Math)
• Bilgisayar Bilimleri Öğretmenleri Derneği K-12 Bilgisayar Bilimleri Standartları (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 5-8. Sınıflar (10-14 yaş)

İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim

Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir

• Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler 
• Bilimsel sorgulama ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART B: Fiziksel Bilimler

Faaliyetlerinin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler bir anlayış geliştirmelidir.

• Maddedeki özelliklerin özellikleri ve değişiklikleri 
• Hareketler ve kuvvetler 
• Enerji transferi 

İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji

5-8. Sınıflardaki aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir.

• Teknolojik tasarım yetenekleri 
• Bilim ve teknoloji ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim

Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Toplumda bilim ve teknoloji 

İÇERİK STANDART G: Bilimin Tarihi ve Doğası

Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Bilim tarihi 

Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 9-12. Sınıflar (14-18 yaş)

İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim

Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir

• Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler 
• Bilimsel sorgulama ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART B: Fiziksel Bilimler 

Faaliyetlerinin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Hareketler ve kuvvetler 
• Enerjinin korunumu ve düzensizlikte artış 
• Enerji ve maddenin etkileşimleri 

İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji

Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir

• Teknolojik tasarım yetenekleri 
• Bilim ve teknoloji ile ilgili anlayışlar 

Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 9-12. Sınıflar (14-18 yaş)

İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim

Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Yerel, ulusal ve küresel zorluklarda bilim ve teknoloji 

İÇERİK STANDART G: Bilimin Tarihi ve Doğası

Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Bir insan çabası olarak bilim 

Yeni Nesil Bilim Standartları 2-5. Sınıflar (7-11 Yaş)

Madde ve Etkileşimleri 

Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:

• 2-PS1-2. Hangi malzemelerin amaçlanan bir amaca en uygun özelliklere sahip olduğunu belirlemek için farklı malzemelerin test edilmesinden elde edilen verileri analiz edin.

Mühendislik tasarımı 

Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:

• 3-5-ETS1-3. Bir modelin veya prototipin iyileştirilebilecek yönlerini belirlemek için değişkenlerin kontrol edildiği ve başarısızlık noktalarının dikkate alındığı adil testler planlayın ve uygulayın.

Yeni Nesil Bilim Standartları 6-8. Sınıflar (11-14 Yaş)

Enerji

Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:

• MS-PS3-5. Bir nesnenin kinetik enerjisi değiştiğinde, enerjinin nesneye veya nesneden aktarıldığı iddiasını desteklemek için argümanlar oluşturun, kullanın ve sunun.

Teknolojik Okuryazarlık Standartları - Tüm Yaşlar

Teknolojinin Doğası

• Standart 1: Öğrenciler teknolojinin özellikleri ve kapsamı hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.
• Standart 3: Öğrenciler, teknolojiler arasındaki ilişkiler ve teknoloji ile diğer çalışma alanları arasındaki bağlantılar hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.

Teknoloji ve Toplum

• Standart 4: Öğrenciler teknolojinin kültürel, sosyal, ekonomik ve politik etkilerine ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.
• Standart 7: Öğrenciler teknolojinin tarih üzerindeki etkisine dair bir anlayış geliştirecekler.

Teknolojik Okuryazarlık Standartları - Tüm Yaşlar

Dizayn

• Standart 8: Öğrenciler tasarımın niteliklerine ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.
• Standart 9: Öğrenciler bir mühendislik tasarımı anlayışı geliştireceklerdir.
• Standart 10: Öğrenciler sorun giderme, araştırma ve geliştirme, icat ve yenilik ve problem çözmede deney yapmanın rolüne ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.

Teknolojik Bir Dünya İçin Yetenekler

• Standart 11: Öğrenciler tasarım sürecini uygulama becerilerini geliştireceklerdir.
• Standart 13: Öğrenciler, ürünlerin ve sistemlerin etkisini değerlendirme becerilerini geliştireceklerdir.

Ders Planı Tercümesi

• Arapça
• Çince
• Fransızca
• Almanca
• Japonca
• Rusça
• İspanyolca