Balloon Car

Φτιάξε το αυτοκίνητο μπαλόνι

Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα φτιάξουν ένα αυτοκίνητο που κινείται από την ελαστική ενέργεια ενός μπαλονιού. Αυτό το αυτοκίνητο μετατρέπει τη δυνητική ενέργεια σε κινητική , σε αντίθεση με το οικογενειακό σας αυτοκίνητο που μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε κινητικήΤα μπαλόνια είναι ελαστικά και αποθηκεύουν πιθανή ενέργεια όταν γεμίζουν με αέρα. Όταν απελευθερώνεται ο αέρας, η δυνητική ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια κίνησης, η οποία είναι επίσης γνωστή ως  κινητική ενέργεια . Αυτή είναι η ενέργεια που βλέπετε όταν το αυτοκίνητο προωθείται.

Όσο περισσότερη πιθανή ενέργεια αποθηκεύεται, τόσο περισσότερη κινητική ενέργεια θα έχει το αυτοκίνητο όταν το αφήσετε!

Στόχοι: 

Κατανοήστε τι είναι η δυναμική και η κινητική ενέργεια και πώς μπορεί η μία να μετατραπεί στην άλλη.

Χρησιμοποιήστε τη διαδικασία σχεδιασμού μηχανικής για να επαναλάβετε τη δοκιμή και να τροποποιήσετε ένα σχέδιο.

Βασικές Ερωτήσεις:

Τι συμβαίνει όταν φυσάτε το μπαλόνι μεγαλύτερο;

Πώς μπορείτε να κάνετε το αυτοκίνητο να ταξιδέψει περισσότερο ή να απογειωθεί πιο γρήγορα;

 

Ροή μαθήματος

Συμμετοχή ➙ Εξερεύνηση ➙ Αντανάκλαση ➙ Αξιολόγηση ➙ Παραλλαγές

 

Συμμετοχή (5 λεπτά)

Φουσκώστε ένα μπαλόνι και σφίξτε το ακροφύσιο.

Τι είδους ενέργεια αποθηκεύεται στο μπαλόνι;

Το φουσκωμένο μπαλόνι αποθηκεύει πιθανή ενέργεια με τη μορφή του τεντωμένου καουτσούκ του μπαλονιού και του πεπιεσμένου αέρα μέσα στο μπαλόνι. Όσο περισσότερο φουσκώνει το μπαλόνι, τόσο περισσότερη πιθανή ενέργεια αποθηκεύει.

Αφήστε το ακροφύσιο και αφήστε το μπαλόνι να πετάξει γύρω από το δωμάτιο.

Σε τι τύπο ενέργειας μετατρέπεται η δυνητική ενέργεια;

Η αποθηκευμένη δυναμική ενέργεια του μπαλονιού μετατρέπεται σε κινητική, την ενέργεια της κίνησης. Η κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου εξαρτάται από τη μάζα του και το τετράγωνο της ταχύτητάς του. Για παράδειγμα, εάν δύο αντικείμενα κινούνται με την ίδια ταχύτητα, το βαρύτερο έχει περισσότερη κινητική ενέργεια.

Τι συμβαίνει με την κινητική ενέργεια του μπαλονιού; Γιατί το μπαλόνι δεν συνεχίζει να κινείται για πάντα;

Η κινητική ενέργεια αυτού του μπαλονιού μετατρέπεται σταδιακά σε θερμική καθώς η τριβή την επιβραδύνει. Το μπαλόνι μπορεί επίσης να συγκρουστεί με ένα αντικείμενο όπως ένας τοίχος ή ένα γραφείο, το οποίο ασκεί δύναμη για να σταματήσει το μπαλόνι (και μετατρέπει την υπόλοιπη ενέργεια σε θερμική ενέργεια).

Το μπαλόνι έκανε τυχαίες κινήσεις γύρω από το δωμάτιο. Πώς θα μπορούσαμε να ελέγξουμε καλύτερα την κατεύθυνση του αέρα που διαφεύγει από το μπαλόνι;

Δείξτε πώς μπορείτε να συνδέσετε το λαιμό του μπαλονιού σε ένα καλαμάκι χρησιμοποιώντας μια λαστιχένια ταινία ή ταινία, όπως φαίνεται στο σχήμα 3 της ενότητας φόντου . Φουσκώστε το μπαλόνι μέσα από το καλαμάκι και αφήστε το.

Εξηγήστε ότι οι μαθητές θα χρησιμοποιήσουν τα υλικά που έχετε στη διάθεσή σας στην τάξη για να κατασκευάσουν αυτοκίνητα με κινητήρα. Τα αυτοκίνητά τους θα χρειαστούν αμάξωμα, τροχούς και άξονες και θα προωθούνται προς τα εμπρός με διαφυγή αέρα από ένα μπαλόνι.

Ποια υλικά θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε για το αμάξωμα του αυτοκινήτου σας;

 

Ο στόχος είναι να δούμε ποιος μπορεί να κατασκευάσει ένα αυτοκίνητο που ταξιδεύει πιο μακριά πριν σταματήσει. Θα ακολουθήσουν τη διαδικασία σχεδιασμού μηχανικής για να σχεδιάσουν, να κατασκευάσουν και να δοκιμάσουν τα αυτοκίνητά τους. Αυτό σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να πάρουν το αυτοκίνητό τους "σωστά" στην πρώτη προσπάθεια. Θα τους επιτραπεί να δοκιμάσουν και να επανασχεδιάσουν τα αυτοκίνητά τους (όσο το δυνατόν όσο ο χρόνος το επιτρέπει) πριν από έναν διαγωνισμό τελικής κατηγορίας.

 

Σχέδιο μαθήματος αυτοκινήτου με μπαλόνι.

Εξερεύνηση (50 λεπτά)

 

Σημαντικό : για υγειονομικούς λόγους, ορίστε έναν μαθητή από κάθε ομάδα για να φουσκώσει το μπαλόνι του αυτοκινήτου του, έτσι ώστε οι μαθητές να μην μοιράζονται καλαμάκια.

Ζητήστε από κάθε ομάδα να χρησιμοποιήσει το φύλλο εργασίας των μαθητών για να σχεδιάσει το αυτοκίνητό τους πριν ξεκινήσουν την κατασκευή.

Αφήστε τους μαθητές να συγκεντρώσουν υλικά και να αρχίσουν να κατασκευάζουν τα αυτοκίνητά τους.

Όταν μεμονωμένες ομάδες είναι έτοιμες, μπορούν να έρθουν στον ανοιχτό χώρο για να δοκιμάσουν το αυτοκίνητό τους. Για να δοκιμάσετε ένα αυτοκίνητο:

Χτυπήστε το καλαμάκι για να φουσκώσει το μπαλόνι.

Βάλτε γρήγορα το δάχτυλό σας πάνω από την άκρη του καλαμάκι για να σφραγίσετε τον αέρα μέσα.

Τοποθετήστε το αυτοκίνητο στο πάτωμα στο σημείο "0" στο μεζούρα.

Αφήστε το δάχτυλό σας και παρακολουθήστε το αυτοκίνητο μέχρι να σταματήσει.

Καταγράψτε πόσο μακριά ταξίδεψε το αυτοκίνητο χρησιμοποιώντας τον πίνακα δεδομένων στο φύλλο εργασίας του μαθητή.

Ενθαρρύνετε τους μαθητές να κάνουν ερωτήσεις όπως αυτές όταν δοκιμάζουν:

Το αυτοκίνητο κινείται σε ευθεία γραμμή ή καμπυλώνει προς τη μία πλευρά;

Το αυτοκίνητο προχωρά ομαλά ή η κίνηση του είναι σπασμωδική;

Το αυτοκίνητο συνεχίζει την ακτή μετά το ξεφούσκωμα του μπαλονιού ή σταματάει απότομα;

Εάν παρατηρήσουν προβλήματα, πώς θα μπορούσαν να βελτιώσουν το σχέδιο;

Προτρέψτε τους μαθητές να σκεφτούν τη ροή ενέργειας καθώς δοκιμάζουν τα αυτοκίνητά τους.

Πώς μπορείτε να αυξήσετε την ποσότητα δυνητικής ενέργειας που αποθηκεύεται στο σύστημά σας; Θα μπορούσε αυτό να δημιουργήσει προβλήματα ή προκλήσεις;

Μπορείτε να αυξήσετε την ποσότητα της αποθηκευμένης δυνητικής ενέργειας φουσκώνοντας περισσότερο το μπαλόνι. Ωστόσο, εάν φουσκώσετε πολύ το μπαλόνι, μπορεί να σκάσει ή να πετάξει από το καλαμάκι. Μερικοί μαθητές μπορεί επίσης να σκεφτούν να προσθέσουν ένα δεύτερο μπαλόνι. Αυτό θα αυξήσει επίσης την αποθηκευμένη δυνητική ενέργεια.

Για μια σταθερή ποσότητα αρχικής δυνητικής ενέργειας (το μπαλόνι είναι διογκωμένο μια συγκεκριμένη ποσότητα), πώς μπορείτε να μεγιστοποιήσετε την απόσταση που διανύει το αυτοκίνητό σας;

Οι δυνατότητες περιλαμβάνουν το ελαφρύτερο αυτοκίνητο και την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που χάνεται από την τριβή κάνοντας τους άξονες να περιστρέφονται πιο ομαλά.

Επιτρέψτε στους μαθητές να επιστρέψουν στους χώρους εργασίας τους για να τροποποιήσουν, να βελτιώσουν και να δοκιμάσουν ξανά τα αυτοκίνητά τους.

Με περίπου 15 λεπτά που απομένουν (ανάλογα με τον αριθμό των ομάδων), διοργανώστε έναν διαγωνισμό σε όλη την τάξη για να δείτε ποιανού το αυτοκίνητο ταξιδεύει πιο μακριά. Μπορείτε να δώσετε σε κάθε ομάδα τρεις προσπάθειες και είτε να καταγράψετε την πιο μακρινή τους απόσταση είτε να υπολογίσετε τη μέση απόσταση.

 

Αντιμετώπιση προβλημάτων

 

Οι μαθητές σας ενδέχεται να αντιμετωπίσουν κάποια προβλήματα κατά την κατασκευή των αυτοκινήτων τους. Θυμηθείτε ότι η υπέρβαση αυτών των προκλήσεων είναι μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού μηχανικής. Ωστόσο, εδώ είναι μερικά κοινά προβλήματα και συμβουλές που μπορείτε να δώσετε στους μαθητές σας εάν κολλήσουν.

Το αυτοκίνητο δεν κινείται καθόλου

• Προσπαθήστε να φουσκώσετε περισσότερο το μπαλόνι. Τεντώστε το μπαλόνι με το χέρι για να διευκολύνετε το φούσκωμα.
• Βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχει υπερβολική τριβή στους άξονες. Εάν σηκώσετε το αυτοκίνητο, θα πρέπει να μπορείτε να περιστρέψετε ελεύθερα τους τροχούς.
• Προσπαθήστε να κάνετε το αυτοκίνητο ελαφρύτερο.

Η κίνηση του αυτοκινήτου είναι σπασμωδική και όχι ομαλή

• Βεβαιωθείτε ότι οι τροχοί είναι κεντραρισμένοι στους άξονες. Οι τροχοί εκτός κέντρου θα ταλαντεύονται καθώς κυλούν.
• Βεβαιωθείτε ότι οι τροχοί μπορούν να περιστρέφονται ομαλά. Δοκιμάστε να περιστρέψετε κάθε τροχό με το χέρι. Είναι πιο δύσκολο να γυρίσει ο τροχός σε οποιοδήποτε σημείο κατά τη διάρκεια της περιστροφής; Τίποτα στον άξονα προκαλεί να κολλήσει;

Το αυτοκίνητο παρασύρεται προς τη μία πλευρά

• Βεβαιωθείτε ότι οι τροχοί του αυτοκινήτου είναι συμμετρικοί και ευθυγραμμισμένοι.
• Βεβαιωθείτε ότι το καλαμάκι βρίσκεται στο κέντρο του αμαξώματος του αυτοκινήτου και είναι στραμμένο κατευθείαν προς τα πίσω.

Διαρρέει αέρας από το μπαλόνι

• Τυλίξτε το λαστιχάκι ή την ταινία πιο σφιχτά γύρω από το λαιμό του μπαλονιού για να σφραγίσετε τυχόν διαρροές.
• Βεβαιωθείτε ότι έχετε τσιμπήσει σταθερά την άκρη του καλαμάκι με το δάχτυλό σας για να αποφύγετε τη διαρροή αέρα από το άκρο του καλαμιού.
• Περιμένετε μέχρι να φτάσετε στην περιοχή δοκιμών για να φουσκώσετε το μπαλόνι και δοκιμάστε το αυτοκίνητο πολύ γρήγορα πριν ο αέρας έχει πολύ χρόνο για να διαρρεύσει.

 

Αντανάκλαση (5 λεπτά)

 

Συζητήστε τις παρακάτω ερωτήσεις ως τάξη.

• Ποια προβλήματα αντιμετώπισαν οι μαθητές κατά το σχεδιασμό και την κατασκευή των αυτοκινήτων τους; Πώς ξεπέρασαν αυτές τις προκλήσεις;
• Τα πιο επιτυχημένα σχέδια είχαν κάτι κοινό, όπως υλικά ή μεθόδους κατασκευής;
• Εάν οι μαθητές είχαν περισσότερο χρόνο, πώς θα τροποποιούσαν ή θα βελτίωναν περαιτέρω τα σχέδιά τους; Θα χρησιμοποιούσαν οποιοδήποτε υλικό που δεν είναι προς το παρόν διαθέσιμο στην τάξη;
• Τα αυτοκίνητα σε αυτό το έργο αποθηκεύουν πιθανή ενέργεια σε φουσκωμένα μπαλόνια. Πώς αποθηκεύουν ενέργεια τα αληθινά αυτοκίνητα; Πώς μετατρέπεται αυτή η ενέργεια σε κινητική;

Τα αληθινά αυτοκίνητα αποθηκεύουν χημική ενέργεια σε δεξαμενές βενζίνης ή ηλεκτρικές μπαταρίες, οι οποίες ενεργοποιούν τους κινητήρες για να περιστρέφουν τους τροχούς του αυτοκινήτου, μετατρέποντας την αποθηκευμένη ενέργεια σε κινητική.

 

Αξιολόγηση (10 λεπτά)

 

Χρησιμοποιήστε αυτό το κουίζ για να αξιολογήσετε τη μάθηση των μαθητών μετά τη δραστηριότητα. το κουίζ είναι διαθέσιμο σε μορφές online και pdf:

 

Τι θα χρειαστούμε

1. Μπαλόνι
2. Μπουκάλι πλαστικό ή χαρτόνι απλό
3. Καπάκια για ρόδες
4. Καλαμάκια

5. Ξυλάκια 
 

Βήμα 1: Φτιαξτε τον αξονα και τις ροδες

βημα 2: Συνδέστε το μπαλονι

βημα 3: φουσκωστε και δοκιμαστε