Wiropłatowiec - (EU

Wiropłatowiec
Cele
Uczniowie:
Stworzą model wiropłatowca.
Wykorzystując model zdefiniują relację matematyczną.
Standardy i umiejętności
auka
Nauka jako
poszukiwanie
Fizyka
Pozycja i ruch
przedmiotów
Nauka i technologia
Umiejętności naukowe
Obserwacja
Tworzenie modeli
Kontrolowanie
zmiennych
Matematyka
Rozwiązywanie
problemów
Szacowanie
Dokonywanie
pomiarów
Tworzenie grafów
Wprowadzenie
Aby powstała siła nośna powietrze musi poruszać się względem
skrzydła. Ptaki i owady unoszą się w powietrzu dzięki temu, że
poruszając skrzydłami, powodują ruch powietrza. Skrzydła samolotu są
na stałe przymocowane do kadłuba. Siła nośna powstaje w wyniku
poruszania się w powietrzu skrzydeł i kadłuba. Helikoptery są wiropłatami siła nośna wytwarzana jest przez ruch obrotowy skrzydła w powietrzu.
Aeronautics: An Educator’s Guide/ Aeronautyka: poradnik nauczyciela
EG-2002-06-105-HQ
69
siła nośna
siła nośna
stałe skrzydł a
obracające się skrzydła
Siła nośna
szybszy ruch powietrza/niższe ciśnienie
kierunek ruchu śmigła/skrzydła
wolniejszy ruch powietrza/wyższe ciśnienie
przekrój skrzydła samolotu albo śmigła
śmigła
Siła nośna powstaje w wyniku różnicy ciśnień, która powstaje dzięki kształtowi
wirującego śmigła; w podobny sposób siła nośna wytwarzana jest przez
skrzydła samolotu. Powietrze szybko przesuwające się nad śmigłem
wytwarza niskie ciśnienie; powietrze pod śmigłem przesuwa się
wolniej, więc wytwarza wyższe ciśnienie. Różnica ciśnień wytwarza
siłę nośną, dzięki której statek powietrzny się unosi.
Modele z papieru nie mają silnika, więc mogą wykorzystywać tylko
jedno źródło siły nośnej. Kiedy model papierowy spada, wpada w
ruch obrotowy, imitując obroty śmigła helikoptera. Ponieważ brakuje
siły ciągu do wytworzenia ruchu w górę, helikopter nie będzie unosił
się, ale ruch obrotowy, który wytwarza siłę nośną, spowolni opadanie,
ograniczając wpływ siły ciężkości.
model z
papieru
70
NASA konstruuje i testuje eksperymentalne helikoptery i samoloty
pionowego startu i lądowania aby ograniczyć poziom hałasu i zużycie
paliwa. Modele są testowane w tunelach aerodynamicznych w
centrach badawczych w Langley, Lewis i Ames.
Aeronautyka: poradnik nauczyciela
EG-2002-06-105-HQ
Materiały
Czysty, biały papier
Papier milimetrowy
Arkusz roboczy dla ucznia zawierający szablon i wykres
Nożyczki linijka
Ołówek albo długopis
3 m cienkiej taśmy papierowej (taśmy magnetofonowej
taśmy wideo)
Organizacja
Aktywność zaplanowana jest na ok. 30-45 minut.
Przygotowanie
Otwórz kasetę audio albo wideo i pokaż uczniom taśmę, znajdującą
się w środku. Taśma zostanie wykorzystana poźniej.
Podziel uczniów na pary lub grupy 3-4 osobowe.
Zrób tyle kopii szablonu, żeby każda grupa mogła stworzyć wirnik.
Teraz uczniowie wykorzystają szablon do budowy wirników.
Działanie
1.
A
Przetnij szablon wzdłuż ciągłych linii.
B
Y
X
Z
Aeronautics: An Educator’s Guide/ Aeronautyka: poradnik nauczyciela
EG-2002-06-105-HQ
71
2.
Zagnij szablon na liniach przerywanych. Śmigła wirnika należy
zagiąć w przeciwne strony. Zaginamy X i Y do środka, Z do
góry, aby usztywnić konstrukcję i obniżyć
środek ciężkości.
3.
Wstajemy i upuszczamy wirnik. Uczniowie opisują lub rysują to,
co zaobserwowali.
4.
Upuszczamy zwykłą kartkę papieru i wirnik. Co spada szybciej?
Kartka papieru spada szybciej, bo nie nabywa siły nośnej.
Obracający się wirnik spada wolniej dzięki wytwarzanej przez
siebie sile nośnej, która działa odwrotnie niż siła ciężkości.
5.
Uczniowie przewidują, jak spadnie papier zgnieciony w kulę.
Spadnie szybciej niż kartka
papieru i wirnik. Kartka papieru spadnie wolniej, głównie
dlatego, że jej powierzchnia stawia większy opór sile ciążenia niż
papier zgnieciony w kulę.
6.
Czy potraficie dokładnie policzyć ile razy wirnik obrócił się
podczas spadania? 1ie - wirnik obraca się szybko, więc
trudno zauważyć ile razy.
7.
Aby określić liczbę obrotów (1) przyklej taśmę magnetofonową
do wirnika, (2) przydepnij wolny koniec i podnieś wirnik, tak, aby
taśma nie była poskręcana, (3) upuść wirnik w ten sam sposób, co
poprzednio. W jaki sposób taśma magnetofonowa ułatwia
obliczenie ile razy obrócił się wirnik? Każdy skręt taśmy to jeden
obrót wirnika. Policzywszy skręty taśmy znamy liczbę obrotów
wirnika.
B
A
Z
72
Aeronautyka: poradnik nauczyciela
EG-2002-06-105-HQ
Ocena
Dodatkowe zadania
kąt natarcia
1.
Nauczyciel może obserwować pracę przy tworzeniu wirnika.
2.
Uczniowie tworzą regułę, opisującą związek między liczbą
obrotów a wysokością, z której upuszczany jest wirnik.
1.
Uczniowie przeprowadzają eksperymenty z wirnikami,
wykonanymi z papieru o różnej wadze. Uczniowie tworzą
wykresy dla uzyskanych rezultatów.
2.
Uczniowie projektują własny wirnik.
3.
Uczniowie określają związek między wagą, wysokością, z
której został upuszczony wirnik, kształtem i długością śmigieł.
4.
Uczniowie określają, czy śmigła obracają się zgodnie z
ruchem wskazówek zegara, czy w przeciwnym kierunku.
5.
Uczniowie zwiększają i zmniejszają kąt natarcia (patrz:
ilustracja) śmigieł wirnika oraz ustalają, czy nowy kąt padania
sprawia, że wirnik obraca się prędzej, czy wolniej oraz czy dłużej
spada.
6.
Uczniowie porównują spadanie wirników i spadanie nasion
klonu lub dmuchawca.
7.
W różnych porach roku: zaprojektuj papierowe helikoptery
w kształcie zajączka, ducha, albo renifera.
8.
Stwórz wykres, pokazujący związek między ilością obrotów i
wysokością, z której spada wirnik.
Aeronautics: An Educator’s Guide/ Aeronautyka: poradnik nauczyciela
EG-2002-06-105-HQ
73
Szablony dla wirnika
Śmigło
A
Śmigło
B
Y
X
Z
74
Aeronautyka: Poradnik nauczyciela
Śmigło Śmigło
A
B
Y
X
Z
EG-2002-06-105-HQ
Wiropłat
B
X
Y
Aeronautyka: poradnik nauczyciela
nauczycielducator’s Guide
EG-2002-06-105-HQ
75