Bilvæddeløb i fysiklokalet Teach article

Oversat af Morten Schunck. Fysiklærer Nicolas Poynter ville have sine elever til ikke kun at lære, men også til at tænke selv. Hans løsning: en konkurrence om at bygge den hurtigste bil!

For at motivere mine elever og lære dem om simple maskiner, el, eksperimenterende variabler, lovene om bevægelse og den videnskabelige metode, udviklede jeg et bilvæddeløbs projekt, der spænder over emner i hele den første blok af en standard lærebog for niende klasse fysik (Ca. 15 år) i USA (Hsu, 2005). Holdene skal konkur-rere om at konstruere den hurtigste bil, ved hjælp af den opnåede viden i undervis-ningen..

Jeg følte, at de sædvanlige lærebogs- aktiviteter var for begrænsede; de studerende fulgte instruktionerne, som ved bagning af en kage. Jeg ville have dem til at bruge deres fornuft og tænke. Projektet var en succes: ikke alene opnåede eleverne en dyb forståelse af emnerne, men deres entusiasme var stor og havde en afsmittende effekt.

Aktiviteten

Tidsplan: Hver sektion beskrevet nedenfor tager cirka 80 minutter: 20 minutter til præsentation, og en time til praktisk arbejde. Før man starter, skal eleverne have lært om målinger, enheds- konverteringer og den videnskabelige metode.

Jeg underviste klassen hver dag i ugen, vekslende mellem indledende laboratorie aktiviteter og bilprojektet: f.eks efter to dage med simpelt kredsløbskonstruktion, gik vi videre til at opbygge et kredsløb fra bunden til projektet.

Regler: Ud over en gearkasse, skal hver bil have et chassis af træ, den skal drives af to 1,5 volt batterier, og have en afbryder, der indgår i kredsløbet.

Materialer til bilerne

Hver gruppe elever skal bruge:

• En gearkasse og motor (identisk for hvert hold). Jeg brugte en tre-trins gearkasse med en 3 V motor fra Tamiya^w1(delnr. # 70093), men andre kan benyttes
• En batteriholder
• 1 standardafbryder
• En mindre plade af fyr, bambus eller eg (7,5 cm x 25 cm x 2 cm) til chassiset
• Et sæt med tre eller fire dæk (et udvalg eleverne kan vælge imellem).

Jeg købte gamle fjernstyrede biler billigt, og tog derefter hjul, aksler og motorer af for at bruge dem. Men alt, hvad der ruller, såsom foldedørs hjul kan bruges, man kan også finde mange billige, acceptable dele hos enhver isenkræmmer eller på internettet.

Materialeliste- andet

• 12 mm skrue til træ
• 50 mm bolte med skiver og møtrikker
• 0,8 mm ståltråd
• Kroge og øskner
• Loddeudstyr
• Isoleringstape
• Lim velegnet til metal, træ og plast – jo stærkere jo bedre
• Maling og pensler
• 3 mm ( diameter) aluminiumsstang (til foraksler), ca. 3 cm per bil. Tamiya gearkasse-sættet leveres med en ekstra aksel, der også kan bruges til fronten.
• Groft sandpapir
• Blyanter
• Fedt ( fra gearkasse sættet )

Værktøj

• Loddekolbe
• Stiksav
• Skævbidere
• Små skruetrækkere
• Lille tømrervinkel XXXXXXXX
• Boremaskine og små bor
• Vægte

Yderligere materialer

• To prototype biler, en sat på høj hastighed (lavt drejningsmoment), den anden sat på lav hastighed (højt drejningsmoment). Det vil tage omkring en eftermiddag at bygge disse. Det er afgørende for eleverne, at de er i stand til løbende at referere til en fungerende model, selv om de i høj grad afviger fra disse i deres eget design.
• Alternativt: en cykel med gear
• Alternativt: en NERF™ legetøjspistol (en type børneegnet plastik pistol) med styroform kugler med burre tape.
• To fotogates ( lyssensorer ) og en 10 m telefonledning (til tidsmåling af bilvæddeløbet).

Samling af gearkasserne: Om gear og friktion ( rullemodstand )

Eleverne skal lære funktionen af gearing, når de konstruerer gearkassen til deres bil, og kunne drage paralleller med gear i en rigtig bil og cykel. Newtons love og gear bør være gennemgået, i starten af forløbet.

1. Vis de to prototype biler. Demonstrér, at den ene er hurtigere på en jævn overflade, men ude af stand til at klare stejle stigninger (> 45 grader), mens den anden bil, med lav hastighed og højt drejningsmoment let kan klare stigningerne (se billedet nedenfor til venstre).
2. Alternativt kan man montere en cykel på bordet, for at vise eleverne at i det laveste gear, drejer hjulet flest omdrejninger for hver omdrejning af pedalerne. I det højeste gear, drejer hjulet færrest omdrejninger for hver omdrejning af pedalerne, hvilket reducerer den kraft, der er nødvendig for at komme frem (som ved klatring opad bakke). Så når det er lettest at cykle, er hastigheden mindst. Dette hjalp virkelig mine elever til at forstå formålet med gearing.
3. Giv hvert hold på to til fire elever en af de identiske gearkasser.
4. Fortæl eleverne, at deres biler skal køre på et plant underlag.

I starten af projektet fortalte jeg dem den præcise længde af banen og dens forløb: 10 m på et vokset gulv. Det er vigtigt, at de kender strækningen, de skal stræbe efter: nogle biler kører lige 5 m og derefter kører de ud af kurs.

5. Bed eleverne vælge en gearing (16.6:1, 58.2:1 eller 203.7:1) og samle gearkassen, efter leverandørens anvisninger. De bør vælge den høje hastighed (16.6:1). Hvis de vælger forkert, vil de ikke indse dette, før de tester bilerne og vil derefter være nødt til at omstille deres gearkasse – en hel del ekstraarbejde. De to prototyper hjælper dem, med at tage den rigtige beslutning og minimere dette ekstra arbejde.
6. Tilslut et batteri for at kontrollere, at motoren fungerer korrekt, og at akslen er roterer.
7. Smør fedt på gearet for at reducere friktionen og give en højere hastighed. Dette betyder kun lidt, så mange hold glemmer, at smøre deres gear senere i forløbet. Det vigtigste er, at få dem til at forstå, at glidende friktion betyder lavere effektivitet. Dette er en lejlighed til at forklare, at en standard bil (forbrændings-motor) er mindre end 25% effektiv på grund af alle de bevægelige dele – alle med glidende friktion.

Design chassiset: Newtons anden lov om bevægelse og luftmodstand

Eleverne skal forstå Newtons anden lov om bevægelse og luftmodstand (træk), og omsætte hvad de har lært, til udformningen af deres bils chassis.

1. Introducér Newtons anden lov om bevægelse, og begrebet luftmodstand.

Jeg brugte en simpel NERFTM pistol, der skyder med legetøjsskumkugler med samme kraft hver gang. Jeg viklede tape omkring nogle af kuglerne, for at øge deres masse, og fik nogle elever til at veje dem (af en eller anden grund, gør det hele forskellen, om dé vejer dem eller læreren gør). Så spurgte jeg mine elever, hvor langt kuglerne ville flyve: Hvis en kugle havde to gange massen af en anden, ville den flyve halvt så langt. Loven er grundlæggende enkel, men det er også vigtig for at vinde dette bilvæddeløb.

2. Vis eleverne prototype bilerne. Mine havde chassiser på 7,5 cm x 25 cm x 2 cm fremstillet af bambus.
3. Bed hvert hold om at vælge materiale (en plade med tilsvarende proportioner) til deres chassis.

Jeg gav eleverne mulighed for at vælge eg, fyr eller bambus, med fyr som det letteste. Balsa er også en mulighed, og er endnu lettere. Jeg valgte bambus, det tætteste og mindst effektive, til prototypen, for at belønne hold, der valgte det letteste træ, snarere end dem, der blot kopierede prototypen. Vægte var til rådighed i klasseværelset. Jeg guidede eleverne så lidt som muligt, men besvarede alle deres spørgsmål og sikrede, at de alle kunne vælge mellem tungt og let træ.

Da de færdige biler blev vejet flere lektioner senere, forklarede jeg, hvorfor fyr var det bedste valg.

4. Bed eleverne tegne deres design på træet inden endelig tilskæring. Læreren bør save pladen til med en stiksav.
5. Lad eleverne slibe chassiset.
6. Mal bilerne og giv dem et nummer.

Eleverne kan forsøge, at gøre deres biler lettere ved at vælge den rigtige træsort, skære stykker væk, og slibe deres biler til mere aerodynamiske former.

Tilslutning af chassis: simple elektriske kredsløb og motorer

Eleverne skal lære om simple elektriske kredsløb og elektriske motorer. De bør tidligere have lært om spænding, strøm og modstand, samt simple kredsløb.

1. Hvert hold har allerede sin egen gearkasse med en aksel og motor. Giv hvert hold en batteriholder og en afbryder.
2. Tegn en perfekt vinkelret blyant streg på chassiset til gearkassen ved hjælp af en tømrervinkel, og monter gearkassen omhyggeligt på denne linje, indstil aksel og dæk vinkelret på chassiset senere – ellers kører bilen ikke lige.
3. Fastgør batteriholderen og gearkassen til chassiset ved hjælp af træskruer, og fastgør kontakten med bolte, møtrikker og skiver. De fleste hold kopierede prototypen, selv om de kunne montere disse komponenter, hvor de ønskede.
4. Tilslut komponenterne i et simpelt kredsløb med 0,8 mm tyk ledning. Vær opmærksom på at tjekke for løse forbindelser. Bor et hul gennem midten af brættet, det gør det muligt at montere ledningerne mere rationelt end rundt om kanterne.
5. Hvis det ønskes, kan eleverne lodde deres færdige forbindelser med en loddekolbe under lærerens tilsyn. Dette er ikke nødvendigt, men eleverne opnår en stor tilfredshed med disse ‘rigtige’ opgaver.
6. Skil en af motorerne ad, og vis eleverne kobberspolerne og magneterne indeni for at demonstrere elektromagneterne.

Valg af hjul: Friktion

Eleverne bliver igen undervist i friktion. Selv om luftmodstand og friktion påvirker bilernes hastighed, er rullende friktion afgørende for, at bilerne overhovedet flytter sig. Målet er for eleverne, at forstå balancen mellem gavnlig og skadelig friktion: en asfalteret motorvej er bedre end en grusvej, fordi der er mindre friktion, men hvis isen dækker vejen, vil bilerne ikke kunne køre uden brug af kæder for at frembringe noget gnidningsmodstand (friktion).

Eleverne skal vælge mellem dæk, der giver en stor friktion og dæk, der giver meget lille friktion. Ved rene tilfældigheder, valgte hver gruppe af mine elever forskellige typer af dæk. Desværre var deres biler også forskellige på mange andre måder, så det var umuligt at sige præcist hvilke dæk, der var bedst. Ideelt set kan et mindre udvalg af dæk anvendes, og de kunne testes på forhånd under kontrollerede forhold.

For os var det indlysende hvilke dæk der ikke virkede, men ikke så klart hvilke, der virkede bedst. Glatte dæk lavede lidt hjulspin, mens dæk med meget dybe slidbaner havde for godt vejgreb. Bredere dæk syntes at være bedre, men hvis de var for brede, blev deres masse et problem. Eleverneder valgte først tog enormt store dæk med store masser. Bilerne med disse dæk var forfærdeligt langsomme, så dækkene måtte udskiftes. Alligevel har hele klassen lært noget af at se dette ske, og sådanne fejl kan inspirere alle til at undersøge de relevante videnskabelige forhold. Holdene fik lov til at skifte dæk på ethvert tidspunkt.

1. Klip 3 cm. af aluminiumsstangen til forakslen ved hjælp af en bidetang. Denne kan monteres med øje kroge (se billede til venstre). Til en tre-hjulet bil, kan en J krog anvendes.
2. Gearkasseakslen skal sidde i bagenden.
3. Tillad eleverne at vælge fra en bred vifte af dæk. Afhængigt af hvor de monterer gearkassen (den kan monteres på oversiden af chassiset, men synes at virke bedre, hvis den er monteret på undersiden), vil forskellige biler have brug for forskellige dækdiametre for at få frihøjde.
4. Brug stærk lim, lod eller sæt tape på for at holde hjulene fast på akslerne.

Væddeløbet

1. Lad holdene teste funktionen af deres biler for at evaluere og ændre dem.

Det mest almindelige problem var biler, der kørte ud af kurs, og måtte have deres gearkasser justeret i forhold til chassiset. Langsomme biler havde ofte brug for at skruerne i gearkassen blev efterspændt.

En lille pinolskrue låser gearkassens aksel på plads, spinning det. Den arbejder sig let løs og skal strammes med en unbrakonøgle, der indgår i kittet til gearkassen.

2. Når alle biler er i orden, startes tids-kørslerne. Jeg brugte to photogates som timere, 7,5 m fra hinanden og forbundet af en 10 meter telefonledning. Der skal være to elever: en der slutter kontakten og en til at fange bilen og slukke motoren.

Nu kan holdene sammenligne deres resultater med hinanden. Den hurtigste bil opnåede en hastighed på 2,776 m/s og havde en masse på 298 g.

3. Lad eleverne foretage yderligere ændringer før slutrunden.

Vi havde batteriholdere til både AA og D-batterier. To hold valgte de større batterier, fejlagtigt antog de, at de gav mere fart. I løbet af tidskørslerne, blev deres fejl indlysende (deres biler havde dobbelt så stor masse og den halve hastighed af de andre), og de skiftede hurtigt til de lettere AA-batterier.

4. Del klassen op i grupper på tre biler per løb. Vognbane placeringen under løbet er meget vigtig, og der skal være en måde at afgøre, hvem der får hvilken vognbane. Hvis din bil kører lige, foretrækker du midterbanen. Hvis din bil kører lidt til venstre, foretrækker du yderste højre vognbane.

Jeg lod de hurtigste biler i tidskørslerne  vælge deres baner først, og havde lærebøger linet op som baneafgrænsning for at få bilerne til at blive på banen. Under løbet var kontakt mellem bilerne tilladt. I virkeligheden var det almindeligt at bilerne  kolliderede.

5. Lad vinderne af de enkelte løb køre mod hinanden, til der findes én samlet vinder.

De to hurtigste biler i væddeløbene var ikke øverst på listen under tidskørslerne. Dette viste sig, at være resultatet af en skjult variabel – orienteringen af afbryderen. De fleste grupper kopierede prototypen, så afbryderen blev vendt bagud, for at tænde motoren, hvilket gav bilerne et moment bagerst, der skulle overvindes. To biler havde afbryderen fremad, hvilket gav dem en stor fordel ved start mod de andre biler. Denne fordel viste sig ikke i tidskørslerne, fordi bilernes fart blev målt ikke fra stilstand, men når de passerede den første photogate.

Dette viste sig at være en fantastisk mulighed for at undervise i test variabler (masse af bilen, aerodynamik af kroppens form, friktion, dæk, hvor godt delene var samlet) og kontrollerede variable (chassis materiale, gearkasse, afbryder, 3 V batteri ). Orienteringen af kontakten kom som en overraskende test variabel også for mig: vi var nødt til at analysere data for at finde ud af, hvorfor de biler, der vandt tidskørslerne ikke vandt væddeløbene. Jeg regnede det ud, men fortalte det ikke til mine elever. Til min glæde, kom flere hold til samme konklusion selvstændigt, hvilket var grunden til projektet i første omgang – at få eleverne til at tænke.

Konklusion

Gennem dette projekt, har mine elever ikke kun nået de faglige mål, men de er også blevet bedre problemløsere og har lært praktiske færdigheder, som de aldrig glemmer. Selv om man til projektet har brug for en prototype og vejledninger, vil jeg foreslå, at give rum for så meget variation som muligt. Faktisk opfordrede jeg mine elever til at afvige fra prototypen, så længe de holdt sig inden for reglerne. Selv om nogle af deres designs var funktionelle katastrofer, blev eleverne dybt involveret i den videnskabelige proces.

Download

Download this article as a PDF