Όλο τρέλα: διδάσκοντας φυσική πάνω στο τρενάκι του λούνα παρκ Teach article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Τρενάκια του λούνα παρκ, καρουζέλ και άλλες κούνιες του πάρκου διασκέδασης μπορούν να είναι καλή ψυχαγωγία –…

Ένα πάρκο διασκέδασης η ένα λούνα παρκ είναι ένα ιδανικό μέρος για πειράματα φυσικής που ποτέ δεν θα μπορούσαν να εκτελεστούν στην τάξη. Διάφορα προγράμματα ανά τον κόσμο έχουν αναπτύξει κατάλληλες διδακτικές δραστηριότητες (δείτε ‘Πηγές’).

Μια από αυτές είναι και η ‘Mirabilandia, un’aula senza pareti’ (‘Mirabilandia, μια τάξη χωρίς τοίχους’), ένα Ιταλικό πρόγραμμα που ξεκίνησε το 2002 από εκπαιδευτικούς του γυμνασίου Liceo Torricelli στην Faenza, στο τοπικό πάρκο διασκέδασης, Mirabilandia^w1. Η πρωτοβουλία ήταν τόσο πετυχημένη ώστε η διεύθυνση του πάρκου αποφάσισε να την κάνει διαθέσιμη σε όλα τα σχολεία, παρέχοντας εκπαιδευτικές περιηγήσεις από εκπαιδευμένους μαθητές φυσικών επιστημών.

Ίσως θα μπορούσατε να συζητήσετε για μια παρόμοια συμφωνία με το τοπικό σας πάρκο διασκέδασης; Στο μεταξύ, ορίστε μερικές δραστηριότητες κατάλληλες για οποιοδήποτε πάρκο διασκέδασης η λούνα παρκ. Για μερικές, θα χρειαστεί να μάθετε πρώτα τις τεχνικές προδιαγραφές που έχει το τρενάκι, είτε από το πάρκο η από το διαδίκτυο, για παράδειγμα από την Βάση Δεδομένων^w2. για τα Τρενάκια του Λούνα Παρκ. Για να πάρετε μαζί σας στις βόλτες με τα τρενάκια όργανα μέτρησης, τα οποία θα είναι δεμένα με ασφάλεια στους καρπούς των χεριών των μαθητών η στην δομή της κούνιας, θα χρειαστείτε την συγκατάθεση των αρχών του πάρκου. Στην περίπτωσή μας, ο διευθυντής του σχολείου επικοινώνησε με την διεύθυνση του πάρκου, αναφέροντας με λεπτομέρειες το πρόγραμμα που είχαμε στο μυαλό μας.

Οι δραστηριότητες είναι κατάλληλες για ηλικίες 15-19, αλλά μπορούν να προσαρμοστούν για πιο μικρούς μαθητές. Καλύπτουν τα θέματα της ευθύγραμμης και κυκλικής κίνησης, της ταχύτητας και επιτάχυνσης, των τριών νόμων της κίνησης, της βαρύτητας, των κεντρομόλων και φυγόκεντρων δυνάμεων, και των μετατροπών της ενέργειας.

Οι μαθητές θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με τις βασικές έννοιες της κινηματικής και δυναμικής, και θα χρειαστούν μια βασική εισαγωγή στις δραστηριότητες πριν να επισκεφτούν το πάρκο.

Η δουλειά σε κάθε μια από τις κούνιες παίρνει περίπου μια ώρα, αλλά η αναμονή στην ουρά μπορεί να αυξήσει τον χρόνο που απαιτείται. Μια ομάδα μπορεί να κάνει τις μετρήσεις πάνω στην κούνια, ενώ οι άλλοι δουλεύουν στο έδαφος. Συνήθως δεν υπάρχει χρόνος για κάθε ομάδα να επαναλάβει τις μετρήσεις, αλλά τα δεδομένα από τις διάφορες ομάδες μπορούν να συγκριθούν. Προκαταρκτικές αξιολογήσεις μπορούν να γίνουν στο πάρκο και να συνεχιστούν πίσω στην τάξη.

Στο Mirabilandia, οι μαθητές λαμβάνουν ένα βιβλίο εργασίας για να το συμπληρώσουν. Τμήμα του έχει μεταφραστεί στα Αγγλικά και είναι διαθέσιμο για να το κατεβάσετε από το διαδίκτυο^w3.

Τρενάκια του λούνα παρκ

Στο έδαφος

Σχεδιάστε μια πρόχειρη δισδιάστατη κατατομή ύψους για το τρενάκι του λούνα παρκ και συζητείστε τις μετατροπές της ενέργειας κατά την διαδρομή, ειδικά στην πρώτη κάθοδο και στους κάθετους βρόχους.

Όταν το τρενάκι βρίσκεται στην κορυφή, πριν την πρώτη κάθοδο, η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι στο μέγιστό της˙ κατά την κάθοδο, που συχνά έχει παραβολική τροχιά όπου οι επιβάτες μπορούν να βιώσουν την έλλειψη βαρύτητας για μερικά δευτερόλεπτα (σε μια ιδανική περίπτωση χωρίς τριβή, η κάθετη συνιστώσα της κίνησης αυξάνει με την σταθερά της επιτάχυνσης g λόγω της βαρύτητας όπως στην ελεύθερη πτώση), αυτή μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια.

Χρησιμοποιείστε κάθετους βρόχους για να συζητήσετε για τον ρόλο της βαρύτητας σε αντιπαράθεση με την κεντρομόλο δύναμη. Οι βρόχοι είναι σε σχήμα σταγόνας, ακολουθώντας την πορεία μιας κλωθοειδούς καμπύλης, στην οποία η ακτίνα της καμπυλότητας είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης από το κέντρο, μειώνοντας έτσι τις κεντρομόλες επιταχύνσεις που επικρατούν στον βρόχο για να τον κάνουν πιο άνετο για τους επιβάτες.

Μπορείτε να εκτιμήσετε πόσο γρήγορα κινείται το τρενάκι του λούνα παρκ μόνο υπολογίζοντας την ταχύτητά του:

α) Υπολογίστε την στιγμιαία ταχύτητα διαιρώντας το μήκος που έχει το τρενάκι του λούνα παρκ με τον χρόνο που χρειάζεται ολόκληρο το τρενάκι να περάσει από ένα συγκεκριμένο σημείο στην διαδρομή.

β) Για να βρείτε την μέση ταχύτητα που έχει το τρενάκι σε ένα τμήμα της διαδρομής του, διαλέξτε ένα τμήμα που μπορείτε να το βλέπετε εύκολα και είναι απλό όσο αφορά το σχήμα του. Μετρήστε τον αριθμό των στρωτήρων (μπάρες/μεταλλικά κομμάτια τοποθετημένα κατά τακτικά διαστήματα ανάμεσα στις ράγες) σε αυτό το τμήμα και αφαιρέστε ένα για να έχετε τον αριθμό των διαστημάτων. Μετρήστε τον χρόνο που χρειάζεται το τρενάκι για να ταξιδέψει σε αυτό το τμήμα της διαδρομής. Για να υπολογίσετε την απόσταση που ταξίδεψε, πολλαπλασιάστε τον αριθμό των διαστημάτων με το μήκος του διαστήματος (την απόσταση ανάμεσα σε δύο μεταλλικές μπάρες). Διαιρέστε το με τον χρόνο που υπολογίσατε.

Συγκρίνετε τις στιγμιαία ταχύτητα που καταγράφηκε στο τέλος της πρώτης (πιο γρήγορης) καθόδου με την ταχύτητα που υπολογίζεται για ένα σώμα σε ελεύθερη πτώση: v = √(2 g h) όπου v: ταχύτητα, g: επιτάχυνση της βαρύτητας, h: ύψος.

Η καταμετρημένη ταχύτητα θα πρέπει να είναι μικρότερη, εξαιτίας της τριβής.

Πάνω στο τρενάκι του λούνα παρκ

Δώστε προσοχή στις αισθήσεις της ελαφρότητας η βαρύτητας (επιτάχυνση) που ενδέχεται να αντιμετωπίσετε σε ορισμένα τμήματα της διαδρομής. Μπορείτε να λάβετε πιο ακριβή δεδομένα με επιταχυνσιόμετρα με ελατήρια, η πιο περίπλοκα όργανα χειρός^w4. Οδηγίες για το πως να κατασκευάσετε και/η να αποκτήσετε αυτά τα όργανα και να αξιολογήσετε τα αποτελέσματα σας είναι διαθέσιμες για να τις κατεβάσετε από το τμήμα των πηγών^w3.

Πρόσφατα, έξυπνα τηλέφωνα που περιέχουν ένα επιταχυνσιόμετρο με τρεις-άξονες έχουν γίνει πιο δημοφιλή. Εφαρμογές για αυτά τα τηλέφωνα σου επιτρέπουν να σχεδιάσεις γραφικές παραστάσεις της επιτάχυνσης ως προς τον χρόνο η να μετρήσεις γωνίες κλίσης. Αυτά έχουν και λιγότερα θέματα ασφάλειας αφού μπορούν να κρατηθούν μέσα σε μια τσέπη.

Πύργοι πτώσης

Οι πύργοι πτώσεις είναι κατακόρυφες διαδρομές πάνω και κάτω που κάνουν οι επιβάτες, ενώ κάθονται σε μια γόνδολα/λέμβο. Σε ένα είδος, η γόνδολα ρίχνεται σε ελεύθερη πτώση˙ σε ένα άλλο, σπρώχνεται κάτω η πάνω με μια δύναμη μεγαλύτερη από αυτή της βαρύτητας.

Από το έδαφος, μπορείτε να υπολογίσετε την μέση ταχύτητα της γόνδολας χρονομετρώντας την πτώση της με ένα χρονόμετρο και διαιρώντας την με το ύψος του πύργου. Αυτή μπορεί να συγκριθεί με την στιγμιαία ταχύτητα ενός σώματος σε ελεύθερη πτώση. Για να μετρήσετε το ύψος του πύργου, χρησιμοποιείστε ένα μοιρογνωμόνιο και βασική τριγωνομετρία η γεωμετρία. Λεπτομερείς οδηγίες είναι διαθέσιμες για να τις κατεβάσετε από το τμήμα των πηγών^w3.

Κατά την διάρκεια της βόλτας, μπορεί να αισθανθείτε την επιτάχυνση στο σώμα σας και να την μετρήσετε με φορητά ηλεκτρονικά όργανα^w4.

Στους πύργους όπου η γόνδολα σπρώχνεται προς τα κάτω, η επιτάχυνση μπορεί και να τριπλασιαστεί λόγω της βαρύτητας.

Αν πάρετε ένα πλαστικό κύπελλο γεμάτο νερό μαζί σας, μπορείτε να το παρατηρήσετε σε ελεύθερη πτώση, το νερό θα παραμείνει μέσα στο κύπελλο, αλλά αν η γόνδολα σπρωχτεί προς τα κάτω αντί απλώς να πέσει, το επίπεδο του νερού στο κύπελλο θα ανέβει. Εναλλακτικά, μπορείτε να δέσετε μια μικρή λαστιχένια μπάλα στον καρπό σας (τρυπήστε την μπάλα για να συνδέσετε τον σπάγγο) και βάλτε την στην παλάμη σας.

Η ρόδα του λούνα παρκ

Οι ακόλουθες δραστηριότητες είναι κατάλληλες για μικρότερους μαθητές, ηλικίας 11-14. Θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με τις έννοιες της ταχύτητας και της ατμοσφαιρικής πίεσης, θα μάθουν για την ομαλή κυκλική κίνηση (χρόνος, ταχύτητα, συχνότητα) και θα εφαρμόσουν την γνώση τους για την ατμοσφαιρική πίεση. Είτε από το έδαφος η κατά την διάρκεια της βόλτας, μετρήστε και σημειώστε τον χρόνο μετά από ένα τέταρτο της στροφής, μισή στροφή, τρία τέταρτα της στροφής και μια πλήρη στροφή της ρόδας.

Οι μαθητές θα πρέπει να βρουν ότι ο χρόνος που χρειάζεται για κάθε τέταρτο της στροφής είναι παραπλήσιος, και επομένως η κίνηση της ρόδας είναι ομαλή και η ταχύτητα σταθερή.

Υπολογίστε το μήκος της διαδρομής της γόνδολας (από την ακτίνα της ρόδας), την μέση ταχύτητά της, και σαν μαθηματική άσκηση που εφαρμόζεται στον πραγματικό κόσμο, την γωνία στο κέντρο της ρόδας ανάμεσα σε δύο ράβδους που συνδέουν δύο γειτονικές γόνδολες στο κέντρο (διαιρέστε 360° με των αριθμό των γόνδολων).

Μπορείτε να προσδιορίσετε το ύψος της ρόδας με τον ίδιο τρόπο όπως και στον πύργο πτώσης (δείτε πιο πάνω) η χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά βαρόμετρα για να προσδιορίσετε την αλλαγή στην ατμοσφαιρική πίεση κατά την διάρκεια της βόλτας.

Κάθε αλλαγή της πίεσης κατά 0.1 kPa αντιστοιχεί σε περίπου 8 μέτρα αλλαγής του ύψους. Μια πιο ακριβής περιγραφή της σχέσης ανάμεσα στη πίεση και το ύψος είναι διαθέσιμη στο διαδίκτυο^w5. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα και συζητήστε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε μεθόδου (ακρίβεια, όργανα, χρόνος και προσπάθεια που απαιτείται).

Καρουζέλ (η στροβιλοδρόμιο, η τα αλογάκια που στροβιλίζονται μηχανικά)

Το καρουζέλ είναι το τέλειο περιβάλλον για να μελετήσετε το εκκρεμές του Foucault και το αποτέλεσμα Coriolis. Οι μαθητές θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με την κίνηση του εκκρεμούς, τους νόμους της κίνησης, την βαρύτητα, τις κεντρομόλο/φυγόκεντρο δυνάμεις, και την περιστροφή. Λεπτομέρειες για το πως να εκτελέσετε αυτά τα πειράματα είναι διαθέσιμες για να τις κατεβάσετε από το διαδίκτυο^w3.