Προσελήνωση – Προγραμματισμός και σχεδιασμός μιας σεληνακάτου Teach article

Η αποστολή σας: Προσγειώστε έναν ατρόμητο αυγο-ναύτη με ασφάλεια στην επιφάνεια του φεγγαριού και μάθετε στην πορεία για την κλασική μηχανική.

Εισαγωγή

Το 1969, το Apollo 11 έγινε η πρώτη επανδρωμένη αποστολή που προσγειώθηκε στη Σελήνη.

Μετά από ένα ταξίδι τεσσάρων ημερών από τη Γη, η σεληνάκατος, με το όνομα Eagle (Αετός), αποσπάστηκε από το τμήμα διοίκησης και εξυπηρέτησης (το μητρικό σκάφος) το οποίο παρέμεινε σε τροχιά γύρω από τη Σελήνη, και προσγειώθηκε στην Θάλασσα της Ηρεμίας, μια σχετικά ομαλή και επίπεδη περιοχή.

Η σεληνάκατος προσεληνώθηκε χειροκίνητα για να αποφευχθούν ογκόλιθοι και κρατήρες. “Χιούστον, Βάση Ηρεμίας εδώ. Ο Αετός έχει προσγειωθεί.” Αυτές οι λέξεις σηματοδότησαν μια νέα εποχή στην ανθρώπινη εξερεύνηση.

To Apollo 12, η δεύτερη επανδρωμένη αποστολή που προσγειώθηκε στη Σελήνη, ήταν μια άσκηση στην προσγείωση ακριβείας‧ το μεγαλύτερο μέρος της καθόδου ήταν αυτόματο και η προσγείωση ακριβείας είχε μεγάλη σημασία επειδή αύξησε την αυτοπεποίθηση στην προσγείωση σε συγκεκριμένες περιοχές ενδιαφέροντος. Η κάθοδος στην επιφάνεια της σελήνης είναι μία από τις πιο κρίσιμες και δύσκολες φάσεις της προσελήνωσης.

Το διαστημικό σκάφος πρέπει να μειώσει την ταχύτητά του από 6000 χιλιόμετρα/ώρα στην σεληνιακή τροχιά σε μερικά χιλιόμετρα/ώρα για μια ομαλή προσεδάφιση. Οι τοποθεσίες προσγείωσης που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για εξερεύνηση είναι συχνά επικίνδυνες, με κρατήρες, βράχους και πλαγιές, και ως εκ τούτου, είναι δύσκολες στην πρόσβαση. Μόνο 12 άτομα έχουν περπατήσει στην επιφάνεια της Σελήνης και η τελευταία φορά ήταν το 1972. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος, σε συνεργασία με άλλους εταίρους, σχεδιάζει να επιστρέψει στη Σελήνη με ρομποτικές και ανθρώπινες αποστολές τις επόμενες δεκαετίες. Σε αυτό το σύνολο δραστηριοτήτων οι μαθητές θα σχεδιάσουν μια σεληνάκατο και θα μάθουν για μερικές από τις προκλήσεις της εξερεύνησης του διαστήματος.

Δραστηριότητα 1: Σχεδιασμός και κατασκευή σεληνακάτου

Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα σχεδιάσουν και θα κατασκευάσουν μια σεληνάκατο χρησιμοποιώντας απλά υλικά. Ο στόχος είναι να σχεδιαστεί ένα σκάφος που θα μπορεί να προσγειώσει με ασφάλεια έναν αυγο-ναύτη στην επιφάνεια της Σελήνης. Στον προγραμματισμό τους, οι μαθητές πρέπει να λάβουν υπόψη τους κινδύνους που ενέχονται σε μια επανδρωμένη αποστολή σεληνιακής προσγείωσης και να πραγματοποιήσουν μια μελέτη αξιολόγησης κινδύνου και μια μελέτη σχεδιασμού.

Υλικά

• Φύλλα εργασίας
• Χαρτί
• Αυγό (το οποίο θα γίνει ο αυγο-ναύτης)
• Ζυγαριές
• Καλαμάκια
• Ζαχαρωτά – μαρσμέλοου
• Βαμβάκι σε μπάλες
• Ξυλάκια παγωτού
• Πλαστική σακούλα
• Σπάγγος
• Κολλητική ταινία
• Ψαλίδι
• Μπαλόνια

Procedure

Χωρίστε την τάξη σε ομάδες 3 έως 4 μαθητών. Διανείμετε σε κάθε ομάδα τα φύλλα εργασίας των μαθητών. Εξηγήστε την αποστολή και τις απαιτήσεις της στους μαθητές. Προτρέψτε κάθε ομάδα να σχεδιάσει μια επανδρωμένη σεληνάκατο για τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ΕΟΔ). Μπορούν να κρατήσουν τα σχέδιά τους μυστικά από τις άλλες ομάδες ή μπορούν να επιλέξουν να σχηματίσουν συνεργατικές ομάδες και να αλληλοβοηθούνται. Κάθε ομάδα ωστόσο αναμένεται να παρουσιάσει το δικό της ξεχωριστό σχέδιο.

Πριν οι μαθητές ξεκινήσουν τη δουλειά τους, καθοδηγήστε τους σε μερικά από τα σημαντικότερα ερωτήματα που θα πρέπει να λάβουν υπόψη. Ρωτήστε τους μαθητές τι είναι σημαντικό να σκεφτούν όταν προσγειώνονται σε ένα άλλο ουράνιο σώμα. Για παράδειγμα, την απόσταση από τον προορισμό, την σύνθεση ή η έλλειψη ατμόσφαιρας, την σημασία της προσγείωσης στο σωστό σημείο, την γωνία προσέγγισης, κ.λπ. Δώστε στους μαθητές την λίστα των υλικών και το κόστος τους (Παράρτημα 1).

Για την προώθηση του αποτελεσματικού σχεδιασμού, τα υλικά που αποκτήθηκαν μετά την αρχική φάση σχεδιασμού θα πρέπει να κοστίζουν 10% περισσότερο. Κάθε ομάδα έχει προϋπολογισμό 1 δισεκατομμύριο €. Αυτός ο προϋπολογισμός θα πρέπει να καλύπτει τα έξοδα για την εκπαίδευση του αυγο-ναύτη (300 εκατομμύρια €), την εκτόξευση (1 εκατομμύριο ευρώ ανά γραμμάριο) και τα υλικά. Η λίστα των υλικών και ο διαθέσιμος προϋπολογισμός μπορούν να προσαρμοστούν για να κάνουν τη δραστηριότητα περισσότερο ή λιγότερο πολύπλοκη ή σε καθορισμένο χρόνο μπορεί να εισαχθεί περικοπή του προϋπολογισμού (ή αύξηση).

Φάση σχεδιασμού

Πριν ξεκινήσουν την κατασκευή, οι μαθητές θα πρέπει να προετοιμάσουν μια μελέτη εκτίμησης κινδύνου, χρησιμοποιώντας το πρότυπο φύλλου εργασίας των μαθητών. Στη διαχείριση κινδύνου, αξιολογείτε τόσο την πιθανότητα όσο και τον αντίκτυπο ενός κινδύνου που προκύπτει. Κίνδυνοι συμβαίνουν σε όλα από τον προγραμματισμό του σχεδιασμού, ως την κατασκευή, τη μεταφορά και την εκπαίδευση του πληρώματος. Στο φύλλο εργασίας, οι μαθητές θα βρουν έναν πίνακα εκτίμησης κινδύνων και μια λίστα πιθανών κινδύνων για αυτήν την αποστολή. Η χρήση ενός τέτοιου πίνακα είναι ένας συνηθισμένος τρόπος ανάλυσης και οργάνωσης κινδύνων σε πολλούς διαφορετικούς επαγγελματικούς τομείς. Οι μαθητές θα πρέπει να συμπληρώσουν τους αναφερόμενους κινδύνους στον πίνακα και να σκεφτούν εάν υπάρχουν κίνδυνοι που δεν έχουν λάβει υπόψη τους. Θα πρέπει να διαλέξουν τρεις από τους πιο κρίσιμους κινδύνους και να σχεδιάσουν στρατηγικές αντιστάθμισης.

Οι μαθητές θα πρέπει να εξετάσουν ιδέες για λύσεις και να προσπαθήσουν να σχεδιάσουν την ασφαλέστερη προσγείωση, εντός του προϋπολογισμού τους. Οι μαθητές πρέπει να σχεδιάσουν ένα ακριβές σκίτσο της ιδέας τους και να προετοιμάσουν έναν προϋπολογισμό για το προτεινόμενο όχημα, χρησιμοποιώντας το πρότυπο φύλλου εργασίας των μαθητών. Εξηγήστε ότι αυτή η διαδικασία είναι συγκρίσιμη με το σχεδιασμό μιας πραγματικής διαστημικής αποστολής‧ όλα τα υλικά και συστήματα που χρησιμοποιούνται θα πρέπει να σχεδιάζονται προσεκτικά, να αιτιολογούνται και να εγγράφονται στον προϋπολογισμό.

Φάση κατασκευής

Τώρα ζητήστε από τους μαθητές να κατασκευάσουν την σεληνάκατο τους. Πιθανώς να συνειδητοποιήσουν ότι ορισμένες αποφάσεις που θεώρησαν πιθανές δεν έχουν το αναμενόμενο αποτέλεσμα. Για να αυξήσετε τη δυσκολία, συμπεριλάβετε μια επιπλέον χρέωση του 10% στα υλικά εάν οι μαθητές επιθυμούν να αλλάξουν το σχέδιό τους.

Οι μαθητές πρέπει να ονομάσουν το όχημα τους (και τον αυγο-ναύτη τους). Στο τέλος, οι ομάδες θα πρέπει να ζυγίσουν την σεληνάκατο και τον αυγο-ναύτη τους για να εκτιμήσουν το κόστος της εκτόξευσης. Το τελικό κόστος θα πρέπει να είναι κάτω από 1 δισεκατομμύριο € και θα πρέπει να περιλαμβάνει το κόστος της εκπαίδευσης του αυγο-ναύτη, της εκτόξευσης και των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της σεληνακάτου.

Αποτελέσματα

Παρακάτω παρουσιάζουμε ένα παράδειγμα για το πώς να συμπληρώσετε τη μελέτη εκτίμησης κινδύνου. Ο τρόπος με τον οποίο οι μαθητές βαθμολογούν τον κίνδυνο μπορεί να ποικίλλει και εξαρτάται από την αντίληψή τους για την αποστολή.

Κίνδυνος 1: Ο αυγο-ναύτης δεν επιβιώνει

Σχέδιο αντιστάθμισης: Κατασκευάστε τη σεληνάκατο για όλα τα ενδεχόμενα: μην βασίζεστε σε έναν μόνο μηχανισμό για να εξασφαλίσετε την προσγείωση. Δοκιμάστε την πτώση από αυξανόμενο υψόμετρο πριν από την τελική δοκιμή πτώσης. Δοκιμάστε πρώτα την σεληνάκατο χωρίς τον αυγο-ναύτη.

Κίνδυνος 2: Η συνεχής αλλαγή του σχεδιασμού σημαίνει ότι η σεληνάκατος θα κοστίσει πάρα πολύ για να κατασκευαστεί

Σχέδιο αντιστάθμισης: Σχεδιάστε την σεληνάκατο με χρήματα που περισσεύουν πριν ξεκινήσετε την κατασκευή. Κάντε αίτηση για πρόσθετη χρηματοδότηση από άλλες πηγές.

Κίνδυνος 3: Υπάρχουν μη αναμενόμενες αλλαγές στις απαιτήσεις

Σχέδιο αντιστάθμισης: Προσαρμόσιμο και εφεδρικό σχέδιο. Δεν βασίζεστε σε μία μόνο τεχνολογία ή μηχανισμό. Σχεδιάστε τη σεληνάκατο με περισσευούμενα χρήματα  πριν ξεκινήσετε την κατασκευή.

Συζήτηση

Αυτή η δραστηριότητα θα πρέπει να αυξάνει την επίγνωση σχετικά με τη σημασία του εντοπισμού και της κατανόησης των κινδύνων, της πιθανότητας εμφάνισής τους και, κυρίως, των συνεπειών τους. Οι μαθητές θα πρέπει να συνειδητοποιήσουν την τεράστια σημασία του ανάλογου σχεδιασμού και του προϋπολογισμού σε ένα (διαστημικό) πρόγραμμα.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτήν τη δραστηριότητα για να συζητήσετε για μερικούς από τους κινδύνους που υπάρχουν στην εξερεύνηση του διαστήματος. Στην τάξη, συζητήστε πώς μπορείτε να αξιολογήσετε τον κίνδυνο της απώλειας ζωής ενός αστροναύτη σε σύγκριση με το κόστος της σεληνακάτου. Θα πρέπει η εξερεύνηση του διαστήματος στο μέλλον να γίνεται μόνο από ρομπότ;

Πριν ξεκινήσετε τη Δραστηριότητα 2 (δοκιμή της σεληνακάτου), βεβαιωθείτε ότι έχετε έναν σαφή ορισμό του τι θεωρείται “επιζών αυγο-ναύτης”. Θα πρέπει να επιτρέψετε στο αυγό να έχει ρωγμές; Τι καθορίζει μια επιτυχημένη αποστολή;

Δραστηριότητα 2: Δοκιμάστε το όχημα προσγείωσης

Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα δοκιμάσουν εάν οι σεληνάκατοι τους επιβιώνουν σε κάθετη πτώση, διατηρώντας τον αυγο-ναύτη ασφαλή. Θα περιγράψουν τις συνθήκες προσγείωσης και θα παρακολουθήσουν άλλους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα. Προαιρετικά, οι μαθητές μπορούν να κινηματογραφήσουν την πτώση και αργότερα να χρησιμοποιήσουν ένα εργαλείο ανάλυσης βίντεο για να εξετάσουν την επιτάχυνση.

Υλικά

• Εκτυπωμένο φύλλο εργασίας μαθητή για κάθε ομάδα
• Αυτοσχέδια οχήματα προσγείωσης συμπεριλαμβανομένων των αυγο-ναυτών (από τη Δραστηριότητα 1)
• (προαιρετικά) Κάμερα/έξυπνο κινητό με κάμερα και τρίποδο (βλέπε παράρτημα 3)
• (προαιρετικά) Πρόγραμμα παρακολούθησης βίντεο (βλέπε παράρτημα 3)
• (προαιρετικά) Υπολογιστής ή έξυπνο κινητό τηλέφωνο

Άσκηση 1

Πριν ξεκινήσουν τις δοκιμές, οι μαθητές θα πρέπει να καταγράψουν τις συνθήκες προσγείωσης (σκληρότητα του εδάφους, καιρικές συνθήκες κ.λπ.). Είναι σημαντικό να υπάρχουν παρόμοιες συνθήκες σε κάθε πτώση. Συζητήστε με τους μαθητές τη σημασία της μη ταυτόχρονης αλλαγής πολλών μεταβλητών.

Σημειώστε ένα σημείο προσγείωσης στο έδαφος. Μπορείτε να σημειώσετε έναν σταυρό με ταινία στο πάτωμα, ή να σχεδιάσετε έναν στόχο όπως το κέντρο στόχου σε παιχνίδι με βελάκια και δαχτύλιους που σηματοδοτούν την απόσταση από το κέντρο. Καταγράψτε τα αποτελέσματα κάθε πτώσης (πίνακας στο Παράρτημα 2). Προαιρετικά, για τις επιτυχημένες σεληνακάτους, μπορείτε να κάνετε δοκιμές από διαφορετικά ύψη. Οι σεληνάκατοι που επιζούν θα πρέπει να έχουν μια δομή που μαλακώνει την αρχική πρόσκρουση (σαν μαξιλάρι) ή μπορεί να έχουν πολλαπλούς μηχανισμούς που διασκορπίζουν την ενέργεια πρόσκρουσης.

Μπορείτε να επιλέξετε μια νικήτρια σεληνάκατο με βάση τα ακόλουθα κριτήρια:

• Ύψος της πτώσης που θα μπορούσε να αντέξει η σεληνάκατος
• Απόσταση από τον στόχο προσγείωσης
• Κόστος της σεληνακάτου
• Πόσο καλά ακολούθησε η τελική σεληνάκατος τον αρχικό σχεδιασμό και προϋπολογισμό
• Συνολική ομαδική εργασία, προγραμματισμός, και επικοινωνία της ομάδας

Ζητήστε από τους μαθητές να παρουσιάσουν την εργασία τους στην τάξη. Θα πρέπει να αναλύσουν πόσο καλά λειτούργησε το σχέδιό τους και τι θα έκαναν διαφορετικά τώρα που γνωρίζουν τα τελικά τους αποτελέσματά. Οι μαθητές θα πρέπει να συζητήσουν επίσης ποιοι εξωτερικοί παράγοντες επηρέασαν την πτώση, για παράδειγμα καιρικές συνθήκες (δυνατός άνεμος, βροχή κ.λπ.) ή την προσγείωση του αυγού σε διαφορετικά υλικά (άσφαλτος, άμμος, γρασίδι κ.λπ.).

Άσκηση 2

Για την Άσκηση 2, θα χρειαστείτε τη θέση και την ταχύτητα, ως συνάρτηση του χρόνου. Για λεπτομερείς οδηγίες σχετικά με τον τρόπο μέτρησης αυτών των παραμέτρων, ανατρέξτε στο Παράρτημα 3. Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε δείγματα δεδομένων που παρέχονται στο Παράρτημα 3, Πίνακας 1.

Σε αυτήν την άσκηση, οι μαθητές θα αναλύσουν την ταχύτητα και την επιτάχυνση κατά τη διάρκεια της πτώσης (η πτώσεων). Για παράδειγμα, θα χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα από τον Πίνακα 1 στο Παράρτημα 3. Κάθε μαθητής θα χρειαστεί ένα κομπιουτεράκι γραφικών παραστάσεων ή έναν υπολογιστή/κινητό με ένα πρόγραμμα όπως το Excel.

1. Υπολογισμός, από το γράφημα, της ταχύτητας πρόσκρουσης σε μια Μετατόπιση στην  y -διεύθυνση ως προς τον Χρόνο: Για να υπολογίσουν την κατά προσέγγιση ταχύτητα κρούσης της σεληνακάτου, οι μαθητές μπορούν πρώτα να σχεδιάσουν τη μετατόπιση της σεληνακάτου στην διεύθυνση  y ως συνάρτηση του χρόνου. Στη συνέχεια, κάντε μια ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης των δεδομένων, πριν η σεληνάκατος φτάσει στο έδαφος (συμπεριλαμβανομένων μόνο των 10 έως 5 τελευταίων σημείων δεδομένων πριν από την πρόσκρουση). Η κλίση αυτής της γραμμικής παλινδρόμησης θα αντιστοιχεί στην κατά προσέγγιση ταχύτητα κρούσης. Εάν η σεληνάκατος δεν έχει φτάσει την τελική ταχύτητα  θα συνεχίσει να επιταχύνεται και αυτή η μέθοδος θα είναι μόνο μια προσέγγιση.

Στο παράδειγμα γραφήματος, η ταχύτητα πρόσκρουσης είναι περίπου 4,5 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

2. Εύρεση της ταχύτητας πρόσκρουσης στην ταχύτητα κατά την διεύθυνση y ως προς τον χρόνο: Μια άλλη μέθοδος εύρεσης της ταχύτητας κρούσης είναι να σχεδιάσετε την ταχύτητα στην διεύθυνση y ως συνάρτηση του χρόνου. Η κατά προσέγγιση ταχύτητα πρόσκρουσης μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί σε αυτό το γράφημα ως το σημείο στο οποίο η y-ταχύτητα αναστρέφει την κατεύθυνση. Στο παρακάτω σχήμα, μπορούμε να δούμε ότι η σεληνάκατος προσκρούει στο έδαφος με ταχύτητα μεταξύ 4,8 και 4,9 μέτρων/δευτερόλεπτο, η οποία είναι περίπου η ίδια ταχύτητα που υπολογίζεται στην ερώτηση 1. Η ταχύτητα της σεληνακάτου δεν πρέπει να μειωθεί έως ότου φτάσει στο έδαφος (εκτός εάν χρησιμοποιεί ένα σύστημα όπως το αλεξίπτωτο, το οποίο δεν ισχύει για τα δείγματα δεδομένων). Οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα των σημείων δεδομένων κοντά στο σημείο πρόσκρουσης μπορεί να οφείλονται σε αβεβαιότητα στις μετρήσεις.

3. Γράφημα για τον υπολογισμό της επιτάχυνσης σε ταχύτητα στην y-διεύθυνση ως προς τον χρόνο: Για να υπολογίσουν την επιτάχυνση της σεληνακάτου, οι μαθητές μπορούν να κάνουν μια γραμμική παλινδρόμηση της ταχύτητας στην διεύθυνση y ως συνάρτηση του χρόνου, πριν από το σημείο πρόσκρουσης. Η κλίση αυτής της γραμμικής παλινδρόμησης θα αντιστοιχεί στην επιτάχυνση της σεληνακάτου. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του παραδείγματος στο Σχήμα 4, η επιτάχυνση στην διεύθυνση y μπορεί να υπολογιστεί ως y = – 8,9 x μέτρα/δευτερόλεπτο στο τετράγωνο.

4. Η επίδραση της οπισθέλκουσας στην επιτάχυνση: Λόγω της παρουσίας της ατμόσφαιρας, η δύναμη οπισθέλκουσας (αντίστασης) που δρα στη σεληνάκατo θα οδηγήσει σε επιβράδυνση. Η δύναμη οπισθέλκουσας εξαρτάται από το τετράγωνο της ταχύτητας. Εάν η σεληνάκατος είχε πέσει από ένα πολύ υψηλότερο σημείο, οι μαθητές θα μπορούσαν να δουν την σεληνάκατο να φτάνει την τελική ταχύτητα (σταθερή ταχύτητα) όταν η δύναμη οπισθέλκουσας θα ισούται με το βάρος.

Δραστηριότητα 3: Προσελήνωση

Σε αυτήν τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα συγκρίνουν την προσγείωση στη Γη με την προσγείωση στη Σελήνη. Θα διερευνήσουν τους διάφορους παράγοντες που επηρεάζουν την προσγείωση και στις δύο τοποθεσίες και το διάγραμμα δυνάμεων. Επιπλέον, οι μαθητές θα επαναλάβουν το σχεδιασμό της σεληνακάτου τους με βάση αυτά που έχουν μάθει κατά τη διάρκεια των δοκιμών.

Σαν εισαγωγή στη Δραστηριότητα 3, συζητήστε τις διαφορές μεταξύ της Σελήνης και της Γης. Ποιοι παράγοντες θα επηρεάσουν την προσγείωση σε κάθε περίπτωση; Καθοδηγήστε τους μαθητές να συζητήσουν για παράγοντες όπως τη σημασία της τοποθεσίας και του είδους του τόπου προσγείωσης και τη γωνία της καθόδου.

1. Ζητήστε από τους μαθητές να απαριθμήσουν 3 παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την προσγείωση και στις δύο τοποθεσίες προσγείωσης. Ορίστε μερικά παραδείγματα:

Συζητήστε μερικές από τις επιπτώσεις των διαφορών που έχουν απαριθμήσει οι μαθητές, για παράδειγμα, την ατμόσφαιρα. Πώς επηρεάζει τη προσγείωση η έλλειψη ατμόσφαιρας στη Σελήνη; Ένα αλεξίπτωτο δεν θα λειτουργούσε σε μια  προσελήνωση – ίσως χρειάζονται έναν κινητήρα αντί για έναν αερόσακο. Οι θερμικές ασπίδες είναι αναγκαίες κατά την επιστροφή στη Γη λόγω της τριβής με την ατμόσφαιρα, αλλά στη Σελήνη δεν θα ήταν απαραίτητες. Αντίθετα, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στη Σελήνη είναι πολύ πιο ακραίες από ότι στη Γη, επομένως η σεληνάκατος θα πρέπει να εγκλιματιστεί.

2. Για την επίλυση της ερώτησης 2, οι μαθητές θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν την εξίσωση για επιτάχυνση της βαρύτητας (g):

g = G * m/r²

Όπου G είναι η σταθερά βαρύτητας, m είναι η μάζα του πλανήτη (φεγγάρι) και r είναι η ακτίνα του πλανήτη (ή φεγγαριού).

Και τον Δεύτερο Νόμο Κίνησης του Νεύτωνα:

F= m*a

Όπου F είναι η προκύπτουσα δύναμη που δρα σε ένα αντικείμενο, m είναι η μάζα του αντικειμένου και a είναι η επιτάχυνση.

3. Ζητήστε από τους μαθητές να σχεδιάσουν το διάγραμμα δυνάμεων της σεληνακάτου, στη Γη και στη Σελήνη. Μπορείτε να επιλέξετε να ξεκινήσετε λέγοντας ότι η επιτάχυνση της βαρύτητας στη Σελήνη είναι 6 φορές μικρότερη από ότι στη Γη, ή μπορείτε να κάνετε τους μαθητές να αναλογιστούν το υπολογιζόμενο αποτέλεσμα τους.

Η Σελήνη περιβάλλεται από ένα κενό, επομένως η μόνη δύναμη που δρα στη σεληνάκατο είναι η βαρυτική δύναμη (Fg,Moon) ή το βάρος. Το διάνυσμα βάρους της σεληνακάτου θα είναι 6 φορές μικρότερο στη Σελήνη από ότι στη Γη, όπως υπολογίζεται στην ερώτηση 2.

Η Γη περιβάλλεται από μια ατμόσφαιρα, επομένως πρέπει να λάβουμε υπόψη την αεροδυναμική έλξη. Η δύναμη έλξης (D) εξαρτάται από το τετράγωνο της ταχύτητας της σεληνακάτου. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, η δύναμη οπισθέλκουσας θα αυξάνεται επίσης έως ότου ισούται με το βάρος. Όταν η οπισθέλκουσα είναι ίση με το βάρος δεν υπάρχει εξωτερική δύναμη στο αντικείμενο και θα συνεχίσει να πέφτει με σταθερή ταχύτητα (τελική ταχύτητα).

4. Με την ανάλυση που έγινε στις προηγούμενες ερωτήσεις, οι μαθητές θα πρέπει τώρα να γνωρίζουν μερικές από τις κύριες διαφορές ανάμεσα σε μια σεληνάκατο και ένα σκάφος προσγείωσης στην Γη. Συζητήστε με τις ομάδες εάν θα ήταν εφικτή η χρήση αλεξίπτωτου. Επίσης, συζητήστε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης κινητήρα για προσγείωση ή αερόσακου για την μετρίαση της προσγείωσης. Ρωτήστε τους μαθητές εάν θα σχεδίαζαν την σεληνάκατο τους διαφορετικά εάν δεν χρειαζόταν να φροντίσουν για την επιβίωση του αυγο-ναύτη. Συσχετίστε το με την πραγματική εξερεύνηση του διαστήματος και τις διαφορές μεταξύ μιας επανδρωμένης και μη επανδρωμένης αποστολής.

Επίλογος

Οι μαθητές θα πρέπει να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι η προσγείωση μιας σεληνακάτου είναι μια δύσκολη εργασία, η οποία περιλαμβάνει πολλές σκέψεις και δοκιμές πριν από την εκτέλεση της. Θα πρέπει να συμπεράνουν ότι οι δεξιότητες, όπως η ανάπτυξη ενός έργου με σταθερό προϋπολογισμό, η αξιολόγηση του κινδύνου, ο σχεδιασμός, οι δοκιμές και η ομαδική εργασία, είναι ζωτικής σημασίας για οποιαδήποτε διαστημική αποστολή. Οι εκτιμήσεις που πρέπει να γίνουν και ο κίνδυνοι που εμπλέκονται στις επανδρωμένες αποστολές είναι πολύ μεγαλύτερες από ότι στις τις ρομποτικές αποστολές.

Οι μαθητές θα πρέπει επίσης να συμπεράνουν ότι οι δοκιμές που πραγματοποιούνται στη Γη δεν μπορούν να αναπαράγουν πλήρως το περιβάλλον και τις συνθήκες της προσελήνωσης, επομένως, μια δοκιμή πρέπει να συμπληρωθεί με θεωρία για να κατανοήσουμε τις διαφορές μεταξύ της Γης και της Σελήνης.

Ευχαριστίες

Αυτό το άρθρο προσαρμόστηκε από αυτό που αρχικά δημοσιεύτηκε ως εκπαιδευτική ενότητα του ΕΟΔ.

Resources

• Απλές δραστηριότητες που δείχνουν μερικές από τις βασικές αρχές της διαστημικής επιστήμης.
• Ένα σύνολο εκπληκτικών πειραμάτων που εξερευνούν τους νόμους της μηχανικής.
• Ένα άρθρο Διδασκαλίας για την επινόηση ενός σχεδίου για την καλλιέργεια φυτών στη Σελήνη..

Institutions

License

CC-BY