Wyścigi samochodów w pracowni fizycznej Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Nicolas Poynter, nauczyciel przedmiotów ścisłych, chciałby aby jego uczniowie nie tylko przyswajali wiadomości, ale by też potrafili samodzielnie myśleć. Jego sposób – zawody w konstruowaniu najszybszego samochodu!

By motywować moich uczniów i uczyć ich podstaw maszyn prostych, elektryczności, zmiennych doświadczalnych, praw ruchu i metody naukowej, przygotowałem projekt wyścigów samochodowych. Obejmował on wszystkie zagadnienia pierwszego bloku podstawowego podręcznika dla dziewiątego roku nauczania przyrody (wiek 15 lat) w USA (Hsu, 2005). Zespoły uczniowskie rywalizowały w konstruowaniu możliwie najszybszego samochodu, wykorzystując wiadomości nabyte podczas lekcji.

Miałem poczucie, że podręcznikowe ćwiczenia były nazbyt uproszczone – instruowały uczniów jak przy pieczeniu ciasta. Chciałem ich nakłonić do przemyśleń i argumentowania. Projekt odniósł sukces. Uczniowie nie tylko zyskali głębsze zrozumienie zagadnień, ale jak się okazało, ich entuzjazm był silny i zaraźliwy.

Zajęcia

Czas: Każdy poniżej opisany etap zajmuje około 80 minut: 20 minut wprowadzenia i godzinę pracy praktycznej. Uczniowie powinni na wstępie mieć pojęcie o pomiarach, zamianie jednostek i metodzie naukowej.

Zajęcia odbywały się dzień po dniu. Były to na przemian wprowadzające zajęcia laboratoryjne i realizacja projektu; np. po dwóch dniach budowania prostych obwodów elektrycznych przechodziliśmy do składania obwodów na potrzeby projektu.

Zasady: Każdy samochód powinien mieć skrzynię biegów, drewniane podwozie, wyłącznik w obwodzie elektrycznym i być napędzany dwiema bateriami 1.5V.

Części samochodu

Każda grupa uczniów potrzebuje:

• Skrzynię biegów i silnik (jednakowe dla każdego zespołu). Wykorzystałem trójprzekładniową skrzynię biegów z 3V silnikiem Tamiya^w1 (pozycja # 70093), ale mogą być dowolne.
• Pojemnik na baterie
• Standardowy wyłącznik
• Deskę na podwozie: sosnową, bambusową lub dębową (7.5 cm x 25 cm x 2 cm)
• Komplet trzech albo czterech opon (do wyboru).

Kupiłem tanio na części stare, zdalnie sterowane samochody i wymontowałem z nich koła, osie i silniki. Można wykorzystać na koła cokolwiek co się toczy, choćby kółka od przesuwanych drzwi. Wiele nadających się do wykorzystania, tanich części można wyszukać w sklepach sprzętu komputerowego lub w Internecie.

Narzędzia I materiały

• Wkręty do drewna dł. 1.2 cm
• Śruby dł. 5 cm z podkładkami i nakrętkami
• Przewód o przekroju 0.8 mm
• Wkręty oczkowe oraz wkręty hakowe (w kształcie litery J)
• Cyna lutownicza
• Izolacja
• Klej do metalu, drewna i plastiku – im mocniejszy, tym lepszy.
• Pędzle i farby
• Pręt aluminiowy o średnicy 3 mm (na przednie osie), dł. około 3 cm na każdy samochód. Zestaw Tamiya ze skrzynią biegów przychodzi z osią, którą można użyć.
• Gruby papier ścierny
• Ołówki
• Smar (z zestawu ze skrzyniami biegów)

Narzędzia

• Lutownica
• Piła do drewna (grzbietnica)
• Obcinaczki do kabli
• Śrubokręty
• Ekierka lub kątownik stolarski
• Wiertarka i małe wiertło
• Waga

Dodatkowe materiały

• Dwa prototypy samochodów, jeden z wysokim przełożeniem (mały moment obrotowy), drugi z małym przełożeniem (duży moment obrotowy). Ich budowa zajmie całe popołudnie. Dla uczniów jest ważne, aby mieć dostęp do działającego modelu, choć we własnym projekcie mogą dokonywać znaczących modyfikacji.
• Opcjonalnie: rower z przerzutką
• Opcjonalnie: pistolecik strzelający pociskami polistyrenowymi (wykorzystałem odporny na zniszczenia plastikowy pistolet zabawkę NERF™), taśma klejąca.
• Dwie fotokomórki i 10 m przewodu telefonicznego (dla pomiaru czasu trwania wyścigu)

Składanie skrzyń biegów: przekładnie i tarcie ślizgowe

Składając skrzynie biegów, uczniowie powinni zrozumieć zasadę działania przekładni i uznać podobieństwo przekładni w samochodach, czy rowerach. Uprzednio wprowadzić należy prawa Newtona i przekładnie.

1. Zademonstruj oba prototypowe pojazdy. Pokaż, że jeden jest szybszy na płaskiej powierzchni, ale nie jest w stanie podjechać na stromy podjazd (> 45 stopni); a drugi, o niskich obrotach i dużym momencie obrotowym, radzi sobie z tym z łatwością (zobacz poniżej, po lewej).
2. Opcjonalnie możesz ustawić na stole rower i pokazać, że przy najwyższym przełożeniu opona wykonuje największy obrót w czasie jednego obrotu pedałów. Przy najniższym przełożeniu, opona wykonuje najmniej obrotów podczas jednego obrotu pedałów, co redukuje siłę konieczną do pedałowania (tak jest podczas podjazdu). Gdy najłatwiej pedałować, szybkość jest zatem najmniejsza. Pomogło to moim uczniom zrozumieć cel przełączania biegów.
3. Rozdaj każdemu zespołowi (dwóch do czterech uczniów) jedną z identycznych skrzyń biegów.
4. Powiedz uczniom, że ich samochody będą ścigały się po poziomej powierzchni.

Na samym początku podałem uczniom dokładną długość trasy i rodzaj powierzchni – 10 m na woskowanej podłodze. Jest ważne by znali długość trasy wyścigu, ponieważ niektóre samochody po 5 m jazdy na wprost zbaczają z kursu.

5. Poproś uczniów, by zastosowali przełożenia (16.6:1, 58.2:1 albo 203.7:1) i złożyli skrzynie biegów zgodnie ze wskazówkami dostawcy. Powinni wybrać ustawienie szybkie (16.6:1). Jeżeli niepoprawnie wybiorą, a zdadzą sobie z tego sprawę dopiero podczas testów, będą wtedy musieli ponownie montować skrzynie biegów – całkiem sporo pracy. Prototypy ułatwią im podjęcie właściwych decyzji i zmniejszą dodatkowy nakład pracy.
6. Posmaruj przekładnie, aby zmniejszyć tarcie i zwiększyć szybkość. Skutki tej czynności są drugorzędne i później wiele zespołów zapomina smarować przekładnie. Ważne jest aby zrozumieć, że tarcie wiąże się z niższą wydajnością. Jest okazja by wyjaśnić, że samochód (silnik spalania wewnętrznego) ma sprawność mniejszą niż 25% ze względu na ilość ruchomych części – wszystkiemu winne tarcie.
7. Podłącz baterię by sprawdzić, czy silnik działa właściwie i czy oś się obraca.

Projektowanie podwozia – drugie prawo dynamiki Newtona i opór powietrza

Uczniowie powinni rozumieć drugie prawo Newtona, znaczenie oporu powietrza (hamowanie) oraz potrafić wykorzystać swą wiedzę przy projektowaniu karoserii.

1. 

   Przypomnij drugie prawo dynamiki Newtona i pojęcie oporu powietrza.

Wykorzystałem pistolet NERFTM, strzela lekkimi kulkami, zawsze z taką samą siłą. Owinąłem kilka kul taśmą klejącą aby zwiększyć ich masę, po czym uczniowie je zważyli (z jakiegoś powodu stanowi wielką różnicę czy ważą sami, czy nauczyciel). Zapytałem później jak daleko polecą kule –kula o dwa razy większej masie pokona połowę odległości. Prawo jest zasadniczo proste, ale jego znajomość jest ważna dla wygrania wyścigu.

2. Zademonstruj uczniom prototypowe samochody. Mój miał podwozie z bambusa, 7.5 cm x 25 cm x 2 cm.
3. Poproś by każdy zespół wybrał dla siebie materiał na podwozie (deskę przyciętą do podobnych wymiarów).

Do wyboru mieli: dąb, sosnę albo bambus. Sosna była najlżejsza. Balsa też byłaby odpowiednia i jest nawet jeszcze lżejsza. Sam wybrałem na prototyp bambus – najgęstszy i najmniej podatny na obróbkę – chcąc nagrodzić zespoły, które wybrały najlżejsze drewno, a nie te, które po prostu kopiowały prototyp. Zapewniłem dostęp do wagi. Kierowałem uczniami najmniej jak to możliwe, ale odpowiadałem na wszystkie ich pytania i podkreśliłem, że wszyscy mają wybór między ciężkim i lekkim drewnem.

Kilka lekcji później, gdy gotowe już pojazdy były ważone, wyjaśniłem dlaczego sosna stanowiła najlepszy wybór.

4. Poproś uczniów, aby odrysowali na otrzymanych deszczułkach kształty podwozi. Cięcie piłą ręczną powinien wykonywać nauczyciel.
5. Niech oszlifują podwozia papierem ściernym.
6. Pomalujcie i nadajcie samochodom numery.

Uczniowie powinni minimalizować masę swoich samochodów przez: wybór właściwego drewna, usuwanie mniej potrzebnych fragmentów i nadawanie aerodynamicznych kształtów.

Instalacje, proste obwody elektryczne i silniki.

Uczniowie powinni poznać proste obwody i silniki elektryczne. Powinni też znać pojęcia napięcia, natężenia i oporu.

1. Jak dotąd, każdy zespół dysponuje skrzynią biegów z osią i silnikiem. Rozdaj każdemu zespołowi pojemniki na baterie i wyłączniki.
2. Narysuj ołówkiem na podwoziu, przy użyciu kątownika, idealnie prostopadłą linię wyznaczającą położenie skrzyni biegów, i starannie umieść skrzynię biegów na tej linii. Umożliwiać to będzie później ustawienie osi i opon pod kątem prostym do podwozia, inaczej samochód nie będzie jechał prosto.
3. Przymocuj do podwozia pojemnik na baterię i skrzynię biegów wkrętami do drewna oraz za pomocą śrub, podkładek i nakrętek wyłącznik. Większość zespołów kopiowało prototyp, choć mogli mocować te elementy tam gdzie chcieli.
4. Połącz elementy obwodu elektrycznego przewodem grubości 0.8 mm. Upewnij się czy wszystko jest właściwie połączone. Lepiej jest łączyć części obwodu rozmieszczone po przeciwnych stronach podwozia przez wywiercone na wylot otwory niż oplatać przewodami boki pojazdu.
5. Opcjonalnie, pod nadzorem nauczyciela uczniowie mogą lutować zakończenia przewodów. Nie jest to konieczne, ale takie „prawdziwe” zadania dają wiele satysfakcji.
6. Rozbij jeden z silniczków elektrycznych i pokaż uczniom zwoje miedzi i elektromagnesy.

Wybór opon, tarcie

Uczniowie ponownie dowiadują się o tarciu. Chociaż szybkość ograniczają opór powietrza i tarcie suwne, podstawowe znaczenie dla jazdy samochodów ma tarcie toczne. Celem uczniów jest dostrzec różnicę między tarciem korzystnym i szkodliwym – autostrada jest lepsza od drogi żwirowej, ponieważ zapewnia mniejsze tarcie, jeśli jednak drogę pokryje lód, samochody nie są w stanie odzyskać jakiekolwiek tarcia bez użycia łańcuchów.

Uczniowie wybierają między oponami zapewniającymi duże i małe tarcie. Przypadkowo, każda grupa moich uczniów wybrała inny rodzaj opon. Niestety, ich samochody różniły się tak wieloma elementami, że nie było można stwierdzić precyzyjnie, które opony były najlepsze. Idealnie byłoby, gdyby przy mniejszym wyborze opon można je było przetestować w kontrolowanych warunkach.

Było dla nas oczywiste, które są nieodpowiednie, ale już nie było tak jasne, które okażą się najlepsze. Gładkie opony toczyły się nieźle, natomiast opony z głębokim bieżnikiem zbyt mono chwytały nawierzchnię. Szersze opony wydawały się lepsze, lecz jeżeli były nazbyt szerokie, problemem stawała się ich masa. Uczniowie, którzy wybierali pierwsi, wybrali anormalnie duże opony, o dużych masach. Samochody z takimi oponami były straszliwie wolne, więc trzeba było takie opony wymieniać. Wszyscy jednak czegoś się nauczyli na podstawie własnych obserwacji, a małe pomyłki pozwalają każdemu na weryfikację posiadanej wiedzy. Wolno było zmieniać opony w dowolnym momencie.

1. Przytnij obcinaczkami do drutu pręt aluminiowy o długości 3 cm, na przednią oś. Można go umocować za pomocą haków oczkowych (rysunek powyżej). Dla samochodu trójkołowego, można użyć haka prostego.
2. Oś skrzyni biegów będzie umieszczona z tyłu.
3. Pozwól uczniom wybierać spośród rozmaitych opon. Zależnie od miejsca zamontowania skrzyni biegów (można na górnej powierzchni podwozia, choć jak się wydaje lepiej gdy będzie zamontowana pod nim) będą potrzebne opony o różnej średnicy, dla zachowania odpowiedniego odstępu od nawierzchni.
4. Przymocujcie koła do osi używając mocnego kleju, lutowania albo taśmy klejącej.

Wyścigi

1. Niech zespoły przetestują swoje samochody, ocenią i dokonają potrzebnych modyfikacji.

Najczęstszym problemem było to, że samochody zjeżdżały z toru wyścigowego i należało korygować ustawienie skrzyń biegów, by były pod kątem prostym z podwoziem. Często dokręcano wkręty mocujące skrzynie biegów, szczególnie w wolnych samochodach.

Łatwo się poluzowuje śruba regulacyjna pozycjonująca oś skrzyni biegów i trzeba ją dokręcać kluczem imbusowym, znajdującym się w zestawie ze skrzynią biegów.

2. Gdy wszystkie samochody będą już sprawne, rozpocznijcie próby czasu. Wykorzystałem do pomiaru dwie fotokomórki, oddalone od siebie o 7.5 m i połączone 10 m przewodem telefonicznym. Potrzeba dwóch uczniów: jeden przerzuca wyłącznik, drugi chwyta samochód i wyłączania silnik.

Zespoły mogą teraz ocenić swoje wyniki na tle innych. Najszybszy samochód osiągnął 2.776 m/s i miał masę 298 g.

3. Przed finałami pozwól uczniom na dokonanie dalszych modyfikacji.

Dysponowaliśmy pojemnikami na baterie AA jak i D. Dwa zespoły wybrały większe baterie sądząc, że uzyskają większą moc. Ich pomyłka stała się oczywista podczas prób czasu (ich samochody miały dwukrotnie większą masę i o połowę mniejszą szybkość) i szybko przerzucili się na lżejsze baterie AA.

4. Podziel uczniów na grupy po trzy samochody na wyścig. Wybór pasa ruchu będzie bardzo istotny i musi być sposób określenia, kto dostaje który pas ruchu. Jeżeli samochód nie zbacza z toru, korzystnie jest otrzymać środkowy pas ruchu. Jeżeli samochód zbacza na lewo, lepiej mieć pas znajdujący się po prawej stronie.

Pozwoliłem wybrać pasy ruchu wpierw dla samochodów najszybszych podczas prób czasu. Jako bandy służyły ustawione rzędem podręczniki. Był dozwolony kontakt między pojazdami w trakcie wyścigu. Kolizje zdarzały się dość często.

5. Niech zwycięzcy wyścigów indywidualnych ścigają się między sobą dla wyłonienia zwycięzcy zawodów.

Dwóch samochodów, najszybszych podczas wyścigów bezpośrednich, nie było na szczycie listy podczas prób czasu. Okazało się to skutkiem wpływu ukrytej zmiennej – orientacji wyłącznika. Zespoły najczęściej kopiowały prototyp i dlatego włącznik był przerzucany ku tyłowi, dając samochodowi wsteczny pęd, który trzeba było pokonać. Dwa samochody miały odwrócone przełączniki, co dawało im duży pęd dodatkowy. Nie dostrzegliśmy tego podczas prób czasu, ponieważ czas przejazdu był mierzony nie od startu, ale od momentu gdy samochód mijał pierwszą fotokomórkę.

Stworzyło to fantastyczną okazję do nauczania o zmiennych niezależnych (masa samochodu, aerodynamika konstrukcji, szkodliwe tarcie, opony, jakość montażu) i zmiennych kontrolowanych (materiał podwozia, skrzynia biegów, wyłącznik, energia 3 V baterii ). Orientacja wyłącznika okazała się (również dla mnie) nieoczekiwaną zmienną niezależną. Musieliśmy analizować dane by dowiedzieć się dlaczego samochody, które wygrały próby czasu nie wygrały wyścigów. Domyśliłem się przyczyny, lecz nie powiedziałem o niej uczniom. Ku mojemu zadowoleniu, kilka zespołów niezależnie doszło do takiego samego wniosku. Było to w zgodzie z celem projektu – skłonić uczniów do myślenia.

Wniosek

Dzięki temu projektowi uczniowie nie tylko osiągnęli cele naukowe, ale też poprawili zdolność rozwiązywania problemów i zdobyli praktyczne umiejętności, które pozostaną z nimi do końca ich życia. Choć potrzebne są prototypy i wskazówki, sugerowałbym utrzymanie możliwe najwięcej zmiennych. Zachęciłem moich uczniów do odejścia od kopiowania prototypu, o ile tylko pozostawali w zgodzie z regułami. Pomimo, że niektóre z projektów okazały się funkcjonalnie katastroficzne, wszyscy uczniowie byli mocno zaangażowani w tym naukowym przedsięwzięciu.

Download

Download this article as a PDF