Concetti chiave
Fisica
Energia potenziale
Energia cinetica
Conservazione dellenergia
Macchina semplice
Introduzione
Ammettilo, probabilmente hai lanciato un elastico almeno una volta, tirando indietro unestremità e lasciandolo volare. Hai mai sospettato che gli elastici potessero anche essere un modo divertente per imparare la fisica e lingegneria? Scopri in questo progetto dove costruirai unauto alimentata da un elastico.
Background
Quando allunghi un elastico, immagazzina energia potenziale. In particolare, immagazzina energia potenziale elastica, il tipo di energia immagazzinata quando un materiale è deformato (al contrario dellenergia potenziale gravitazionale, il tipo che ottieni quando sollevi un oggetto da terra). Quando rilasci tutto, quellenergia immagazzinata deve andare da qualche parte. Se lanci un elastico attraverso la stanza, lenergia potenziale viene convertita in energia cinetica, lenergia del movimento.
Ma che dire di utilizzare tutta lenergia immagazzinata? Puoi attaccare il tuo elastico a una macchina semplice, una ruota e un asse, per costruire una semplice macchina alimentata da un elastico. Nelle auto reali, lenergia chimica della benzina o lenergia elettrica di una batteria viene convertita in energia cinetica dellauto in movimento. Il tuo modello di auto utilizzerà un elastico come fonte di energia. Ci vorrà un po di ingegneria per far funzionare il tuo veicolo: sfida te stesso per vedere quanto lontano può arrivare la tua auto!
Materiali
(Nota: questo è un progetto di progettazione ingegneristica. Di seguito è riportato un elenco suggerito di materiali, ma puoi sostituirne di diversi.)
- Cartone ondulato
- Due cannucce
- Due spiedini di legno
- Quattro CD (che possono graffiarsi)
- Spugna
- Graffetta
- Elastici assortiti
- Nastro
- Forbici
- Superficie piana e dura per testare la tua auto
- Pistola per colla a caldo (opzionale)
Preparazione
- Taglia con cura un pezzo di cartone ondulato leggermente più lungo e più largo della lunghezza di una cannuccia.
- Attacca le due cannucce al cartone, parallele luna allaltra, una per ciascuna fine.
- Taglia una tacca rettangolare nel cartone su unestremità, circa un pollice per un pollice. In questo modo taglierai anche un segmento dalla metà di una delle cannucce.
- Inserisci uno spiedino di legno in ogni cannuccia. Questi saranno gli assi della tua auto.
- Taglia quattro piccoli quadrati dalla spugna e premili con cura sulle estremità degli spiedi.
- Attacca i CD agli assi per formare le ruote. Fallo inserendo un pezzo di spugna nel foro al centro del CD, quindi utilizzando del nastro adesivo per fissare il CD ed evitare che ondeggi.
- Assicurati che la tua auto possa rotolare senza intoppi. Mettilo su una superficie piana e dagli una spinta. Se necessario, regola le ruote in modo che siano tutte parallele e non oscillino. Fino a che punto pensi che andrà la tua auto quando la alimenterai con lenergia dellelastico elastico?
Procedura
- Avvolgere un elastico su se stesso attorno alla parte centrale esposta dello spiedo di legno (dove si ritaglia una tacca nella cartone e paglia).
- Fissare lelastico allo spiedo per evitare che scivoli: quando lo spiedino ruota, lelastico dovrebbe ruotare con esso.
- Taglia una piccola fessura dentro al centro del pezzo di cartone.
- Aggancia una graffetta attraverso la fessura.
- Aggancia lestremità libera dellelastico alla graffetta.
- Avvolgi lasse che è collegato allelastico. Se necessario, stringi lelastico sullasse quando parti, per evitare che scivoli.
- Metti giù la macchina e rilascia lasse. Che succede? La tua macchina va avanti? Quanto lontano arriva?
- Se la tua auto non si è mossa, è il momento di risolvere il problema.
- Se lelastico non si è svolto affatto, avvolgilo più strettamente e riprova. Puoi anche provare a cambiare la posizione della fessura per la graffetta per regolare la tenuta dellelastico.
- Se lelastico si è svolto ma lasse non ha ruotato, lelastico potrebbe non essere stato attaccato abbastanza saldamente allo spiedo. Prova ad attaccarlo allo spiedo facendo un nodo stretto o usando la colla a caldo.
- Se le ruote giravano ma lauto non si muoveva affatto, potrebbe non esserci stato abbastanza attrito tra i CD e il terra. Prova a usare lauto su una superficie diversa. Se ancora non funziona, prova a dare più presa ai tuoi CD allungando gli elastici attorno ad essi o mettendo una goccia di colla a caldo lungo i bordi. (Lascia che la colla si asciughi completamente prima di provare di nuovo la tua auto).
- Continua a sperimentare con la tua auto. Apporta piccole modifiche e prova di nuovo. Quanto lontano puoi far arrivare lauto?
- Extra: pensa a ” risparmio di carburante “per la tua auto alimentata da un elastico. Le auto a benzina calcolano il loro risparmio di carburante in miglia per gallone o quante miglia lauto può percorrere con un gallone di carburante.La tua auto utilizza un elastico teso come fonte di energia invece della benzina. Come potresti misurare il “risparmio di carburante” per diversi modelli? Ad esempio, quanti piedi può percorrere la tua auto per rotazione iniziale di avvolgimento dellasse? Come cambia con diversi elastici o diverse posizioni di graffette? Cosa ti offre il miglior risparmio di carburante?
- Extra: prova diversi tipi di elastici per alimentare la tua auto. Funziona meglio con quelli lunghi o corti? Quelli spessi o sottili?
- Extra: prova a utilizzare materiali diversi per costruire la tua auto. Cosa succede se usi tappi di bottiglia invece di CD per ruote o matite invece di spiedini per assi?
- Extra: fai questo progetto con amici o familiari. Ognuno può costruire la propria auto e poi vedere chi può andare più lontano.
- Extra: puoi costruire unauto alimentata da un palloncino invece che da un elastico. Consulta la sezione “Altro da esplorare” di seguito per istruzioni.
Osservazioni e risultati
Quando riavvolgi lasse dellauto, allunghi lelastico e immagazzini energia potenziale. Quando lo rilasci, lelastico inizia a srotolarsi e lenergia potenziale viene convertita in energia cinetica mentre lauto viene spinta in avanti. Più allunghi lelastico, più energia potenziale viene immagazzinata e più lontano e veloce dovrebbe andare lauto.
Tutto suona alla grande in teoria, ma in pratica potresti averlo trovato difficile. Diverse cose possono impedire alla tua auto di funzionare bene. Se le ruote non sono allineate correttamente, possono oscillare o incepparsi e impedire allauto di muoversi agevolmente. Lelastico può scivolare rispetto allasse in legno, impedendo alle ruote di girare. Anche se le ruote slittano, potrebbe non esserci abbastanza attrito con il suolo, facendole slittare sul posto senza spostare lauto. Queste sono tutte sfide che puoi superare con un piccolo sforzo ingegneristico!
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