Concepte cheie
Fizică
Energie potențială
Energie cinetică
Conservarea energiei
Mașină simplă
Introducere
Recunoașteți-o, probabil că ați lansat o bandă de cauciuc cel puțin o dată – ați tras un capăt înapoi și l-ați lăsat să zboare. Ați bănuit vreodată că benzile de cauciuc ar putea fi, de asemenea, un mod distractiv de a învăța despre fizică și inginerie? Aflați în acest proiect unde veți construi o mașină alimentată cu bandă de cauciuc.
Fundal
Când întindeți o bandă de cauciuc, aceasta stochează energie potențială. În mod specific, stochează energie potențială elastică – tipul de energie stocată atunci când un material este deformat (spre deosebire de energia potențială gravitațională, tipul pe care îl obțineți atunci când ridicați un obiect de pe sol). Când eliberați totul, energia stocată trebuie să meargă undeva. Dacă lansați o bandă de cauciuc prin cameră, energia potențială este convertită în energie cinetică, energia mișcării.
Dar ce zici de a folosi toată energia stocată? Puteți atașa banda de cauciuc la o mașină simplă – o roată și o axă – pentru a construi o mașină simplă alimentată cu bandă de cauciuc. În mașinile reale, energia chimică a benzinei sau energia electrică dintr-o baterie este convertită în energie cinetică a mașinii în mișcare. Mașina dvs. model va folosi o bandă de cauciuc ca sursă de energie. Va fi nevoie de puțină inginerie pentru ca vehiculul dvs. să funcționeze – provocați-vă să vedeți cât de departe poate merge mașina dvs.!
Materiale
(Notă: Acesta este un proiect de proiectare inginerească. Următoarea este o listă sugerată de materiale, dar puteți înlocui altele diferite.)
- Carton ondulat
- Două paie de băut
- Două frigarui de lemn
- Patru CD-uri (care sunt în regulă să se zgârie)
- Burete
- Clemă pentru hârtie
- Benzi de cauciuc asortate
- Bandă
- Foarfece
- Suprafață plană și dură pentru testarea mașinii dvs.
- Pistol cu lipici la cald (opțional)
Pregătire
- Tăiați cu grijă o bucată de carton ondulat care este puțin mai lungă și mai lată decât lungimea unui paie.
- Bandați cele două paie de carton, paralele una cu cealaltă, una la fiecare sfârșit.
- Tăiați o crestătură dreptunghiulară în carton la un capăt, aproximativ un centimetru pe un centimetru. Aceasta va tăia, de asemenea, un segment din mijlocul uneia dintre paie.
- Introduceți o frigarui de lemn prin fiecare paie. Acestea vor fi axele mașinii dvs.
- Tăiați patru pătrățele mici din burete și apăsați-le cu grijă pe capetele frigăruilor.
- Atașați CD-urile pe axe pentru a forma roți. Faceți acest lucru umplând o bucată de burete în gaura din mijlocul CD-ului, apoi utilizând bandă pentru a fixa CD-ul și a preveni ca acesta să se clatine.
- Asigurați-vă că mașina dvs. poate rula fără probleme. Puneți-l pe o suprafață plană și dați-i o împingere. Dacă este necesar, reglați roțile astfel încât să fie toate paralele și să nu se clatine. Cât de departe crezi că va merge mașina ta când o vei alimenta cu energie elastică a benzii de cauciuc?
Procedură
- Înfășurați o bandă de cauciuc prin ea însăși în jurul părții mijlocii, expuse a frigaruiului de lemn (unde tăiați o crestătură în carton și paie).
- Bandați banda de cauciuc pe frigărui pentru a preveni alunecarea – când frigăruia se rotește, banda de cauciuc ar trebui să se rotească odată cu ea.
- Tăiați un slot mic în mijlocul bucății de carton.
- Cârligați o agrafă prin slot.
- Cârligați capătul liber al benzii de cauciuc pe agrafa.
- Înfășurați puntea conectată la banda de cauciuc. Dacă este necesar, ciupiți banda de cauciuc pe ax când porniți, pentru a preveni alunecarea acestuia.
- Puneți mașina în jos și eliberați axul. Ce se întâmplă? Mașina ta merge înainte? Cât de departe merge?
- În cazul în care mașina dvs. nu s-a mișcat, este timpul pentru o soluționare a problemelor.
- Dacă banda de cauciuc nu s-a desfăcut deloc, înfășurați-o mai bine și încercați din nou. Puteți încerca, de asemenea, să schimbați locația slotului pentru agrafa pentru a regla etanșeitatea benzii de cauciuc.
- Dacă banda de cauciuc s-a desfăcut, dar axa nu s-a rotit, este posibil ca banda de cauciuc să nu fi fost atașată. suficient de sigur până la frigărui. Încercați să-l atașați la frigăruie legând un nod strâns sau folosind lipici fierbinte.
- Dacă roțile s-au rotit, dar mașina nu s-a mișcat deloc înainte, s-ar putea să nu fi existat suficientă frecare între CD-uri și sol. Încercați să folosiți mașina pe o altă suprafață. Dacă acest lucru încă nu funcționează, încercați să dați CD-urilor mai multă aderență prin întinderea benzilor de cauciuc în jurul lor sau punând o margine de adeziv fierbinte de-a lungul marginilor. (Lăsați adezivul să se usuce complet înainte de a testa din nou mașina.)
- Continuați să experimentați cu mașina dvs. Faceți mici modificări la ea și testați-o din nou. Cât de departe puteți ajunge la mașină?
- Extra: gândiți-vă la „ economie de combustibil ”pentru mașina dvs. alimentată cu bandă de cauciuc. Mașinile alimentate cu benzină își calculează consumul de combustibil în mile pe galon sau câte mile poate parcurge mașina cu un galon de combustibil.Mașina dvs. folosește o bandă de cauciuc întinsă ca sursă de energie în loc de benzină. Cum ați putea măsura „economia de combustibil” pentru diferite modele? De exemplu, câte picioare poate parcurge mașina dvs. pe rotația inițială de înfășurare a osiei? Cum se schimbă acest lucru cu diferite benzi de cauciuc sau diferite poziții pentru agrafe? Ce vă oferă cea mai bună economie de combustibil?
- Extra: testați diferite tipuri de benzi de cauciuc pentru a vă alimenta mașina. Funcționează mai bine cu cele lungi sau scurte? Cele groase sau subțiri?
- Extra: Încercați să utilizați diferite materiale pentru a vă construi mașina. Ce se întâmplă dacă utilizați capace pentru sticle în loc de CD-uri pentru roți sau creioane în loc de frigarui pentru axe?
- Extra: Faceți acest proiect cu prietenii sau familia. Toată lumea își poate construi propria mașină și apoi poate vedea a cui poate merge cel mai departe.
- Extra: puteți construi o mașină propulsată de un balon în loc de o bandă de cauciuc. Pentru instrucțiuni, consultați secțiunea „Mai multe de explorat” de mai jos.
Observații și rezultate
Când înfășurați puntea mașinii, întindeți banda de cauciuc și stocați energia potențială. Când o eliberați, banda de cauciuc începe să se relaxeze, iar energia potențială este convertită în energie cinetică pe măsură ce mașina este propulsată înainte. Cu cât întindeți banda de cauciuc, cu atât este stocată mai multă energie potențială și cu cât mașina ar trebui să meargă mai departe și mai repede.
Toate acestea sună grozav în teorie – dar în practică este posibil să fi fost dificil. Mai multe lucruri pot împiedica mașina să funcționeze bine. Dacă roțile nu sunt aliniate corespunzător, acestea se pot clătina sau bloca și pot împiedica mașina să ruleze lin. Banda de cauciuc poate aluneca în raport cu axa de lemn, împiedicând rotirea roților. Chiar dacă roțile se învârt, s-ar putea să nu existe suficientă frecare cu solul, determinându-le să se învârtă în loc fără a muta mașina. Toate acestea sunt provocări pe care le puteți depăși cu puțin efort de inginerie!
Mai multe de explorat
Construiți o mașină cu balon, de la Scientific American
Balloon-Powered Challenge, de la Science Buddies
Știință rapidă: benzile de cauciuc întinse sunt încărcate cu energie potențială !, de la Scientific American
Absorb the Shock !, de la Scientific American
Activități științifice pentru toate vârstele !, de la Science Buddies
Această activitate adus în parteneriat cu Science Buddies
