Въведение
Физика – естествената наука, която изучава материята, нейното движение и поведение през пространството и времето, както и свързаните с тях елементи на енергия и сила. Думата произлиза от древногръцки ‘φυσική ἐπιστήμη’ (physikḗ epistḗmē), което означава ‘познание за природата’. Физиката е една от най-фундаменталните научни дисциплини. Тъй като автоматите са механични играчки, работата с автомати осигурява опит с физически явления и понятия. Някои от автоматите AutoSTEM са проектирани със специален фокус върху конкретни физически концепции.
Сила и енергия
Силата и енергията са две основни понятия в класическата физика, които са пряко свързани с автомати. Има няколко възможности за източници на енергия, които карат автоматите да се движат. Най-простото е, че децата сами осигуряват силата. Те могат да направят това, като използват.
дръжка за завъртане – Това е, например, реализирано в Танцуваща кукла и Подвижен мост –
илипроста дръжка на лоста – Това е, например, внедрено в Щракащ крокодил и Говорещ слон.
Работа
И в двата случая децата прилагат сила на разстояние. Правейки това, те вършат работа. Работете с енергията, прехвърлена към или от обект чрез прилагане на сила по изместване. Може да се представи като продукт на сила и изместване. Тъй като енергията е запазена, този продукт е постоянен. Това означава, че можете да извършите същата работа с по-слаба сила, като я прилагате на по-голямо разстояние. Този принцип се използва от най-простата от всички машини, лоста. Можете да научите повече за лостовете, като прочетете нашия документ за лостове.
Не само живите същества могат да свършат работа. Потенциалната енергия може да се превърне в работа, например.
Работа чрез гравитация
Има много различни видове механизми, които използват гравитационната потенциална енергия. Когато използвате лост, товарът ще го избута надолу веднага щом спрем да прилагаме усилието. По някакъв начин използваме това в Подвижния мост. Обикновено гравитационната сила би изтеглила палубата на моста, когато освободим манивелата. В нашия модел обаче триенето между оста на лебедката и нейния лагер е толкова голямо, че балансира гравитационната сила (теглото) на мостовата палуба. Следователно повдигнатата палуба на моста остава на място. За да спуснете моста, трябва да завъртите ръчната манивела в обратна посока. Същият принцип се използва и в асансьора.
Ако навием низ около оста и прикрепим маса към другия край, гравитацията ще издърпа масата надолу, карайки струната да се развие и оста да се обърне. Нямаме автомати, които да използват това като източник на захранване по подразбиране, но може да бъде добавен към няколко автомати, например Акробат или Танцуваща кукла.
Водната сила, която задвижва турбината, е друг вид гравитационна работа, тъй като гравитацията е тази, която кара водата да тече надолу.
Работа чрез пружина
Пружината е еластичен обект, който съхранява еластична потенциална енергия. На всекидневния език терминът често се отнася до спирални пружини, но има много дизайни на пружини.
1. Можете да използвате спирална пружина (от химикалка) в Подвижния мост, за да издърпате палубата на моста надолу.
2. Катапултът използва конзолна пружина. Това е плоска пружина, фиксирана само в единия край като конзола, докато свободно окаченият край поема товара. Сламката на Еко-кола 2 също е конзолна пружина, но вместо да поеме товара, тя дърпа връв.
3. Ластик може да се използва като пружина по два различни начина. В Еко-кола 1 гумената лента е опъваща пружина, където енергията се съхранява чрез разтягане на материала.
4. Връщащата се тенекия използва гумена лента като торсионна пружина. Това е пружина, проектирана да бъде усукана, а не компресирана или удължена.
5. Газова пружина е обем на сгъстен газ, като в балон. Това ще бъде описано допълнително в следващия раздел.
Работа чрез газ
Въздухът в балон може да свърши работа, когато бъде освободен. Използваме това в нашите автомати с реактивен двигател, балонната лодка, балонната кола и амфиколата. Трябва да приложим сила, за да надуем балона. Балонът прилага сила върху затворения въздух, изтласквайки го през отвора. Съгласно третия закон на Нютон (действието е равно на реакция), силата на обратния изтичащ въздух (наречен тласък) създава еднаква сила в противоположна посока на превозното средство (наречено задвижване), която тласка превозното средство напред.
Вятърната енергия е друг вид работа с газ. Нашата вятърна турбина използва вятър, който е изкуствено създаден от сешоар.
Кинетична енергия
Кинетичната енергия на даден обект е енергията, която той притежава поради своето движение. Определя се като работа, необходима за ускоряване на тялото с дадена маса от покой до заявената му скорост. Придобивайки тази енергия по време на нейното ускорение, тялото поддържа тази кинетична енергия, освен ако скоростта му не се промени. В повечето случаи на земята обаче превозното средство губи кинетична енергия поради триене. Кинетичната енергия се трансформира в топлинна енергия и скоростта на обекта намалява.
Всички наши автомати имат подвижни части. По този начин кинетичната енергия е включена и може да бъде изследвана. Можем да разграничим ротационната кинетична енергия (напр. Въртенето на колелата или на Танцуващата кола) и транслационната кинетична енергия (напр. Движението на автомобила напред).
Използване на Катапулт за преподаване на физика K-12
Както споменахме по-горе, във всички автомати има много физика. В следващото видео използваме Катапулта като пример, за да обясним как можете да го използвате, за да преподавате физика на всички нива на образование от детската градина до средното училище.
Размисъл
- Изберете друг автомат.
- Запишете физическите концепции и принципи, които можете да преподавате с този автомат
- • когато децата го изграждат и
- • когато децата играят с него.
Сравнете идеите си с насоките, които ще намерите в инструментариума.