Introduzione
La fisica è la scienza naturale che studia la materia, il suo movimento e comportamento attraverso lo spazio e il tempo, e le entità correlate di energia e forza. La parola deriva dal greco antico “φυσική ἐπιστήμη” (physikḗ epistḗmē), che significa “conoscenza della natura”. La fisica è una delle discipline scientifiche più fondamentali. Poiché gli automata sono giocattoli meccanici, lavorare con essi fornisce esperienze con fenomeni e concetti fisici. Alcuni degli automata dell’ AutoSTEM sono progettati con una particolare attenzione a specifici concetti fisici.
Forza ed energia
La forza e l’energia sono due concetti fondamentali della fisica classica che sono direttamente collegati agli automata. Ci sono svariate soluzioni energetiche che permettono agli automata di muoversi. La più semplice è che siano i bambini stessi a fornire la forza. Possono farlo usando
- una maniglia girevole – Questo è, per esempio, applicato nella Dancing Doll e nel Drawbridge – o
- una semplice maniglia a leva – Questo è, per esempio, il caso del Coccodrillo scattante e dell’Elefante parlant
Lavoro
In entrambi i casi, i bambini applicano una forza su una distanza. Facendo questo, compiono un lavoro. Il lavoro è l’energia trasferita a o da un oggetto attraverso l’applicazione di una forza lungo uno spostamento. Può essere rappresentato come il prodotto della forza e dello spostamento. Poiché l’energia si conserva, questo prodotto è costante. Ciò significa che si può compiere lo stesso lavoro con una forza più debole applicandola su una distanza maggiore. Questo principio è utilizzato dalla più semplice delle macchine, la leva. Puoi imparare di più sulle leve leggendo il nostro documento sulle leve. Non sono solo gli esseri viventi che possono fare lavoro. L’energia potenziale può essere convertita in lavoro, per esempio,
Lavoro per gravità
Ci sono molti tipi diversi di meccanismi che usano l’energia potenziale gravitazionale. Quando si usa una leva, il carico la spingerà verso il basso non appena smetteremo di applicare lo sforzo. In qualche modo usiamo questo nel Ponte levatoio. Di solito, la forza gravitazionale tirerebbe giù il ponte quando rilasciamo la manovella. Nel nostro modello, tuttavia, l’attrito tra l’asse dell’argano e il suo cuscinetto è così alto che bilancia la forza gravitazionale (il peso) del ponte. Pertanto, il ponte sollevato rimane al suo posto. Per abbassare il ponte, bisogna girare la manovella nella direzione opposta. Lo stesso principio è usato nell’Ascensore.
Se avvolgiamo una corda intorno ad un asse e attacchiamo una massa all’altra estremità, la gravità tirerà la massa verso il basso, causando lo srotolamento della corda e la rotazione dell’asse. Non abbiamo automata che lo usano come fonte di energia di default, ma potrebbe essere aggiunto a diversi automata, per esempio l’Acrobata o la Dancing Doll.
L’energia dell’acqua che mette in moto una turbina è un altro tipo di lavoro per gravità, perché è la gravità che fa scorrere l’acqua verso il basso.
Lavoro da parte di una molla
Una molla è un oggetto elastico che immagazzina energia potenziale elastica. Nel linguaggio comune, il termine si riferisce spesso alle molle a spirale, ma ci sono molti tipi di molla.
- Nel Ponte levatoio si può usare una molla a spirale (di una penna a sfera) per tirare il ponte verso il basso.
- La Catapulta usa una molla a sbalzo. Questa è una molla piatta fissata solo ad un’estremità come un cantilever, mentre l’estremità libera prende il carico. Anche la cannuccia dell’Eco-car 2 è una molla a sbalzo, ma invece di prendere il carico, tira una corda.
- Un elastico può essere usato come molla in due modi diversi. Nell’Eco-car 1, l’elastico è una molla di tensione dove l’energia viene immagazzinata allungando il materiale.
- Il Returning Tin Can usa un elastico come molla di torsione. Questa è una molla progettata per essere attorcigliata piuttosto che compressa o estesa.
- Una molla a gas è un volume di gas compresso, come in un palloncino. Questo sarà ulteriormente descritto nella prossima sezione.
Lavoro da parte di un gas
‘aria in un palloncino può compiere un lavoro quando viene rilasciata. Lo usiamo nei nostri automata con un motore a reazione, il Balloon Boat, il Balloon Car e l’Amphicar. Dobbiamo applicare una forza per gonfiare il palloncino. Il palloncino applica una forza all’aria racchiusa, spingendola fuori dall’apertura. Secondo la terza legge di Newton (azione uguale reazione), la forza dell’aria che scorre all’indietro (chiamata spinta) crea una forza uguale in direzione opposta sul veicolo (chiamata propulsione) che spinge il veicolo in avanti.
L’energia eolica è un altro tipo di lavoro da parte di un gas. La nostra turbina eolica usa il vento creato artificialmente da un asciugacapelli.
Energia cinetica
L’energia cinetica di un oggetto è l’energia che possiede a causa del suo moto. È definita come il lavoro necessario per accelerare un corpo di una data massa da fermo alla sua velocità dichiarata. Avendo acquisito questa energia durante la sua accelerazione, il corpo mantiene questa energia cinetica a meno che la sua velocità non cambi. Nella maggior parte dei casi sulla terra, tuttavia, un veicolo perde energia cinetica a causa dell’attrito. L’energia cinetica si trasforma in energia termica e la velocità dell’oggetto diminuisce
Tutti i nostri automata hanno parti in movimento. Così, l’energia cinetica è coinvolta e può essere studiata. Possiamo distinguere tra l’energia cinetica rotazionale (per esempio la rotazione delle ruote o della Dancing Doll) e l‘energia cinetica traslazionale (per esempio il movimento in avanti di un’automobile).
Usare la catapulta per insegnare la fisica K-12
Come detto prima, c’è molta fisica coinvolta in tutti gli automata Nel seguente video, usiamo la Catapulta come esempio per spiegare come puoi usarla per insegnare la fisica a tutti i livelli di istruzione, dalla scuola materna alla scuola secondaria.
Riflessione
- Scegliete un altro automata.
- Scrivi i concetti e i principi di fisica che puoi insegnare con quell’automata
- quando i bambini lo costruiscono e
- quando i bambini ci giocano.
- Confronta le tue idee con le linee guida che trovi nel pannello delle istruzioni