Introduksjon
Fysikk er en naturvitenskap som studerer materie, dens bevegelse gjennom rom og tid og begrepene energi og kraft som henger sammen med det. Ordet kommer fra det gamle greske ‘φυσική ἐπιστήμη’ (physikḗ epistḗmē) som betyr kunnskap om naturen. Fysikken er en av de mest grunnleggende vitenskapsdisipliner. Mens barn leker med mekaniske leker gjør de naturligvis erfaringer med mekanikk og andre fysikalske fenomener og begreper. Noen mekaniske leker som vi bruker i AutoSTEM er spesielt laget med fokus på utvalgte fysikalske begreper og ideer.
Kraft og energi
Kraft og energi er to grunnleggende begreper i den klassiske fysikken. De henger direkte sammen med mekaniske leker. Vi kan bruke mange ulike kraftkilder til å sette de mekaniske lekene i bevegelse. Det enkleste er at barna bruker sin egen kraft. Det kan de gjøre ved å bruke
- en sveiv – Det brukes for eksempel ved Den dansende dukka og Vindelbroa – eller
- et enkelt vektstang-håndtak – Det brukes for eksempel ved Krokodilla som snapper og Den snakkende elefanten.
Arbeid
I begge tilfeller bruker barna en kraft over en distanse. Det betyr at de gjør arbeid. Arbeid er energien som overføres til eller fra et objekt ved å bruke en kraft langs en vei. Det kan representeres som produkt av kraft og distanse. Siden energi er konservert, dette produktet er konstant. Det betyr at du kan gjøre det samme arbeidet ved å bruke en svakere kraft over en lengre distanse. Dette prinsippet brukes i den enkleste maskinen: vektstangen. Du kan lære mer om vektstanger ved å lese vårt dokument om vektstanger.
Det er ikke bare levende vesen som kan gjøre arbeid. Potensiell energi kan omgjøres til arbeid, for eksempel
Arbeid av gravitasjon
Det er mange andre mekanismer som bruker gravitasjonskraften. Når man bruke en vektstang, vil lasten presse den ned igjen med en gang vi fjerner pådraget. På en måte bruker vi det ved vår Vindelbro. Vanligvis ville gravitasjonskraften trekke ned brua så snart vi slipper håndtaket, men ved vår modell er friksjonskraften så sterk at den oppveier gravitasjonskraften. Derfor blir brua oppe. For å senke brua må vi snu på sveiven i motsatt retning. Det samme prinsippet brukes ved Heishuset.
Hvis vi kveiler en snor rundt en aksel og fester en last på den andre siden, vil gravitasjonen trekke massen nedover, slik at snoren ruller ut og akselen roterer. Vi har ikke mekaniske leker som bruker det, men det kan tilføyes flere leker, for eksempel Akrobaten og Den dansende dukka.
Vannkraft som setter en turbin i bevegelse er en annen type gravitasjonskraft, fordi gravitasjonen får vannet til å falle nedover.
Arbeid av en fjær
En fjær er et elastisk objekt som lagres elastisk potentiell energi. I dagligdags språk mener vi mest en spiralfjær når vi snakker om fjær, men det finnes mange ulike typer.
- Du kan bruke en spiralfjær (fra en pen) for å trekke Vindelbroa ned.
- Katapulten bruker en utliggerfjær. Det er en flat fjær som er festet bare på én side som en utkraging mens den frie enden bærer lasten. Sugerøret ved Økobil 2 er også en utliggerfjær, men istedenfor å bære lasten trekker den et tau.
- En gummistrikk kan brukes som fjær på to ulike måter. Ved Økobil 1 er gummistrikken en strekkfjær som lagrer energi ved å strekke materialet.
- Den magiske boksen bruker en gummestrikk som uses torsjonsfjær. Det er en fjær som tvinnes istedenfor å presses eller å strekkes.
- En gassfjær er et volumn med konprimert gass som i en ballong. Det forklarer vi nærmere i det neste avsnittet.
Arbeid av et gass
Luften i en ballong kan gjøre arbeid når den slippes ut. Det brukes i våre mekaniske leker som har en jetmotor, Ballongbåten, Ballongbilen og Amfibiebilen. Vi må bruke kraft til å blåse opp ballongen. Ballongen utøver en kraft på den innesluttete luften og presser den ut av åpningen. Ifølge Newtons tredje lov (aksjon er lik reaksjon) lager den utstrømmende luften en like stor kraft i motsatt retning som heter fremdrift og dytter fartøyet fremover.
Vindkraft er en annen måte hvordan et gass kan gjøre arbeid. Vår Vindturbin bruker vind som vi lager kunstig ved hjelp av en hårføner.
Kinetisk energi
Kinetisk energi hat et objekt når den beveger seg. Den er definert som arbeid som må brukes for å aksellerere et objekt med en viss masse til det har oppnåd sin endelig hastighet. Etter objekt har fått denne kinetiske energien gjennom aksellerasjonen, blir den kinetiske energien konstant så lenge hastigheten ikke endres. I de fleste tilfeller på jorda mister fartøyet sin kinetiske energi etter hvert på grunnen av friksjon. Den kinetiske energien omgøres til termisk energi og objektets fart reduseres.
Alle våre mekaniske leker har deler som beveger seg. Derfor kan vi undersøke kinetisk energi når vi leker med dem. Vi kan skille rotasjonsenergi (for eksempel ved hjul og ved Den dansende dukka) og translasjonsenergi (for eksempel når en bil beveger seg fremover).
Vi kan bruke Katapulten til å undervise fysikk fra barnehagen til videregående skole
Som sagt er det mye fysikk involvert i alle de mekaniske lekene. I den følgende videoen viser vi hvordan du kan bruke Katapulten som eksempel hvordan du kan undervise fysikk på alle nivåer av skoleløpet fra barnehagen til videregående skole. Videoen er på engelsk.
Refleksjon
- Velg en annen mekanisk leke.
- Skriv ned de fysikalske begreper og prinsipper som du kan vise med denne leken
- når barn lager den selv og
- når barn leker med den.
- Sammenlign dine ideer med det som du finne i guidene som du finner i vår verktøykasse.