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Foguetes para garrafas de água - Atividade - Ensino de Engenharia

como fazer um foguete de garrafa
habboin 04/12/2021 Foguete 708
ResumoO que faz os foguetes voarem em linha reta? O que faz os foguetes voarem longe? Por que usar água para fazer o foguete voar? Os alunos são desafiados a projetar e construir foguetes a partir de garrafas plásticas de refrigerante de dois litros que ...

Resumo

O que faz os foguetes voarem em linha reta? O que faz os foguetes voarem longe? Por que usar água para fazer o foguete voar? Os alunos são desafiados a projetar e construir foguetes com garrafas plásticas de refrigerante de dois litros que viajem o mais longe e direto possível ou permaneçam no ar o maior tempo possível. Guiados pelas etapas do processo de design de engenharia, os alunos primeiro assistem a um vídeo que mostra falhas no lançamento de foguetes e, em seguida, participam de três mini-atividades conduzidas por professores com demonstrações para explorar os principais conceitos de design de foguetes: centro de arrasto, centro de massa e impulso e impulso. Em seguida, a classe testa quatro combinações de propelentes (ar, água) e centro de massa (peso adicionado à frente ou à ré) para ver como essas variáveis ​​afetam a distância do foguete e o tempo de suspensão. Com o que aprenderam, os pares de alunos criam seus próprios foguetes a partir de garrafas plásticas com aletas de papelão e suas escolhas de propulsor e posicionamento do centro de massa, que eles testam e refinam antes de uma competição culminante de um dia de campo de engenharia. Design de equipes para distância máxima ou tempo de espera; adicionar um pára-quedas é opcional. Os alunos aprendem que as falhas de engenharia durante o projeto e os testes são apenas etapas no caminho para o sucesso. Este currículo de engenharia está alinhado aos Next Generation Science Standards (NGSS).

Conexão de Engenharia

Engenheiros mecânicos, aeroespaciais e aeronáuticos projetam aeronaves, como aviões, helicópteros e ônibus espaciais, que devem voar de forma confiável, segura e previsível. Isso requer uma compreensão das leis fundamentais da física e uma sólida formação em disciplinas básicas de engenharia (dinâmica, mecânica dos fluidos, materiais). Os engenheiros de materiais desenvolvem materiais que podem suportar os extremos ambientais associados ao vôo. Como engenheiros, os alunos seguem as etapas do processo de projeto de engenharia e aplicam os conceitos fundamentais dos princípios da física para projetar, testar e reprojetar foguetes de garrafa de água que voam como pretendido.

objetivos de aprendizado

Após esta atividade, os alunos devem ser capazes de:

Projete e construa um foguete de garrafa de água que voe em linha reta e na direção desejada. Explique o centro de arrasto e o centro de massa e desenhe suas relações entre si para um foguete de vôo direto. Explique por que a água é mais eficaz do que o ar para a propulsão Foguetes de garrafa. Explique as etapas do processo de design à medida que eles criaram seus foguetes, destacando sucessos e fracassos e sugerindo melhorias adicionais.

Padrões Educacionais

Cada lição ou atividade de TeachEngineering está correlacionada a um ou mais padrões educacionais de ciência, tecnologia, engenharia ou matemática (STEM) do ensino fundamental e médio.

Todos os mais de 100.000 padrões K-12 STEM cobertos pelo TeachEngineering são coletados, mantidos e empacotados pela Achievement Standards Network (ASN), um projeto da D2L (www.achievementstandards.org).

No ASN, os padrões são estruturados hierarquicamente: primeiro pela fonte; por exemplo, por estado; dentro da fonte por tipo; por exemplo, ciências ou matemática; dentro de tipo por subtipo, depois por série, etc.

Expectativa de desempenho do NGSS

MS-ETS1-2.Avaliar as soluções de design concorrentes usando um processo sistemático para determinar o quão bem elas atendem aos critérios e restrições do problema. (Graus 6 - 8)

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Clique para ver outro currículo alinhado a esta Expectativa de DesempenhoEsta atividade enfoca os seguintes aspectos de Aprendizagem Tridimensional do NGSS: Práticas de Ciência e EngenhariaIdeias Básicas DisciplinaresCrosscutting ConceptsAvaliar soluções de design concorrentes com base em critérios de design desenvolvidos em conjunto e acordados.

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Existem processos sistemáticos para avaliar as soluções com relação a quão bem elas atendem aos critérios e restrições de um problema.

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Expectativa de desempenho do NGSS

MS-ETS1-4. Desenvolver um modelo para gerar dados para teste iterativo e modificação de um objeto, ferramenta ou processo proposto de forma que um projeto ideal possa ser alcançado. (Graus 6 - 8)

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Clique para visualizar outro currículo alinhado a esta Expectativa de Desempenho Esta atividade enfoca os seguintes aspectos de Aprendizagem Tridimensional do NGSS: Práticas de Ciência e EngenhariaIdeias Básicas DisciplinaresCrosscutting ConceptsDesenvolver um modelo para gerar dados para testar ideias sobre sistemas projetados, incluindo aqueles que representam entradas e saídas.

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Modelos de todos os tipos são importantes para soluções de teste.

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O processo iterativo de testar as soluções mais promissoras e modificar o que é proposto com base nos resultados do teste leva a um maior refinamento e, por fim, a uma solução ótima.

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Expectativa de desempenho do NGSS

MS-PS2-2.Planeje uma investigação para fornecer evidências de que a mudança no movimento de um objeto depende da soma das forças sobre o objeto e a massa do objeto. (Graus 6 a 8)

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Clique para ver outro currículo alinhado a esta expectativa de desempenho. Esta atividade se concentra nos seguintes aspectos de aprendizagem tridimensional do NGSS: Ciências e práticas de engenhariaIdeias básicas disciplinaresCrosscutting Concepts Planeje uma investigação individual e colaborativamente e no projeto: identifique variáveis ​​e controles independentes e dependentes, quais ferramentas são necessários para fazer a coleta, como as medições serão registradas e quantos dados são necessários para apoiar uma reclamação.

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O conhecimento científico é baseado em conexões lógicas e conceituais entre evidências e explicações.

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O movimento de um objeto é determinado pela soma das forças que atuam sobre ele; se a força total no objeto não for zero, seu movimento mudará. Quanto maior for a massa do objeto, maior será a força necessária para atingir a mesma mudança no movimento. Para qualquer objeto, uma força maior causa uma mudança maior no movimento.

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Todas as posições dos objetos e as direções das forças e movimentos devem ser descritas em um referencial escolhido arbitrariamente e em unidades de tamanho escolhidas arbitrariamente. Para compartilhar informações com outras pessoas, essas escolhas também devem ser compartilhadas.

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Explicações de estabilidade e mudança em sistemas naturais ou projetados podem ser construídas examinando as mudanças ao longo do tempo e forças em diferentes escalas.

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Os alunos desenvolverão uma compreensão dos atributos do design. (Séries K - 12) Mais detalhes

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Os alunos desenvolverão uma compreensão do projeto de engenharia. (Séries K - 12) Mais detalhes

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Os alunos desenvolverão uma compreensão do papel da solução de problemas, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e experimentação na solução de problemas. (Séries K - 12) Mais detalhes

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Avalie as soluções de design concorrentes usando um processo sistemático para determinar o quão bem eles atendem aos critérios e restrições do problema. (Graus 6 - 8) Mais detalhes

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Planeje uma investigação para fornecer evidências de que a mudança no movimento de um objeto depende da soma das forças sobre o objeto e a massa do objeto. (Graus 6 - 8) Mais detalhes

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Desenvolva um modelo para gerar dados para teste iterativo e modificação de um objeto, ferramenta ou processo proposto de forma que um design ideal possa ser alcançado. (Graus 6 - 8) Mais detalhes

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Lista de Materiais

Para compartilhar com toda a turma:

equipamento e acesso à Internet para mostrar à classe um vídeo online (opcional) prêmios para a (s) equipe (s) vencedora (s), como guloseimas ou privilégios

Materiais de mini-atividades para serem usados ​​com toda a classe:

Aparelho de cata-vento (construído com antecedência pelo professor para Center of Drag Mini-Activity # 1) 2 peças idênticas de papelão ondulado fino, cada uma com cerca de 2 x 5 polegadas de comprimento de dois de 6 polegadas de fio de aço rígido, como uma bandeira de paisagem estoque; o fio deve ser mais fino do que a espessura do papelão, 12 polegadas de comprimento de 2 x 4 peças de madeira e uma pequena broca que tem o mesmo diâmetro do pino de aço rígido com peso em leque elétrico (construído pelo professor antecipadamente para a Mini-Atividade do Centro de Massa # 2) comprimento de 3 pés de ½-1 polegada de diâmetro (madeira) tarugo / barra ou haste (estoque de alumínio leve), etc. , borrachas, objetos de formato irregular, etc .; uma por par de alunos (opcional) uma régua com um rolo de moedas a serem coladas em várias posições2 cadeiras com rodas (para Momentum e Impulse Mini-Activity # 3); cadeiras de escritório rolantes funcionam bem lançador de foguetes de garrafa de água, como a bomba Aquapod Bottle Launcherbiciclo com medidor de pressão, necessária para o lançador de garrafa; nota: não utilizar ar comprimido mecanicamente com lançadores construídos com tubo de PVC! fita de embalagem transparente, pelo menos 2 rolos de fita adesiva, pelo menos 2 rolos 5-7 quartos; outras moedas também podem funcionar (opcional) vários materiais de pára-quedas (como sacolas plásticas) e materiais de linha (como barbante, linha, barbante, fita ondulada de 3/16 pol.) cronômetro fita métrica óculos de segurança, pelo menos dois pares

Cada grupo precisa de:

duas garrafas de refrigerante de 2 litros; uma garrafa serve como vaso de pressão para o foguete; (opcional) o outro como um cone de nariz para um pára-quedas; para melhor encaixe no lançador de foguete, use garrafas de produtos Pepsi e Coca-Cola2 pastas de papel manilha ou papelão, a partir das quais construir finsduto ou fita de embalagem1 grande saco de lixo de plástico, a ser usado para o paraquedismo, para prender o saco plástico ao marcador de tesoura de foguetes que escreve em peso de plástico para ajustar o centro de massa (5-7 quartos, argila, papel amassado, etc.), papel (ou cadernos de ciências) e lápis para anotações, previsões, hipóteses, explicações, esboços Planilha de projeto inicial, uma por aluno Planilha de projeto revisada , um por aluno Regras de Competição de Distância de Foguetes Aquáticos ou Regras de Competição de Tempo de Suspensão de Foguetes Aquáticos, um por grupo

Planilhas e anexos

Visite [www.teachengineering.org/activities/view/ucd_bottlerockets_activity1] para imprimir ou fazer download.

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Conhecimento Pré-Req

Uma compreensão básica de energia e transferência de energia; forças, massa e leis de movimento, velocidade e aceleração de Newton; arrasto (resistência do ar); e alavancas.

Introdução / Motivação

Quem quer lançar um foguete? (Aguarde as respostas dos alunos levantando as mãos ou respondendo verbalmente).

Você prefere um foguete que voa alto e direto ou um foguete que voa de ponta-cabeça, quer queira quer não, e cai no chão logo após o lançamento? A NASA certamente não quer que seus foguetes caiam antes do esperado - mas às vezes eles acontecem.

Vamos assistir. (Mostre à classe um vídeo de 5: 40 minutos, Numerous US Launch Failures, sobre desastres de foguetes em https://www.youtube.com/watch?v=CEFNjL86y9c. Você não precisa reproduzir o vídeo inteiro.)

O que você notou? Você viu como alguns desses foguetes voaram tortos e fora de controle antes de explodirem? Na história da humanidade, demorou algum tempo e muitos testes para entender realmente como os foguetes voam.

Nos próximos dias, vamos construir alguns foguetes simples usando garrafas de refrigerante de dois litros - e assim como os engenheiros da NASA - queremos que voem direto e longe.

Quem gosta de fazer as coisas certas da primeira vez? (Observe as respostas dos alunos.) A maioria das pessoas sim.

Alguns dos primeiros foguetes que iremos projetar e construir vão parecer "falhas", mas não são falhas. Eles são apenas alguns passos no caminho para o sucesso. Essa é a grande vantagem da engenharia. Erros são apenas parte do processo de aprendizagem e vamos aprender sobre esse processo, que é chamado de processo de projeto de engenharia. Vamos fazer foguetes, testá-los, observar se falham, aprender o que pudermos e redesenhá-los. Vamos cometer muitos “erros” e isso é parte da diversão. O único erro real é não aprender com eles!

Procedimento

Visão geral

Os alunos são desafiados a usar garrafas plásticas de refrigerante de dois litros para construir foguetes de garrafa de água que viajem a maior distância ou possam ficar suspensos no ar por mais tempo (tempo de espera). Eles seguem as etapas do processo de projeto de engenharia à medida que criam foguetes usando garrafas plásticas, papel ou folha de plástico para aletas e fita adesiva. Durante as fases de projeto, construção e redesenho, os alunos testam seus foguetes quantas vezes forem necessárias para refiná-los para que possam viajar a maior distância ou permanecer no ar por mais tempo.

Durante a competição, os pares de alunos escolhem a quantidade de água e o ângulo de lançamento - para distância ou altura (tempo de espera). Para a competição, os foguetes são lançados e julgados uma vez. Os tempos de suspensão são medidos a partir do momento em que o foguete é lançado até que a primeira parte (possivelmente destacada) do foguete toque o solo. As distâncias são medidas do lançador até a parte mais próxima (possivelmente separada) do foguete totalmente em repouso. Os critérios para quebrar os laços de distância e tempo são (em ordem): qualidade de construção, peso do foguete (foguete mais leve é ​​o preferido) e estilo. Veja mais detalhes nas Regras de Competição de Distância de Foguetes Aquáticos e Regras de Competição de Tempo de Suspensão de Foguetes Aquáticos.

Fundo

Nesta atividade, os alunos aprendem sobre os fundamentos da aerodinâmica e vôo projetando, construindo e lançando foguetes de garrafa de água (sem / com pára-quedas) com o desafio de competir para ver qual projeto voa a maior distância ou permanece no ar por mais tempo. Esta atividade é dividida em vários dias e inclui três mini-atividades para ensinar os três conceitos principais necessários para projetar foguetes de garrafa de água: centro de arrasto, centro de massa e momento e impulso. O foco principal da atividade é duplo:

O que faz um foguete voar reto? por meio da exploração do centro de massa, do centro de arrasto e da relação entre eles. O que faz um foguete voar para longe? explorando a pergunta: “Por que usar água para fazer o foguete voar?”

Por meio do trabalho preparatório da mini-atividade e das observações e de seu próprio design e teste, os alunos ganham experiência em primeira mão com impulso e impulso, e reforçam sua compreensão das leis, forças, energia e conceitos relacionados de Newton. Espere que os projetos de foguetes sejam quase idênticos para distância e tempo de espera, exceto para foguetes de tempo de espera que adicionam pára-quedas.

A chave para a estabilidade de vôo do foguete de garrafa d'água é a separação física, ao longo do comprimento do foguete, do centro de arrasto (COD) e do centro de massa (COM). O COD é o ponto em que um pivô é colocado em um cata-vento para evitar que ele gire para um lado ou para o outro. Um cata-vento funcionando normalmente NÃO tem seu ponto de articulação no centro do arrasto, razão pela qual indica a direção do vento. A ação da alavanca empurra para trás o lado da aleta que experimenta mais resistência do vento com maior força do que o lado com menos resistência. O COM é o ponto em que um objeto se equilibra em um dedo e também é o ponto sobre o qual o objeto gira se for jogado de ponta a ponta. Observe que tanto o COD quanto o COM são os pontos de equilíbrio das forças - a força da resistência do ar e a força da gravidade, respectivamente.

Claramente, um foguete voador estável tem seu centro de arrasto atrás de seu ponto de pivô, mantendo a cauda do foguete para trás (pense em penas em uma flecha). O problema é: como estabelecemos o ponto de pivô se não podemos prendê-lo a um objeto fixo (como um pivô de cata-vento preso a um telhado)? É aí que o COM se torna importante. Em um objeto de vôo livre, o COM atua como o ponto natural de rotação e é, portanto, um ponto de pivô. Colocando o COM para a frente (adicionando peso ao nariz) e colocando o COD para trás (adicionando barbatanas à cauda) cria a separação necessária.

Depois que um foguete estável é construído, a próxima preocupação é como gerar melhor o empuxo para fazer o foguete voar para longe. A energia é armazenada no vaso de pressão e o empuxo é gerado no lançamento do foguete. De acordo com a lei de conservação do momento, o momento de um sistema independente não muda. O foguete + propelente é o sistema independente. Inicialmente, como o foguete não tem velocidade, seu momento é zero. Após o lançamento, o momento total do foguete e do propelente expelido ainda deve ser zero. Momentum é definido como: momentum = massa x velocidade. Como o propelente é expelido com alguma velocidade, seu momento não é mais zero. O momento líquido zero do sistema, entretanto, é mantido pelo foguete voando na direção oposta com um momento igual e oposto. Uma vez que quanto maior a massa do propelente e mais leve a massa do foguete, maior será a velocidade do foguete. A água, sendo muito mais densa que o ar, gera maior empuxo no foguete do que com o mesmo foguete cheio apenas de ar.

Antes da Atividade

Reúna materiais e faça cópias da Planilha de Projeto Inicial e da Planilha de Projeto Revisada. Também faça cópias das Regras de Competição de Distância de Foguetes de Água e Regras de Competição de Tempo de Suspensão de Foguetes de Água; antes de imprimir, modifique essas regras conforme necessário para corresponder aos seus planos finais de competição. Siga as instruções abaixo para construir um pequeno aparelho de cata-vento para o Centro de Mini-Atividade # 1 (veja a Figura 1) e um pino ponderado para o Centro de Massa Mini-Activity # 2 (ver Figura 2). (Opcional) Como um item adicional para Mini-Activity # 2, considere fazer um objeto menor de peso que pode ser jogado no ar para fins de demonstração, como uma régua com um rolo de centavos que podem ser colados em várias posições. Obtenha (pegue emprestado) duas cadeiras de rodas para a Mini-Atividade Momentum e Impulse # 3. Siga as instruções abaixo para construir um foguete mínimo - uma garrafa de dois litros com três aletas - que pode ser variável ponderado para uso nos testes de foguetes (consulte a seção Com os alunos: Dia 2). No Dia 1, esteja pronto para mostrar à classe um vídeo online como parte do conteúdo de Introdução / Motivação.

Instruções do professor: Construa um aparelho de cata-vento para a mini-atividade de centro de arrasto # 1

Obtenha duas peças idênticas de papelão ondulado fino, cada uma com cerca de 2 x 5 polegadas de tamanho. Marque uma peça com uma linha vertical no centro de arrasto do papelão e marque a outra peça com uma linha vertical a 1 polegada da borda (deslocamento do centro do arrasto). Veja a Figura 1. Em cada pedaço de papelão, empurre um pedaço de fio de aço rígido de aproximadamente 15 cm entre as camadas de papelão sem empurrá-lo completamente. Em um comprimento de 30 cm de madeira 2 x 4, faça um orifício grande o suficiente para inserir os fios do pivô que estão localizados a 1 polegada da borda do bloco. Faça um segundo orifício a 5 cm da outra borda do bloco. Veja a Figura 1. Insira o pedaço de papelão (com o arame no centro do arrasto) no orifício feito a 5 cm de distância da borda. Coloque o outro pedaço de papelão (com o fio deslocado do centro do arrasto) no orifício que fica a 1 polegada da borda do bloco de madeira. Certifique-se de que as duas palhetas (pedaços de papelão) não interfiram uma com a outra quando giram. atividade, coloque o bloco de madeira com palhetas na frente de um ventilador elétrico.Figura 1. Montagem do aparato cata-vento para a Mini-atividade Center of Drag # 1.
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Copyright © 2015 Duff Harrold, RESOURCE GK-12 Program, College of Engineering, University of California Davis

Instruções do professor: Construa um passador de peso para a mini-atividade # 2 do centro de massa

Obtenha uma haste leve ou cavilha de madeira com ~ ½-1 polegada de diâmetro e pelo menos 3 pés de comprimento. Pesar a haste em uma das extremidades, colando quatro rolos de moedas na haste. Ao prender os pesos, deixe cerca de ½-1 polegada da haste se estendendo além dos rolos de moeda, de forma que a haste possa ser equilibrada usando apenas um ou dois dedos, independentemente da orientação da haste (extremidade pesada para cima ou extremidade pesada para baixo). Veja a Figura 2.Figura 2. Montagem do passador de peso para a Mini-Atividade # 2 do Centro de Massa.
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Instruções do professor: Construa um foguete mínimo com peso variável para os testes de foguetes

Com pastas de papel manilha ou papelão, corte três aletas do mesmo tamanho e formato. Use um duto ou fita de embalagem para prender as aletas a uma garrafa de refrigerante de plástico de dois litros. Distribua uniformemente as três aletas ao redor da circunferência da garrafa e posicione as aletas de forma que fiquem localizadas abaixo do centro de arrasto; ou seja, não coloque as aletas bem no topo do foguete. LEMBRE-SE: O fundo do foguete é a boca da garrafa, então certifique-se de prender as aletas ao foguete para que não fiquem de cabeça para baixo quando for lançado! (Veja a Figura 6.) Use fita adesiva para selar as bordas das aletas que tocam a garrafa para certificar-se de que tenham um contato seguro. Se não estiverem bem presas, as nadadeiras podem voar para fora do foguete durante o lançamento.

Com os alunos: Dia 1 - Mini-atividades

Introdução e pré-avaliação

Apresente à classe o conteúdo de Introdução / Motivação, incluindo a exibição de um vídeo online. Apresente a matriz de design mostrada na Tabela 1 e as quatro variáveis ​​básicas de design: ar (A) ou água (W) para o propelente e alto (H) ou baixo (L) para o centro de massa. Escreva a matriz de design no quadro da sala de aula para os alunos examinarem. (Depois de realizar as três mini atividades, os alunos serão informados o suficiente para selecionar uma das quatro opções de projeto apresentadas na matriz para permitir que seus foguetes voem mais direto e longe.) Tabela 1. Matriz de projeto.
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Rascunho do projeto # 1: antes de iniciar as mini-atividades, peça aos alunos que preencham a planilha do projeto inicial para que você possa avaliar seu conhecimento prévio do conceito sobre centro de massa, projeto de aletas de foguete e seleção do propelente correto para foguetes de garrafa d'água.

Mini-Activity # 1: Centro de Arrasto

Use esta mini-atividade para apresentar aos alunos o conceito de arrasto e como a colocação de arrasto em um projétil afeta seu vôo. Comece com uma breve discussão sobre o arrasto usando instruções como: Você já colocou a mão para fora da janela de um carro em movimento? O que você notou? ” (Resposta: Sua mão é empurrada para trás.) O que acontece quando o carro anda mais rápido? (Resposta: Sua mão é empurrada para trás com mais força.) O que está empurrando sua mão? (Resposta: Ar.) O ar empurra com mais força se você colocar a palma da mão para frente ou para baixo? (Resposta: palma da mão para a frente.) Por que isso acontece? (Resposta: Resistência do ar.) Qual é a outra palavra para resistência do ar que é usada na ciência e na engenharia? (Resposta: Arraste.) Segure o aparato do cata-vento para mostrar aos alunos. Explique o conceito de centro de arrasto - o ponto sobre o qual o vento empurra igualmente em ambos os lados do cata-vento. No caso de um retângulo, o centro de arrasto está bem no meio. Coloque o aparelho cata-vento na frente de um ventilador que está desligado. Certifique-se de que ambas as palhetas de vento estejam inicialmente posicionadas de forma que a superfície plana fique perpendicular ao ventilador. Faça as seguintes perguntas aos alunos: O que acontecerá com cada palheta depois que o ventilador for ligado? Qual palheta será mais estável? (Isto é, qual encontrará uma posição estável e que pode flutuar ou mudar de posição com frequência?) Qual é previsível? (Isto é, qual fará a MESMA coisa todas as vezes?) Peça aos alunos que registrem suas previsões e raciocínios no papel. Ligue o ventilador e deixe os alunos observarem. Espere que a maioria dos alunos provavelmente previu que a aleta de arame centralizado seria a mais estável, pois parece "equilibrada". No entanto, esta demonstração mostra muito claramente que a palheta com o ponto de pivô colocado LONGE do centro de arrasto é a palheta estável e previsível. A palheta com o pivô colocado no centro de arrasto (ou seja, diretamente no meio) freqüentemente oscila, mudando de posição rápida e frequentemente. Faça as seguintes perguntas de orientação: Qual posicionamento do pivô foi melhor para a previsibilidade e estabilidade da aleta? Se um deles fosse um foguete, qual seria mais previsível e voaria mais reto contra o vento? Quem vê o problema? Se um foguete deve voar pelo ar, não podemos colocar um fio nele para fazê-lo girar em um lugar específico - então, onde está o ponto de pivô em um foguete? Peça aos alunos que escrevam suas observações e ideias sobre como um foguete pode ser feito para girar em um ponto específico. A mini-atividade do centro de massa (a seguir) ilustra como e onde um objeto voador livre gira. Ideia central: A estabilidade ocorre quando o centro de arrasto é separado do centro de rotação. O arrasto sempre acompanhará o centro de rotação.

Mini-Atividade # 2: Centro de Massa

Use as instruções e atividades abaixo para apresentar aos alunos as idéias de “centro de massa” e estabilidade.

Você já ouviu falar do centro de massa? Como é semelhante ao centro de arrasto? Em que é diferente? Divida a classe em grupos de dois alunos cada. Mostre vários objetos da sala de aula, como réguas, padrões, objetos de formato irregular, um objeto por par. Veja se os grupos conseguem encontrar o centro de massa de seus objetos. Dica: o centro de massa é o local em que é mais fácil equilibrar um objeto. Peça aos alunos que definam, em suas próprias palavras, o centro de massa. Por exemplo: “O ponto em que um objeto se equilibra em seu dedo.” Mostre aos alunos o aparato do pino de peso e peça a um voluntário para encontrar o centro de massa. (Resposta: Ele estará bem próximo à extremidade com peso.) De que maneira o pino será mais fácil de equilibrar em uma extremidade? Com o peso voltado para baixo ou para cima? Reformule a pergunta usando a palavra “estável” para relacionar a estabilidade à facilidade de equilibrar o pino. Pergunte: De que maneira o pino ficará mais estável enquanto estiver equilibrado em uma extremidade? (Resposta esperada: a maioria das pessoas sente que a posição com o peso na parte inferior será mais estável e, portanto, mais fácil de equilibrar.) Peça aos alunos que registrem no papel suas hipóteses iniciais e expliquem o porquê. Peça a voluntários para tentarem equilibrar o pino usando apenas um ou dois dedos e começando com o lado pesado para baixo (consulte a Figura 3-esquerda). Espere que fique rapidamente aparente que, quando o centro de massa é alto (peso voltado para cima), o pino é muito mais fácil de equilibrar (consulte a Figura 3 à direita)! Peça aos alunos que registrem esse resultado e expliquem por que esse é o caso.

Figura 3. Usando um passador de peso para experimentar o balanceamento do centro de massa baixo (esquerda) e centro de massa alto (direita).

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O centro de massa como o ponto de pivô de um objeto livre: gire o tarugo ou um objeto menor de peso (como uma régua com um rolo de moedas coladas em várias posições) jogando-o no ar. Peça aos alunos que observem cuidadosamente para observar onde o centro de rotação está localizado. Ele muda conforme você muda a localização do peso? Oriente os alunos a compreender que todos os objetos livres têm um centro natural de rotação no centro de massa. Em seguida, peça aos alunos que pensem sobre como isso se relaciona com a mini-atividade anterior. Observe que a mão está agindo de forma análoga ao ar em movimento fornecido pelo ventilador no que diz respeito ao efeito que tem sobre o cata-vento. Tanto a mão quanto o vento são forças que causam a rotação. Idéia central: O centro de rotação de um objeto livre (como uma flecha ou um foguete) fica em seu centro de massa. Uma vez que o centro de rotação deve liderar o arrasto, um centro de massa à frente aumenta a estabilidade de um objeto livre.

Mini-atividade # 3: impulso e impulso

Os foguetes de garrafa de dois litros que os alunos criarão mais tarde na atividade podem ser lançados com todo o ar ou uma mistura de ar / água (um pouco de água adicionada ao vaso de pressão da garrafa de dois litros). Esta mini-atividade simples ilustra por que a água é um propelente mais eficaz do que o ar.

Conduza uma discussão usando as seguintes perguntas: O que será um propulsor melhor para nossos foguetes: água ou ar? (Faça uma discussão aberta; não diga aos alunos o que é melhor; existem muitas boas razões aparentes para apoiar qualquer uma das opções.) Como você compararia o ar e a água? (Por exemplo, a água é mais densa, mais espessa, mais pesada, etc.) Os objetos pesados ​​requerem mais ou menos energia para serem lançados no ar do que os objetos leves? (Mais) Se enchermos nosso foguete com água, será necessário mais ou menos energia para o lançamento? (Mais) Uma garrafa vazia requer mais ou menos energia para pressurizar a uma pressão específica? (Mais) Então, se eu comparar uma garrafa que está meio cheia de água com uma garrafa SEM água (toda ar), terei que bombear mais ou menos para pressurizar a garrafa com água à mesma pressão (como 30 psi ) como a garrafa sem água? (Resposta: menos bombas são necessárias para a garrafa cheia de água. Observação: a pressão geralmente tem unidades de libras por polegada quadrada, mas também pode ter unidades de energia por volume [Joules por polegada cúbica]. Se considerada como uma “energia densidade ”, é claro que para uma determinada pressão [psi], uma garrafa com metade do volume de ar tem metade do conteúdo de energia.) Uma garrafa cheia de água contém menos energia E é muito mais pesada do que uma garrafa cheia de ar - então, por que eles são chamados de foguetes de garrafa de água? Por que as pessoas os encheriam de água? (Por enquanto, deixe-as como perguntas abertas e sem resposta.) Faça uma demonstração conforme descrito abaixo: Em uma área aberta da sala de aula, coloque duas cadeiras de rodas. Peça dois alunos voluntários que tenham aproximadamente o mesmo peso. Peça aos alunos que se sentem in the chairs facing each other with their feet are off the ground so that the chairs are free to roll (see Figure 4).Figure 4. Pushing chairs of equal mass.

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Copyright © 2015 Sara Pace, RESOURCE GK-12 Program, College of Engineering, University of California Davis; using graphics from Pixabay (blue office chair and line drawing of sitting woman, both CC0 public domain) https://pixabay.com/en/office-chair-blue-chair-colour-147556/ https://pixabay.com/en/girl-sitting-woman-relaxing-person-148215/

Direct the students to place their hands together in front of them and then, on the count of three, push the other student's hands.Have the class observe the relative speed of each student in their chair and measure/record the distance that they travel.Have students switch chairs and repeat the process. (Switching chairs is done to account for any differences in each chair's rolling resistance.)Direct students to document what happened, making sketches and noting the distance traveled by each chair.Next, select two students of very different weights (or the teacher participates as the heavier person) and repeat the process, again noting the distances traveled (see Figure 5).Figure 5. Pushing chairs of unequal mass.
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Copyright © 2015 Sara Pace, RESOURCE GK-12 Program, College of Engineering, University of California Davis; using graphics from Pixabay (blue office chair and line drawing of sitting woman, both CC0 public domain) https://pixabay.com/en/office-chair-blue-chair-colour-147556/ https://pixabay.com/en/girl-sitting-woman-relaxing-person-148215/

From the demo, it is very clear that with students of equal masses, the distances they travel are equal, but when the weights differ, the lighter student travels much further and much faster.Ask students to draw an analogy between the participants of this mini-activity and a pressurized bottle with air only versus a bottle filled with water. Why might water be better to make a rocket go far?Central idea: Conservation of momentum shows that if a heavier object is ejected backwards, the forward velocity of the smaller object must increase to maintain total momentum in the system.Design Draft #2: Before handing out the next worksheet, briefly recap the steps of the engineering design process completed thus far.Tell students: We've just completed the first three steps of the engineering design process. We identified the need to make a rocket that flies straight and far using only certain materials. We researched our problem and the science involved by conducting three mini-activities. And, we identified possible solutions to making our rocket.Tell students: Now, you are going to select which solution you think is best, create your rocket, and test it. After you test your rocket, you can redesign any aspect of your rocket to make it fly farther and straighter.Have students fill out the Revised Design Worksheet. Expect them to be able to select which design option from the design matrix will enable their rockets to fly the straightest and furthest. Refer to the Design Worksheet Answer Key.Using what they learned from the mini-activities, have student pairs sketch their rocket designs, indicating 1) if water is in the pressurized bottle, 2) the location of its center of mass, and 2) the fin locations.

With the Students: Day 2—Rocket Trials

After groups have filled out the Revised Design Worksheet and made sketches of their rocket designs, conduct rocket trials to test the four different design ideas (Table 1). Conduct the rocket trials as a class demo using the two-liter bottle rocket created by the teacher in advance. The trials are the testing step of the engineering design process, so expect students to make observations and record the test results.

Adjust the rocket for the propellant (water or air inside the bottle) and the center of mass location (taped coins) to fit the four test designs: air with high center of mass (AH), air with low center of mass (AL), water with high center of mass (WH), and water with low center of mass (WL).

For the air-only rocket, no water is put in the pressure vessel (two-liter bottle).For the low center of mass rocket, tape 5-7 quarters to the rear section of the rocket (Figure 6-left)For the high center of mass rocket, tape 5-7 quarters to the top of the rocket (Figure 6-right).

Once testing is complete, students can answer the sixth question on the worksheet—to identify which tested rocket design was the best, which informs them on how to design their own water bottle rockets.Figure 6. Water bottle rocket with low (left) and high (right) center of mass.

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Copyright © 2015 Sara Pace, RESOURCE GK-12 Program, College of Engineering, University of California Davis

With the Students: Days 3-4---Student-Created Rockets & Competition

Students finalize their water bottle rocket designs with their partners, then build and test their rockets in preparation for a class competition. Make available the competition rules handouts so students are clear on the project constraints.

Design: Direct the groups to revise their rocket designs as necessary to make sure they will travel as far and straight as possible. Advise them to consider what they learned from the rocket trial results (seeing four different design ideas tested) and the three mini-activities.Construction: Then each group constructs a rocket.Use a two-liter plastic bottle as the rocket body and pressure vessel.Make fins from manila folders or cardboard. As a default, suggest that each rocket have three same-size and same-shape fins (or leave this open-ended for student experimentation). Sketch out fin shapes on paper. Get teacher approval for the fin design. Make a template of the fin design. Trace it onto the manila folder three times. Cut out three fins that are exactly the same.To attach the fins to the rocket body, first use a flexible measuring tape to measure the bottle circumference where the fins will be placed. Then, if three fins are to be attached, divide the circumference by three to determine how far apart to place the fins on the rocket. For example, if the circumference is 75 cm, place the three fins 25 cm apart. Mark on the bottle the height to attach the fins and the spacing on the bottle, such as every 25 cm around the bottle circumference. Then securely attach the fins with duct or packing tape.(optional parachute construction) Use a second two-liter bottle to create a nose cone on the top of the rocket (bottom of the first two-liter bottle) that houses a parachute made of plastic bags and string. Adding a parachute is a good strategy to increase hang time. Suggestions:Make a nose cone by cutting off the top portion (cone shape) of the second bottle. This cone fits snugly on the end of the main two-liter bottle rocket but is NOT taped to the rocket bottle because it needs to come off easily during flight back down to the ground.For the parachutes, suggest that students make them any size or shape they want using the provided plastic bags and string, perhaps after some Internet research to learn more about them. Construct the parachute, attach it to the rocket bottle using string and tape, and then roll it up and place it inside the nose cone. Then fit the nose cone snugly on the top of the rocket prior to launching.Testing and Redesign: After groups finish constructing their rockets, have them wear safety goggles and use the rocket launcher to test them. Permit teams to redesign their rockets as many times as they'd like prior to the final competition. Focus them on how the center of mass and stability, center of drag, and momentum affect their design variables in order to increase the distance traveled or time in flight. Another variable to explore is fin designs to see how they affect rocket performance.Competition: Depending on the culminating competition planned for this activity, students either use meter sticks to measure the distance their rockets traveled (refer to the distance rules handout) or use a stopwatch to measure the time their rockets were in flight (refer to the hang time rules handout). Have students record their team results on a classroom data chart so as to be able to compare group results. Award any team prizes.Reflection, Sharing & Discussion: Have students describe in their own words the steps of the design process that they went through in the activity, as well as a summary of their predictions, results and conclusions—as described in the Assessment section.

Vocabulary/Definitions

acceleration: The rate of change of velocity (speed and/or direction).

center of drag: The point about which an object does not rotate due to drag.

center of mass: The gravitational balance point of an object and its natural center of rotation.

drag (physics): A resistive force exerted on an object by the fluid through which it is moving.

inertia: The resistance of any object to any change in its state of motion (that is, change in velocity).

mass: The property of an object that gives it inertia.

momentum: The product of an object's mass and velocity.

pressure: “Force per area” or “energy per volume.” P = F/A

velocity: The rate of change of an object's position with respect to speed and direction of motion.

Assessment

Pre-Activity Assessment

Concept Baseline: Before they start the activity, have students complete the Initial Design Worksheet. The worksheet asks two short-answer, one multiple choice, and two fill-in-the-blank questions related to the activity's learning objectives. Review students' answers to gauge their prior knowledge about rocket fin function, center of mass for rockets, and selecting propellants.

Activity Embedded Assessment

Concept Check: After completing the three mini-activities, have students complete the Revised Design Worksheet to apply what they learned from the mini-activities. This worksheet has the same five questions as the pre-assessment worksheet, plus a post-rocket testing question. To assess student learning regarding the activity's learning objectives, compare their initial and revised design worksheets to assess changes in comprehension of rocket design variables. The sixth question asks students to identify which tested rocket design was the best. In addition, completing the revised design worksheet informs students on how to design their water bottle rockets. Refer to the Design Worksheet Answer Key.

Post-Activity Assessment

Reflection, Sharing & Discussion: Have students describe in their own words the steps of the design process they experienced through this activity, as well as a summary of their predictions, results and conclusions. Require them to include their ideas for future rocket improvements based on the performance of their final designs and what they learned from the mini-activities. Expect students to be able to share their designs and achieved results (furthest distance traveled or longest time in flight) with the class, and be able to explain—using information they learned during the three mini-activities—why they believe their designs helped them achieve their results.

Making Sense: Have students reflect on the science concepts they explored and/or the science and engineering skills they used by completing the Making Sense Assessment.

Safety Issues

Require all students operating or near the rocket launcher to wear eye protection.Do not pressurize bottles beyond 80 psi. Well-designed rockets can fly more than 100 feet with only 40 psi. Doubling the pressure will NOT double rocket performance.Do not use motorized air-compressors due to oil-PVC incompatibility.

Activity Scaling

For lower grades, focus students on building rockets that can fly straight and far. Have them experiment with the water amount to determine how much helps their rockets achieve farther distances, and with fin design adjustments to improve rocket performance.For higher grades, focus students on how they might lengthen their time in the air by adding parachutes, which increase the drag on rockets as they descend back to Earth. In addition, challenge students to explore how fin size and/or shape affect flight performance.

Copyright

© 2016 by Regents of the University of Colorado; original © 2015 University of California Davis

Contributors

Duff Harrold; Michael Mullen; Sara Pace

Supporting Program

RESOURCE GK-12 Program, College of Engineering, University of California Davis

Acknowledgements

The contents of this digital library curriculum were developed by the Renewable Energy Systems Opportunity for Unified Research Collaboration and Education (RESOURCE) project in the College of Engineering under National Science Foundation GK-12 grant no. DGE 0948021. However, these contents do not necessarily represent the policies of the National Science Foundation, and you should not assume endorsement by the federal government.

Many thanks to RESOURCE fellows Travis Smith and Eric Anderson, and Matsuyama Elementary School sixth-grade MESA students Bobby Horst and Godebo Chapman.

Last modified: September 10, 2021