Letectví Stavba kluzáku z běžných materiálů

Transkript

1 Letectví Stavba kluzáku z běžných materiálů Letecké inženýrství Určeno pro žáky ve věku 9 až 12 let

2 Obsah Obsah... 2 Přehled projektu... 4 Potřeby... 5 Lekce 1 Jaké je zadání? Seznámení s úkolem Úvodní aktivita jak inženýři řeší problémy? diskuse v celé třídě/ve dvojicích - 10 minut Co je vaším úkolem? diskuse v celé třídě/ve dvojicích 10 minut Co potřebujeme vědět (ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK) diskuse v celé třídě nebo ve dvojicích 10 minut Co je to kluzák a jaké jsou jeho hlavní části? (ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK) diskuse v malých skupinách nebo dvojicích s pracovními listy 15 minut Závěr celá skupina 5 minut 12 Lekce 2 Co potřebujeme vědět? Úvodní aktivita přetahování lanem pro pochopení působení sil předvedení učitelem/dobrovolníky diskuse v celé třídě 5 minut Síly působící na kluzák diskuse v celé třídě 10 minut Poučení z minulosti diskuse v celé třídě nebo ve dvojicích 5 minut Změna pevnosti změnou tvaru prověření v malých skupinách 10 minut Roztřídění materiálů prověření v malých skupinách 15 minut Závěr celá skupina 5 minut Lekce 3 Začínáme stavět! Úvodní aktivita kontrola specifi kace diskuse v celé třídě 5 minut Předvedení vypouštěcího zařízení demonstrace učitelem 5 minut Výroba trupu předvedení učitelem/práce v malých skupinách 10 minut Navržení křídel kluzáku diskuse ve skupinách/zaznamenání 10 minut Stavba a vyzkoušení kluzáků praktická práce ve skupinách 50 minut Závěr 10 minut 19 Lekce 4 Co jsme udělali? Úvodní aktivita vyhovují kluzáky zadání? Testování kluzáků v celé třídě 30 minut Vyhodnocení úspěšnosti diskuse v celé třídě 10 minut Třídění karet s postupy konstrukce žáci ve dvojicích 10 minut Komunikace s ostatními ve skupinách/dvojicích nebo samostatně 20 minut Závěr v celé třídě 10 minut

3 Přílohy Příloha 1: Konstrukční cyklus Příloha 2: Motivační příběh Příloha 3: Letouny a kluzáky Příloha 4: Historické letadlo Příloha 5: Výroba vypouštěcího zařízení Příloha 6: Vypuštění kluzáku Příloha 7: Důležitost vyvážení Příloha 8: Letecké inženýrství v praxi Příloha 9: Další typy inženýrů Pracovní a odpovědní listy Pracovní list 1, lekce 1 Součásti kluzáku Odpovědní list pracovního listu 1, lekce 1 Součásti kluzáku Pracovní list 1, lekce 2 Změna tvaru, změna pevnosti Pracovní list 2, lekce 2 Roztřídění materiálů Pracovní list 1, lekce 3 Plánování našeho kluzáku Pracovní list 2, lekce Pracovní list 1, lekce 4 Třídění karet s postupy konstrukce Odpovědní list pracovního listu 1, lekce 4 Třídění karet s postupy konstrukce Pracovní list 2, lekce 4 Zpráva pro Michaela a Mary Vědecké poznámky pro učitele týkající se leteckého inženýrství Některé představy žáků o působení sil a letu

4 Přehled projektu Potřebná doba: 4 hodiny 40 minut (280 minut) Cílová skupina: žáci ve věku 9, 10 a 11 let Popis: V rámci tohoto projektu žáci poznají oblasti síly a létání prostřednictvím praktických zadání, na kterých budou pracovat v týmech. Prozkoumají materiály a poté navrhnou, vytvoří a otestují své vlastní kluzáky. Rámcově vzdělávací program: člověk a svět práce konstrukční činnosti práce s návodem, předlohou, jednoduchým náčrtkem člověk a svět práce konstrukční činnosti stavebnice (plošné, prostorové, konstrukční), sestavování modelů člověk a jeho svět rozmanitost přírody voda a vzduch člověk a svět práce práce s drobným materiálem vlastnosti materiálu (přírodniny, modelovací hmota, papír a karton, textil, drát, folie aj.) Technický obor: Tento projekt představuje obor leteckého inženýrství. Cíle: V tomto projektu se žáci naučí, že: Inženýři v rámci konstrukčního procesu procházejí pěti kroky (zadání a pokládání otázek, přemýšlení, plánování, zkonstruování a vylepšování). Zařízeními, která létají, se zabývají letečtí inženýři. Pochopení síly je důležitou součástí celkového porozumění tomu, jak letadla létají. Když kluzák letí dopředu, jeho křídla vytvářejí vztlakovou sílu neboli aerodynamický vztlak. Aby bylo možné vytvořit funkční kluzák z materiálů každodenní potřeby, je nutné dozvědět se více o vlastnostech těchto materiálů. Pokud první návrh nefunguje, není to známkou selhání. Testování, hodnocení a zlepšování návrhu jsou běžnou součástí konstrukčního procesu. Komunikací s ostatními lze ukázat, co se dozvěděli při zkoumání a praktickém řešení konstrukčního zadání. Lekce v tomto projektu: Přípravná lekce je zaměřená na zlepšení povědomí žáků o tom, jak se inženýrství podílí na našem každodenním životě, i když to není na první pohled patrné. Lekce 1 představuje konstrukční zadání, jeho kontext a také konstrukční proces. V lekci 2 povede fáze zadání a pokládání otázek konstrukčního procesu k prozkoumání sil a materiálů. V lekci 3 žáci aplikují konstrukční proces na zadání tohoto projektu. Úkolem žáků je navrhnout a z materiálů každodenní potřeby zkonstruovat kluzák, který dokáže uletět 3 m v přímém směru. Cílem lekce 4 je zhodnotit vývoj a konstrukci kluzáku. V této fázi žáci prokážou, zda splnili všechny parametry zadání. Mohou svá řešení vylepšovat a sdílet své poznatky. 4

5 Potřeby Seznam materiálu a jeho množství potřebné pro 30 žáků. Poznámka: Nebudete potřebovat všechny materiály uvedené v tabulce níže, pouze si z nich vyberte ty nejvhodnější. Pro více informací si prostudujte Dodatečné poznámky k lekcím v příloze. Materiál Celkový počet Lekce 0 Lekce 1 Lekce 2 Lekce 3 Lekce Vypouštěcí zařízení ze silného papíru a gumy Trup kluzáku Tenká čtvrtka Papíry formátu A4 5

6 Papírová lepicí páska 1 kg 1 kg 1kg Plastelína Plastový pytel Brčka Pauzovací papír listů listů Noviny 6

7 Utěrka 1 box box Kancelářské sponky 10 m 8 10 x 10 cm 10 m Provázek 2 2 Měřicí pásmo / měřicí kolečko Nůžky

8 Lepidlo Nanuková dřívka / špejle 1 1 Lano 1 1 Papírová vlaštovka / model kluzáku 8

9 Lekce 1 Jaké je zadání? Seznámení s úkolem Potřebná doba: 50 minut Cíle: V této lekci se žáci naučí, že: Inženýři řeší zadání v pěti fázích takzvaného konstrukčního procesu zadání a pokládání otázek, přemýšlení, plánování, zkonstruování a vylepšování. Inženýři, pracující na zařízeních létajících ve vzduchu, se nazývají letečtí inženýři. Kluzáky jsou letadla bez motorů, a proto ke svému dopřednému pohybu, umožňujícímu vznést se do vzduchu, využívají jiné síly (například tah navijáku). Potřeby (pro 30 žáků) Kopie příloh, je-li dostupné připojení k internetu, mohou si žáci prohlédnout způsoby startů kluzáků, pracovní list 1 pro každého žáka jeden. Příprava Připravte si vhodné videoklipy z YouTube, na kterých bude možné žákům v případě potřeby vysvětlit způsoby startů kluzáků. Vytiskněte každému žákovi kopii pracovního listu 1. Způsob práce Prezentace učitelem, diskuse v celé třídě, diskuse v malých skupinách / dvojicích, vypracování záznamů (pracovní list 1). Hlavní myšlenky této lekce Pěti fázemi konstrukčního procesu jsou zadání a pokládání otázek, přemýšlení, plánování, zkonstruování a vylepšování. Tento postup lze aplikovat na všechny druhy konstrukčních zadání. Ve fázi zadání a pokládání otázek jde o to zjistit, co všechno potřebujeme vědět, abychom mohli vyřešit danou výzvu nebo problém. Souvislosti a pozadí V tomto projektu žáci obdrží zadání od dvou dětí z Velké Británie, které chtějí vědět, jak se dá z běžných materiálů postavit kluzák. Ve Velké Británii lidé mají domy často blízko u sebe, a tyto děti by si chtěly navzájem posílat kluzák mezi okny svých pokojů, takže kluzák musí být schopen uletět vzdálenost minimálně 3 metry v přímém směru. Žáci tedy mají ve výše uvedených pěti fázích konstrukčního procesu tento úkol splnit. V první fázi musejí žáci zjistit, jaké informace a znalosti potřebují, aby svůj úkol mohli úspěšně dokončit. 9

10 1.1 Úvodní aktivita jak konstruktéři řeší problémy? diskuse v celé třídě / ve dvojicích 10 minut Budete-li si to přát, můžete diskusi o konstrukčním procesu zahájit s pomocí následujícího návodu. Žáci si své odpovědi mohou napřed prodiskutovat ve dvojicích. Odpovědi žáků zaznamenejte a uspořádejte do skupin podle pěti fází konstrukčního procesu zadání a pokládání otázek, přemýšlení, plánování, zkonstruování a vylepšování. Tip: Pro žáky je obvykle snadnější přemýšlet o fázích přemýšlení, plánování a výroba, avšak nepracují s fázemi zadání a pokládání otázek a vylepšování. Obecná otázka: Co inženýři dělají? Příklad: Jak by například postupovali inženýři při řešení problému, jak najít pro vozidla způsob, kterým by mohla překročit řeku? Otázky podporující žáky v přemýšlení o fázi zadání a pokládání otázek : Co by měli inženýři udělat předtím, než se začne stavět most? Co by měli inženýři udělat jako úplně první, když sejdou dolů k řece, aby se podívali na místo zadání? Otázky podporující žáky v přemýšlení o fázi vylepšování : Jak inženýři zjistí, zda most funguje správně? Pokud most nefunguje správně, co musejí inženýři udělat? Ukažte žákům schéma konstrukčního procesu (viz přílohu 1) a požádejte je, aby vybrali příslušné fáze konstrukčního procesu odpovídající jednotlivým skupinám odpovědí. Inženýři pracují na všech druzích různých problémů, a nebudou tak vždy postupovat podle jednotlivých fází konstrukčního procesu v řadě za sebou (někdy se vracejí k předchozím fázím, začínají znovu, aby vylepšili to, co již udělali dříve). 1.2 Co je vaším úkolem? diskuse v celé třídě / ve dvojicích 10 minut Přečtěte žákům od Mary a Michaela a ukažte jim obrázky jejich domů a oken jejich pokojů (viz přílohy 2 a 3). Zeptejte se žáků, zda je napadají jiné zábavné způsoby, jak by si mohli Mary a Michael navzájem posílat zprávy (a dárky) z okna do okna (například pomocí lanovky mezi okny nebo signalizací pomocí Morseovy abecedy). Žáci mohou o těchto nápadech nejprve ve dvojicích diskutovat. Na konci diskuse žákům připomeňte, že je Mary s Michaelem žádali o postavení kluzáku. Na tomto úkolu budou žáci pracovat jako LETEČTÍ INŽENÝŘI. Letečtí inženýři pracují na zařízeních, která létají (příloha 8). 10

11 Zadejte malým skupinám úkol vytvořit seznam výkonů, kterých musí být jejich kluzák schopen, aby vyhověl zadání Mary a Michaela. Tento souhrn výkonů se nazývá specifi kace. Zaznamenejte odpovědi žáků, abyste se k nim mohli během lekce 3 vrátit. Klíčové vlastnosti jsou tyto: Kluzák musí uletět minimálně 3 metry (aby doletěl do druhého domu). Kluzák musí být schopen letět rovně (aby dokázal proletět druhým oknem). Kluzák musí být vyroben z běžně dostupných materiálů (aby si ho Mary s Michaelem mohli vyrobit). Je-li to možné, měl by kluzák unést zátěž 10 g (aby bylo možné posílat si jeho prostřednictvím drobné dárky). 1.3 Co potřebujeme vědět (ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK) diskuse v malých skupinách nebo dvojicích 10 minut Zadejte malým skupinám úkol vymyslet tři otázky, na které je třeba znát odpověď, aby bylo možné kluzák postavit. Jejich odpovědi zaznamenejte. V jaké fázi konstrukčního procesu si žáci myslí, že se nacházejí? Příklady otázek (odpovědi na ně jsou obsaženy v lekcích 1 až 3): Co je to kluzák? Z jakých částí se kluzák skládá a k čemu jednotlivé části slouží? Jak a proč kluzák létá? Jak funguje dobrý/špatný kluzák? Jaké materiály jsou pro stavbu kluzáku nejvhodnější? 1.4 Co je to kluzák a z jakých částí se skládá? (ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK) diskuse v malých skupinách nebo dvojicích s pracovními listy 15 minut Ukažte žákům obrázky různých letadel a kluzáků (příloha 3). Vyzvěte žáky k diskusi nad následujícími otázkami nejprve ve dvojicích nebo v malých skupinách a poté v celé třídě. Jakých rozdílů mezi letadlem a kluzákem si žáci všimli? Jak se kluzáky dle mínění žáků dostávají do vzduchu? Existuje několik rozdílů, avšak hlavní odlišností je to, že kluzáky nemají motor. Existují tři způsoby, jak dostat kluzák do vzduchu pomocí navijáku, aerovleku nebo gumového lana. Je-li to možné, ukažte žákům videoklipy s různými způsoby startů kluzáků, nebo jim je popište. Tip: Ilustrační videoklipy startování kluzáků jsou v této lekci velmi užitečné, avšak je třeba se nejprve připravit. Na you-tube a podobných sítích existuje dostatek vhodných videoklipů. Při vyhledávání použijte klíčová slova Glider, Launch a Tow v angličtině nebo kluzák, start kluzáku/větroně a aerovlek v češtině a měli byste získat dobré výsledky. Použitelné videoklipy (k datu ) Start pomocí navijáku Aerovlek Start pomocí gumového lana 11

12 Pracovní list 1 může být využit k seznámení žáků s názvy a funkcí různých částí kluzáku. Schopnější žáci mohou dostat obrázek kluzáku a sami se mohou pokusit popsat jeho hlavní části. Tip: Může být vhodné sestavit seznam odborných názvů a tento seznam nechat vystavený během procházení jednotlivých lekcí. 1.5 Závěr v celé třídě 5 minut Prověřte, zda žáci pochopili všechna fakta a informace obsažené v této lekci. Příklad otázek podněcujících diskusi: Proč si myslíte, že inženýři postupují podle plánu konstrukčního procesu? Jak se jmenuje pět fází konstrukčního procesu a co znamenají? Můžete uvést některé příklady toho, co dělají letečtí inženýři? Můžete popsat rozdíly mezi kluzákem a klasickým letadlem? V další lekci se žáci dozvědí více o tom, jak kluzáky létají a jaké materiály jsou vhodné pro výrobu jednotlivých částí kluzáku. 12

13 Lekce 2 Co potřebujeme vědět? Seznámení se se silami působícími za letu a s materiály vhodnými pro výrobu kluzáků Potřebná doba: 50 minut Cíle: V této lekci se žáci naučí, že: Tam, kde na objekt (například kluzák) působí dvě síly, se objekt pohybuje ve směru působení větší síly. Síla působící směrem dolů kvůli gravitaci se nazývá TÍHA a síla působící směrem vzhůru (generovaná křídly pohybujícího se kluzáku) se nazývá VZTLAK. Pro různé části kluzáku jsou vhodné různé materiály, avšak vlastnosti jednotlivých materiálů (například pevnost) se změnou tvaru tohoto materiálu mohou změnit. Potřeby (pro 30 žáků) Kopie příloh, lano pro přetahování, papírová vlaštovka a model kluzáku, pracovní listy 1 a 2 na každou malou skupinu, 5 papírových čtvrtek na každou malou skupinu, materiály, které budou k dispozici v lekci 3 pro výrobu kluzáku (viz Dodatečné poznámky k lekcím v příloze). Příprava Příprava materiálů potřebných pro vysvětlení (viz Potřeby na straně 5). Vytisknout pracovní listy (jeden na každou skupinu). Způsob práce Předvedení učitelem/dobrovolníkem, diskuse ve třídě, práce v malých skupinách. Hlavní myšlenky této lekce Pohyb kluzáku je výsledkem působení všech sil, které na kluzák působí, zejména TÍHY a VZTLAKU. Aby kluzák letěl v přímém směru, je nutné přesné vyvážení těchto dvou sil. Kluzáky musejí být lehké (aby se snížila TÍHOVÁ složka působících sil), ale také dostatečně pevné, aby držely potřebný tvar. Souvislosti a pozadí Fáze zadání a pokládání otázek konstrukčního procesu zahrnuje seznámení se se sílami působícími na kluzák za letu a prozkoumání vlastností některých běžných materiálů, které mohou být použity pro stavbu úspěšného kluzáku podle lekce 3. 13

14 2.1 Úvodní aktivita přetahování lanem pro pochopení působení sil předvedení učitelem/dobrovolníkem, diskuse v celé třídě 5 minut Připomeňte žákům fázi zadání a pokládání otázek konstrukčního procesu. Jak a proč kluzáky létají? Pro odpověď na tuto otázku je třeba porozumět působícím silám. Vyberte žáka, se kterým před třídou společně předvedete přetahování lanem a poté položte tyto otázky: Co se stane, když zatáhnu silněji než žák? Co se stane, když žák táhne silněji než já? Co se stane, když oba potáhneme stejnou silou? Pomocí této demonstrace zajistíte, aby žáci pochopili, že lano se pohybuje ve směru působení větší síly a že dvě síly působící na stejný objekt v opačných směrech se navzájem vyvažují. 2.2 Síly působící na kluzák diskuse v celé třídě 10 minut Ukažte žákům papírovou vlaštovku a položte jim následující otázky: Proč je papírová vlaštovka také kluzák? Co se stane, když kluzák pouze pustíte (bez toho, abyste ho hodili)? Jaká síla způsobí, že předměty padají dolů, pokud je nic nedrží? Ukažte žákům model kluzáku a položte jim následující otázky (využijte informace uvedené níže). Jak se jmenuje síla, působící směrem nahoru a díky které může kluzák létat? Která část kluzáku je pro let nejdůležitější? Co musíte udělat, aby kluzák letěl? Použijte informace uvedené níže a vysvětlete žákům, jak jednotlivé síly působí na kluzák během jeho letu: Vědci a inženýři nazývají sílu působící směrem dolů a způsobovanou gravitací slovem TÍHA. Jak velká bude tato síla, záleží na GRAVITACI a HMOTNOSTI. Hmotnost závisí na tom, kolik materiálu je v objektu, a měří se v gramech/kilogramech. V každodenním životě obvykle pro hmotnost používáme slovo váha. Pokud chcete, aby nějaký předmět letěl, například kluzák, musíte ho zhotovit co nejlehčí, aby byla síla označovaná jako TÍHA co nejmenší. To je velmi důležitý princip, na který musejí letečtí inženýři při své práci stále dbát. Sílu, která působí směrem nahoru, je vědci a inženýry nazývaná VZTLAK. Křídlo generuje vztlak pouze tehdy, pohybuje-li se kluzák dostatečnou rychlostí vpřed, protože pro vznik vztlaku je nezbytný pohyb vzduchu okolo křídla. Pokud chcete, aby se kluzák pohyboval vodorovně, musejí být VZTLAK a TÍHA v přesné rovnováze, stejně jako při přetahování lanem. 14

15 2.3 Poučení z minulosti diskuse v celé třídě nebo ve dvojicích 5 minut Ukažte žákům obrázek historického letadla (příloha 4) a požádejte je, aby si prohlédli konstrukci křídla dřevěný rám potažený látkou nebo naolejovaným papírem. Položte žákům následující otázky, porovnejte jejich odpovědi týkající se sil působících za letu a toho, co kluzák potřebuje k tomu, aby letěl vodorovně: Proč inženýři vyráběli křídla ze dřeva a látkového/papírového potahu? Proč je výhodné stavět lehčí letadla? Proč je stejně potřebný jak rám, tak potah křídla? Jaké vlastnosti musí mít materiál rámu křídla? Jaké vlastnosti musí mít materiál potahu křídla? Hlavní body, které by měli žáci pochopit, jsou, že při volbě materiálů pro výrobu křídla je nutné zvolit pro rám i potah křídla co nejlehčí materiál, avšak rám křídla musí být zároveň i dostatečně pevný, aby udržel jak sám sebe, tak i potah křídla. 2.4 Změna pevnosti materiálu změnou jeho tvaru zkoumání v malých skupinách 10 minut Žáci pracují v malých skupinách a zkoumají, zda se změnou tvaru materiálu změní i jeho pevnost. Pro podrobné pokyny a záznam výsledků zkoumání použijte pracovní list 1 z lekce 2. Diskuse s žáky o výsledcích jejich zkoumání. Jaké tvary zůstávají dostatečně pevné, aby udržely svůj tvar a nezhroutily se? Jak si myslí, že by mohli tyto poznatky využít při stavbě svých kluzáků? 2.5 Roztřídění materiálů zkoumání v malých skupinách 15 minut Žáci pracují v malých skupinách a třídí materiály, které budou potřebovat k výrobě kluzáku podle toho, jak dle jejich názoru budou vhodné k výrobě rámu křídla, potahu křídla a ke spojování jednotlivých části dohromady (lekce 2, pracovní list 2). Tip: Možná bude nutné žáky upozornit, že některé materiály mohou získat větší pevnost jen tím, že se změní jejich tvar. Tak může být například papír použit jak pro zhotovení potahu křídla, tak i jeho rámu. 2.6 Závěr vcelé třídě 5 minut Zeptejte se žáků, co se naučili o silách působících na letící kluzák. Jakým směrem se bude kluzák pohybovat, je-li TÍHA větší než VZTLAK (požádejte žáky o vysvětlení). Jakým směrem se bude kluzák pohybovat, bude-li VZTLAK větší než TÍHA (požádejte žáky o vysvětlení). Požádejte žáky, aby vysvětlili, co se naučili o různých materiálech a možnostech jejich použití při konstrukci křídla kluzáku a aby své volby odůvodnili. V následující lekci žáci postaví kluzák z materiálů, které si vyzkoušeli. Kluzák musí být schopen letět alespoň 3 metry v přímém směru (a případně unést zátěž 10 g). 15

16 Lekce 3 Začínáme stavět! Návrh a stavba vašeho kluzáku Potřebná doba: 90 minut Cíle: V této lekci se žáci naučí, že: Své poznatky z fáze zadání a pokládání otázek mohou využít v dalších fázích konstrukčního procesu (přemýšlení, plánování a zkonstruování) k navržení a stavbě kluzáku. Mohou své kluzáky otestovat a využít fáze vylepšování konstrukčního procesu, aby vytvořili kluzák schopný rovnoměrného letu na vzdálenost 3 m. Opakované testování je důležitou součástí konstrukčního procesu. Jen velmi málo nápadů funguje hned napoprvé zcela bezchybně a inženýři se musejí naučit, jak výsledný produkt co nejvíce vylepšit. Potřeby (pro 30 žáků) Sada materiálů pro výrobu kluzáku s určitou rezervou, pracovní list 1 Plánování, šablona trupu na každou skupinu plus několik rezervních. Příprava Zhotovte nejméně čtyři zařízení pro vypouštění kluzáků (příloha 5). Zhotovte vzorový kluzák. Připravte vhodný volný prostor pro testování kluzáků. Vytiskněte šablony trupu kluzáku a pracovní listy 1 Plánování. Rozdělte žáky do skupin po třech až čtyřech. Způsob práce Diskuse ve třídě, předvedení učitelem, práce v malých skupinách, záznam výsledků (pracovní list 1). Hlavní myšlenky této lekce Konstrukční proces a jeho fungování v praxi. Souvislosti a pozadí V této lekci žáci projdou fázemi přemýšlení, plánování, zkonstruování a vylepšování konstrukčního procesu. Tato lekce umožní žákům aplikovat znalosti získané v lekcích 1 a 2 (během fáze zadání a pokládání otázek konstrukčního procesu) týkající se sil působících za letu a vlastností materiálů. Tyto znalosti žákům pomohou při konstrukci kluzáku schopného přímého letu na vzdálenost 3 m. Naučí se, že je často nezbytné provést několik testů a úprav v rámci fáze vylepšování. 16

17 3.1 Úvodní aktivita kontrola specifikace diskuse v celé třídě 5 minut Připomeňte žákům zadání stanovené Mary a Michaelem a seznam výkonů, které by měl kluzák zvládat, jak je uvedeno v lekci 1: Kluzák musí uletět alespoň 3 metry (aby doletěl do vedlejšího domu). Kluzák musí být schopen přímého letu (aby dokázal proletět otevřeným oknem protějšího domu). Kluzák musí být vyroben z běžně dostupných materiálů (aby si ho mohli Mary s Michaelem vyrobit). Bude-li to možné, měl by být kluzák schopen unést zátěž 10 gramů (pro přepravu drobných dárků). Zeptejte se žáků, jak budou schopni ověřit, zda kluzák splňuje zadání, a požádejte je, aby přednesli své návrhy na zhotovení zkušební zóny ve vaší třídě. Tuto lekci bude nejsnadnější dokončit, připravíte-li si jednu nebo několik zkušebních zón. Buď je můžete připravit předem, nebo můžete do jejich přípravy zapojit i žáky. Nejvhodnější je označit zkušební zónu pomocí lepicí pásky nalepené na podlahu tak, že bude označovat startovní čáru a také vzdálenost 3 m. Rovněž také můžete přidat další čáry na každý metr a středovou linii (podle obrázku), aby bylo snadnější posoudit, jak moc se kluzák odchýlil od přímého směru. Chceteli nastavit ještě přesnější zkušební zónu, můžete zhotovit dva rámy o 3m rozměrech 1 1 m, kterými bude muset kluzák proletět. Aby testování jednotlivých kluzáků netrvalo příliš dlouho, bude vhodné připravit dvě nebo více testovacích zón, aby mohlo probíhat několik zkoušek současně. Ve velké třídě lze například připravit testovací zóny podél okrajů místnosti, případně si pro testování kluzáků můžete zarezervovat větší místnost. Je však důležité uspořádat místnost tak, aby se žáci mohli snadno přesouvat mezi svými pracovními stoly a zkušebními zónami a provádět případné úpravy svých kluzáků, a testování kluzáků se tak neprovádělo až na konec. Zkušební zóny Desky/stoly Pro lekci 2 budete rovněž potřebovat vyrobit 4 vypouštěcí zařízení pro kluzáky. Tak budou moci dva týmy testovat své kluzáky, zatímco další dva mohou své kluzáky připravovat k vypuštění. Omezíte tím zbytečně prostoje na minimum. 17

18 3.2 Předvedení vypouštěcího zařízení předvedení učitelem 5 minut Proces vypouštění kluzáku předveďte pomocí vypouštěcího zařízení z tvrdého papíru a vzorového kluzáku (obojí si připravte předem). Zeptejte se žáků, proč je vhodné použít k testování a porovnávání kluzáků vypouštěcí zařízení. Všechny kluzáky musejí být schopné vypuštění pomocí tohoto vypouštěcího zařízení. Tip: Vypouštěcí zařízení slouží k tomu, aby žáci neřešili problémy s výkonem kluzáků tím, že je budou házet velkou silou namísto toho, aby se snažili více přemýšlet nad jejich návrhem a funkčností. Prostudujte si nákres v příloze 6 a naučte se předem dobře zacházet s vypouštěcím zařízením. Díky vypouštěcímu zařízení zajistíte pro všechny týmy rovné podmínky, co se týče vypouštění kluzáků během testování a porovnávání. 3.3 Výroba trupu předvedení učitelem práce v malých skupinách 10 minut Rozdělte třídu do skupin, ve kterých budou pracovat, a rozdejte jednotlivým týmům šablony trupu (lekce 3, pracovní list 2). Předveďte žákům, jak trup vyrobit, a poté je nechte pracovat. Nyní žáci vytvoří návrh křídel kluzáků. Schopnější skupiny mohou navrhnout své vlastní konstrukce trupu (ujistěte se, že takto navržené kluzáky bude možné vypouštět z vypouštěcího zařízení). Další výzvou pro schopnější skupiny může být snaha prodloužit dolet kluzáku na více než 3 m a prověření, zda kluzák unese větší zátěž než 10 g. 3.4 Navržení křídel kluzáku diskuse ve skupinách zaznamenání 10 minut Ukažte žákům dostupné materiály a upozorněte je, že NEMUSEJÍ na svůj kluzák použít úplně všechny. Připomeňte žákům, co se naučili v lekci 2 o tom, jaké materiály jsou vhodné pro zhotovení rámu křídla, jaké materiály jsou vhodné pro výrobu potahu křídla a které jsou vhodné k upevnění potahu křídla k jeho rámu. Požádejte je, aby své volby zdůvodnili. Každá skupina pracuje na plánu návrhu křídla pro svůj kluzák a pro záznam svých nápadů používá pracovní list 1. Nyní pracují na fázích přemýšlení a plánování konstrukčního procesu. Tip: Žáci mívají tendenci používat na potah křídla jak látku, tak i plastovou fólii, stejně jako na rám křídla používají jak brčka, tak i nanuková dřívka. Zeptejte se jich, zda opravdu potřebují obojí a proč si myslí, že je ten který materiál pro daný účel lepší (například lehčí). 3.5 Stavba a vyzkoušení kluzáků praktická práce ve skupinách 50 minut Nechte jednotlivé týmy, aby vám ukázaly vyplněný pracovní list 1 a poté je nechte vybrat si zvolené materiály a začít se stavbou kluzáku. Podporujte žáky v tom, aby se drželi svého původního návrhu, alespoň do prvního testování kluzáku. Jde o fázi zkonstruování konstrukčního procesu. Po vyrobení prvního návrhu týmy budou své kluzáky testovat. Tato fáze je fází vylepšování konstrukčního procesu. Povzbuďte žáky v tom, aby začali testovat své kluzáky co nejdříve není nutné, aby se napřed ujišťovali, že je vše perfektně připraveno, než začnou testovat. 18

19 Tip: Je-li to třeba, zastavte v této chvíli třídu a nechte žáky, aby se zamysleli nad tím, co dosud udělali. Je pravděpodobné, že se začnou dostávat do problémů, protože jejich kluzák nebude vyvážený. Ukažte jim obrázky jednoduché dětské houpačky, aby snadněji pochopili, proč k tomu došlo. Vyvážení kluzáku Kluzáky létají nejlépe, jsou-li jejich křídla vyvážená, stejně jako trup. Je-li zadní část kluzáku těžší než část přední, bude kluzák za letu zvedat přední část nahoru. Bude-li těžší přední část, bude kluzák za letu klesat dolů. Žáci mohou změnit hmotnost jednotlivých částí kluzáku přidáním plastelíny, avšak musejí dbát na to, aby plastelíny nepřidali víc, než je nezbytné, neboť kluzák by pak byl příliš těžký. Obvykle bývá příliš těžká zadní část kluzáku, takže bude pro jeho vyvážení třeba přidat kousek plastelíny na jeho přední část. Příliš velká hmotnost kluzáku je při jeho stavbě nejčastější problém. V neposlední řadě právě proto, že když kluzák nefunguje správně, žáci mají tendenci přidávat další a další závaží v naději, že se jeho vlastnosti zlepší. Pokud nebude kluzák správně vyvážený v podélném smyslu, začne po vypouštění prudce stoupat a následně se zřítí, nebo si to namíří přímo do země. Pokud kluzák po vypuštění začne stoupat, je nutné umístit dodatečné závaží na jeho přední část. Zkoušejte přidávat/ubírat kousky plastelíny tak, aby bylo vyvážení co nejlepší. Obvykle bude nutné, aby žáci přidali malý kousek plastelíny na přední část kluzáku. Musejí však dbát na to, aby nepřidali více, než je nezbytně nutné. Pokud nebude vyvážené křídlo (příčné vyvážení), kluzák se stočí a spadne po křídle na zem nebo bude zatáčet a poletí po kruhové dráze. Tip: Řekněte žákům, aby svůj kluzák za letu pečlivě sledovali. Je vhodné tímto úkolem pověřit konkrétního člena týmu. Tým pak bude moci snadněji určit, co je třeba změnit, aby se výkon kluzáku zlepšil. 3.6 Závěr 10 minut Třída provede předběžné testování. Požádejte každou skupinu, aby se podělila o své poznatky, které získala při testování a které vedly ke změnám v konstrukci jejich kluzáku. Použijte tato zjištění ke zdůraznění důležitosti opakovaného testování jako součásti fáze vylepšování konstrukčního procesu. Ujistěte se, že kluzáky jsou bezpečně uskladněné, aby nedošlo k jejich poškození dříve, než budou otestovány veřejně, jak je popsáno v lekci 4. 19

20 Lekce 4 Co jsme udělali? Splnili jsme zadání? Potřebná doba: 90 minut (nebo déle, v závislosti na charakteru komunikační aktivity) Cíle: V této lekci se žáci naučí, že: Vyhodnocení jejich kluzáků a aplikace poznatků z předešlých lekcí jsou nezbytné pro pochopení toho, proč jejich kluzáky vyhovují nebo nevyhovují zadání. Je třeba si uvědomit, co se naučili o stavbě úspěšného kluzáku a jak nejlépe tyto poznatky předat ostatním prostřednictvím vzájemné komunikace. Potřeby (pro 30 žáků) Kluzáky z předešlé lekce, záznam aktivit konstrukčního procesu (lekce 4 pracovní list 1), obecné roztřídění materiálů pro komunikační aktivity včetně pracovního listu 2 lekce 4. Příprava Připravte zkušební zónu pro testování kluzáků celé třídy (pokud jste tak neučinili v rámci lekce 3). Připravte záznamy procesu konstrukce 1 na každou dvojici. Podívejte se na od Michaela a Mary. Připravte materiály potřebné pro komunikační aktivity (4.3). Způsob práce Diskuse v celé třídě, práce ve dvojicích, skupinová práce komunikace. Hlavní myšlenky této lekce Každý, kdo postupuje podle jednotlivých fází konstrukčního procesu, aby vyřešil určité zadání, je inženýr (konstruktér či vývojář). Na všem, co vytvořil člověk, se v určité fázi podíleli inženýři. Existuje mnoho druhů inženýrů a techniků. Inženýři pracující na létající technice, jsou letečtí inženýři. Letecké inženýrství je součástí rozsáhlejšího oboru nazývaného letecké a kosmické inženýrství, zahrnující rovněž cestování do vesmíru (kosmické inženýrství). Souvislosti a pozadí V této lekci žáci zhodnotí, jak dokázali použít konstrukční proces k výrobě kluzáku podle stanoveného zadání. Žáci vyhodnotí svou práci a sdělí svá zjištění Michaelovi a Mary. Také se dozví další informace o letectví, kosmonautice a kosmickém inženýrství. 20

21 4.1 Úvodní aktivita vyhovují kluzáky zadání? testování kluzáků v celé třídě 30 minut Společně s celou třídou vyzkoušejte postupně všechny kluzáky a zaznamenejte, nakolik jednotlivé kluzáky splnily zadání. Požádejte žáky, aby pojmenovali dobré vlastnosti návrhů ostatních skupin, například: kluzák je lehký, kvalitní zpracování, rovný let, estetika návrhu. Požádejte každý tým, aby řekl, co na své konstrukci změnil během procesu vylepšování a aby tyto změny zdůvodnil. 4.2 Vyhodnocení úspěšnosti diskuse v celé třídě 10 minut Položte žákům následující otázky a požádejte je, aby své odpovědi odůvodnili. Žáci své odpovědi nejprve prodiskutují ve dvojicích nebo v malých skupinách. Jaká část zadání pro ně byla nejzajímavější a proč? S jakými problémy se při stavbě kluzáku potýkali a jak se jim je podařilo vyřešit? 4.3 Třídění karet s postupy konstrukce žáci ve dvojicích 10 minut Použijte proces třídění záznamů procesů konstrukce ve třídě (lekce 4, pracovní sešit 1) pro posílení pocitu žáků, že pracují jako letečtí inženýři řešící zadání Michaela a Mary na výrobu kluzáku. Při této aktivitě žáci ve dvojicích seřadí sady karet odpovídající pěti fázím konstrukčního procesu zadání a pokládání otázek, přemýšlení, plánování, zkonstruování a vylepšování. 4.4 Komunikace s ostatními práce ve skupinách/dvojicích nebo samostatná práce 20 minut Přečtěte od Mary a Michaela (příloha 2) a připomeňte žákům, že je Mary požádala, aby jí a Michaelovi pomohli postavit jejich vlastní kluzák. Velmi důležitou součástí práce každého inženýra je schopnost komunikace s ostatními, která se týká řešení daného problému nebo způsobu splnění zadání. Žáci mohou pracovat samostatně, ve dvojicích nebo v malých skupinách. Jejich úkolem je vytvořit zprávu pro Michaela a Mary, ve které jim vysvětlí a popíší, jak si mohou vyrobit kluzák, který požadovali ve svém zadání. Pracovní list 2 z lekce 4 žáky tímto úkolem provede. Jaké materiály by měli při stavbě kluzáku použít? Jaké fotografi e nebo obrázky by bylo vhodné přiložit ke zprávě, aby si Mary a Michael mohli prohlédnout, jak by měl úspěšný kluzák vypadat? Jak by měli svůj kluzák vypouštět? Jaké pokyny budou potřebné? Jaké nejužitečnější rady týkající se konstrukce kluzáku mohou Michaelovi a Mary poskytnout? 21

22 Tip: Máte-li více času, můžete využít velký prostor pro kreativitu, který tato část projektu poskytuje. Žáci mohou například společně: Vyrobit plakát. Nakreslit schéma nebo výkres s popisky. Vytvořit sadu instrukcí nebo seznam užitečných tipů. Napsat výslednou zprávu, jako kdyby pracovali pro inženýrskou fi rmu. Vytvořit video/audiozáznam. Vytvořit kreslený seriál s návodem. Vypracovat scénář například jako reklamu nebo součást zpráv. Vytvořit obraz ve třídě. 4.5 Závěr v celé třídě 10 minut Vyzvěte k odpovědím celou třídu nebo jednotlivé žáky: Ve které oblasti inženýrství se ocitli, když pracovali na tomto zadání? Chtěli by v budoucnu pracovat jako letečtí inženýři? Proč? Na jakých dalších úkolech letečtí inženýři pracují? Letecké inženýrství je součástí leteckého a kosmického inženýrství, jehož součástí je kosmické inženýrství (zahrnující vše, co cestuje do vesmíru viz obrázky inženýrů při práci v příloze 8). Připomeňte žákům, že inženýři při řešení problémů využívají různé technologie. Téměř každá věc, kterou člověk vyrábí, byla v určité fázi předmětem práce nějakého inženýra. K diskusi nad dalšími druhy práce inženýru použijte přílohu 9. Jaký druh práce inženýrů představují obrázky? Dokáže žáky některý z nich překvapit? Tip: Příloha 9 představuje inženýrská témata použitá v dalších projektech. Máte-li v plánu zahájit i další projekty z této řady, můžete tuto přílohu použít jako vodítko. 22

23 Přílohy Příloha 1: Konstrukční proces ASK zadání a pokládání otázek IMAGINE přemýšlení PLAN plánování CREATE zkonstruování IMPROVE vylepšování THE GOAL CÍL Vyřešit problém vytvořením technologie a jejím vylepšením. 23

24 Příloha 2: Motivační příběh Od: Pro: Pegasus Předmět: Prosíme, pomozte! Příloha: Obrázky naší ulice. Milé děti, prosíme, pomozte nám! Váš třídní nám sdělil, že Vaše třída by nám mohla pomoci vyřešit náš problém. Jmenuji se Mary a okno mého pokoje je přímo proti oknu pokoje mého nejlepšího přítele Michaela. Myslíme si, že by mohlo být zábavné postavit si model kluzáku, který bychom si mohli navzájem posílat vzduchem mezi okny našich pokojů. Touto cestou bychom si mohli posílat různé zprávy, a pokud bychom dokázali postavit opravdu dobrý kluzák, tak možná i malé dárky. Mohla by nám vaše třída pomoci zjistit něco o kluzácích a poslat nám návod, jak bychom si mohli takový kluzák postavit? Posíláme vám obrázky našich domů, abyste si mohli naši situaci snadněji představit. Všem vám děkujeme za pomoc, Mary Michaelův dům je vlevo. Maryin dům je vpravo. Okno Michaelova pokoje je na boční straně domu a je přímo naproti oknu Maryina pokoje. 24

25 Příloha 3: Letouny a kluzáky 25

26 Příloha 4: Historická letadla 26

27 Příloha 5: Výroba vypouštěcího zařízení Na kus tvrdého papíru (například zadní stranu školního bloku formátu A4) nakreslete tři čáry podle obrázku. Jednu uprostřed a další na každé straně ve vzdálenosti 3 až 4 cm od středové čáry. Papír ohněte tak, jak je znázorněno na obrázku. Papír půjde snadněji ohnout, pokud nejprve jednotlivé čáry obtáhnete ostrým předmětem. U jednoho okraje papíru udělejte dva otvory a protáhněte jimi gumu. Na koncích gumy udělejte uzel nebo k nim přivažte vhodné předměty, aby se nevyvlékla. V místech ohybů papír vyztužte lepicí páskou. Hotové vypouštěcí zařízení by mělo vypadat tak, jak znázorňuje obrázek. 27

28 Příloha 6: Vypouštění kluzáků Použití vypouštěcího zařízení Guma natažená za zadní částí trupu kluzáku Místa upevnění gumy 28

29 Příloha 7: Důležitost vyvážení Udržování rovnováhy 29

30 Příloha 8: Letečtí inženýři při práci 30

31 Příloha 9: Další typy inženýrů 31

32 Pracovní a odpovědní listy 32

33 Pracovní list 1, lekce 1 Části kluzáku Jméno inženýra: Datum: Přiřaďte k částem kluzáku správný popis. Popis Část kluzáku Místo pro pilota s průhledným překrytem umožňujícím pilotovi výhled ven. Křídlo Ústřední část kluzáku. Pomáhá kluzáku udržovat přímý a vyrovnaný let a pomocí směrovky umožňuje zatáčet. Generuje sílu nazývanou vztlak, udržující kluzák ve vzduchu. Ocas Kokpit Trup Popište jednotlivé části kluzáku 33

34 Odpovědní list pracovního listu 1, lekce 1 Součásti kluzáku Přiřaďte jednotlivé části kluzáku k odpovídajícímu popisu. Součásti kluzáku Popis Křídlo Ocas Generuje sílu nazývanou vztlak udržující letadlo ve vzduchu Pomáhá kluzáku udržovat přímý a vyrovnaný let a pomocí směrovky umožňuje zatáčet. Kokpit Místo pro pilota s průhledným překrytem umožňujícím pilotovi výhled ven. Trup Ústřední část kluzáku Popište jednotlivé části kluzáku Trup Ocas Kokpit Křídlo 34

35 Pracovní list 1, lekce 2 Změna tvaru, změna pevnosti Jméno inženýra: Datum: Je možné změnou tvaru materiálu zvýšit jeho pevnost? Pomocí lepicí pásky vytvořte z pěti listů papíru tvary podle obrázku. Pátý list vytvarujte podle vlastního návrhu. Pokus 1 Každý z vyrobených útvarů pomalu posuňte tak, aby více než jeho polovina přečnívala přes okraj stolu. Druhý konec podržte, aby papír nespadl. Pevnější tvary si svůj tvar udrží, aniž by se ohnuly dolů. Pokus 2 Všechny tvary postavte na stůl. Udrží svůj tvar a zůstanou stát? Co se stane, když na ně shora jemně zatlačíte? Tvar Pokus 1 Udržel si papír svůj tvar, nebo se ohnul dolů? Pokus 2 Zůstane tvar bez opory stát? Rovný Trojstěnný hranol Válec Tvar W 35

36 Pracovní list 2, lekce 2 Rozdělení materiálů Jméno inženýra: Datum: Prozkoumejte předložené materiály. Pro kterou z částí kluzáku budou vhodné? Použijte následující tabulku. Vhodné pro rám křídla Vhodné pro potah křídla Vhodné pro spojování součástí 36

37 Pracovní list 1, lekce 3 Plánování kluzáku Jméno inženýra: Datum: Nakreslete hrubý nákres svého kluzáku a popište ho. Rám křídla zhotovíme z... Potah křídla zhotovíme z... Ostatní součásti zhotovíme z Seznam materiálu budeme potřebovat:

38 Pracovní list 2, lekce 3

39 Pracovní list 1, lekce 4 Třídění karet s postupy konstrukce Jméno inženýra: Datum: Vystřihněte popisky z tabulky níže a rozdělte je podle jednotlivých fází konstrukčního procesu. Stavba kluzáku Určení materiálů potřebných pro stavbu kluzáku Získání více informací o principu funkce kluzáků Získání více informací o různých materiálech Testování kluzáku Diskuse o návrzích Zhotovení plánu Seznámení s problémem Michaela a Mary Rozhodnutí, jaký nápad bude nejlepší nebo kombinace různých nápadů Napadá vás něco dalšího, co jste udělali. Uveďte sem váš vlastní popis. Sledování testů kluzáku a využití získaných informací pro vylepšení vlastností kluzáku Napadá vás něco dalšího, co jste udělali. Uveďte sem váš vlastní popis. 39

40 Odpovědní list pracovního listu 1, lekce 4 Třídění karet s postupy konstrukce Jméno inženýra: Datum: Vystřihněte popisky z tabulky níže a rozdělte je podle jednotlivých fází konstrukčního procesu. Výroba kluzáku ZKONSTRUOVÁNÍ Určení materiálů potřebných pro stavbu kluzáků PLÁNOVÁNÍ Získání více informací o principu funkce kluzáku ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK Získání více informací o různých materiálech ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK Testování kluzáku VYLEPŠOVÁNÍ/ ZKONSTRUOVÁNÍ Diskuse o návrzích PŘEMÝŠLENÍ Zhotovení plánu PLÁNOVÁNÍ Seznámení s problémem Michaela a Mary ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK Rozhodnutí, jaký nápad bude nejlepší nebo kombinace různých nápadů PŘEMÝŠLENÍ/PLÁNOVÁNÍ Sledování testů kluzáků a využití získaných informací pro vylepšení vlastností kluzáků VYLEPŠOVÁNÍ 40

41 Pracovní list 2, lekce 4 Zpráva pro Michaela a Mary Jméno inženýra: Datum: Fotografi e nebo nákres kluzáku Při výrobě kluzáku jsme využili pravidla konstrukčního procesu. Pět fází konstrukčního procesu: Zjistili jsme, že dobrý kluzák by měl být:... Křídla našeho kluzáku jsou zhotovena z... Pro výrobu křídel jsme zvolili tyto materiály, protože Naše nejlepší tipy pro výrobu dobrého kluzáku: 1)... 2)... 3)... Za nejdůležitější při výrobě kluzáku považujeme: 41

42 Vědecké poznámky pro učitele týkající se leteckého inženýrství Některé klíčové vědecké pojmy obsažené v lekci 2 Tíha je síla působící směrem dolů způsobená gravitací přitažlivou sílou Země a objektu. Tíha se měří v Newtonech. Hmotnost udává, kolik materiálu (hmoty) je v daném objektu, a měří se v gramech/ kilogramech. Tam, kde na objekt působí dvě síly, se bude objekt pohybovat ve směru působení větší síly. Tam, kde na objekt působí dvě síly stejné velikosti a opačných směrů, se objekt nebude pohybovat nebo se bude pohybovat konstantní rychlostí. Při posuzování tíhy a vztlaku působících na kluzák: Vztlak je síla generovaná při proudění vzduchu okolo profi lu křídla pohybujícího se kluzáku. Tíha způsobená hmotností kluzáku působí směrem dolů. Jsou-li tíha a vztlak v rovnováze, bude se kluzák pohybovat vodorovně v přímém směru (nebude ani klesat, ani stoupat). Je-li tíha větší než vztlak, bude kluzák klesat. Je-li vztlak větší než tíha, bude kluzák stoupat. Křídla umožňují kluzáku vzlet pouze tehdy, pohybuje-li se vpřed dostatečnou rychlostí, protože vztlak vzniká, pouze pokud okolo křídla proudí vzduch. Kluzák musí být lehký, aby byla tíhová složka sil co nejmenší. Kluzák musí být dostatečně pevný, aby udržel svůj tvar (a stále generoval vztlak). Výslednice sil Při zkoumání, jak letadla létají, je důležité pochopit, co se stane, když na jeden objekt ve stejném čase působí několik sil. Pokud na objekt působí jen jedna síla, bude se objekt pohybovat* ve směru působení této síly. Pokud na objekt působí dvě nebo více sil, bude se objekt pohybovat ve směru výslednice působení těchto sil (viz obrázek níže). Objekt a síly Složky celkové síly Výslednice sil Popis Červená šipka = výsledná síla Pokud na objekt působí jedna síla, bude se objekt pohybovat* ve směru působení této síly. Výsledná síla je nulová Pokud na objekt v klidu působí dvě síly o stejné velikosti, ale opačného směru, bude výsledná síla nulová a objekt se nebude pohybovat. 42

43 Pokud na objekt působí dvě síly různé velikosti a opačného směru, bude výsledná síla působit ve směru větší působící síly. Pokud na objekt budou působit dvě síly různých směrů, bude celková působící síla výslednicí těchto dvou sil. *Přesněji řečeno bude objekt zrychlovat ve směru výsledné síly. Síly působící za letu Letečtí inženýři musejí počítat se čtyřmi hlavními silami, které na letící objekt působí. Jde o tíhu, vztlak, tah a odpor. Tíha Tíha je termín používaný leteckými konstruktéry pro označení síly působící směrem do středu Země v důsledku gravitační síly působící mezi dvěma hmotnými objekty. Vztlak Jde o sílu působící nahoru na letadlo pohybující se dopředu. Tuto sílu generuje křídlo letadla. Dopředný pohyb letadla vytváří relativní pohyb mezi částicemi vzduchu a křídlem, takže vzniká stálý proud vzduchu obtékající křídlo z horní i spodní strany. Při vzniku vztlaku se uplatňují dva hlavní faktory. Jeden se týká úhlu svíraného proudem vzduchu a tětivou křídla (tzv. úhel náběhu) a druhý se vztahuje k aerodynamickému tvaru profi lu křídla. Zjednodušeně lze říci, že úkolem křídla je přesměrovat proud vzduchu pod křídlo a vytvořit tak sílu, která bude působit na spodní stranu křídla a tlačit ho nahoru. Tah Tato síla je odpovědná za pohyb letadla směrem dopředu a je nezbytná pro proudění vzduchu okolo křídla, aby mohl být generován vztlak. U letadel je tato síla obvykle produkována pomocí proudových motorů nebo vrtule. Proudové motory (označované také jako tryskové) pracují tak, že nasávají vzduch z okolí letadla, stlačují ho, dodávají mu velké množství energie prostřednictvím řízeného spalování paliva a poté ho velmi rychle vyfukují ze zadní části motoru. Díky zákonu akce a reakce se tak letadlo pohybuje opačným směrem, než kterým jsou vypouštěny výfukové plyny. Jde o stejný princip, na kterém se pohybuje nafouknutý balónek, který pustíme z ruky, a umožníme tak vzduchu prudce unikat z hrdla balónku. U vrtulí jsou jednotlivé listy vrtule nastavené tak, aby vzduch tlačily za sebe, zařezávaly se do něj. Je to stejné, jako když plavec při svém pohybu vpřed nabírá rukama vodu a tlačí ji za sebe. U kluzáků je tah vytvořen při vypouštění kluzáku, obvykle pomocí navijáku nebo motorového letadla. Odpor Tato síla působí proti směru pohybu letadla a zpomaluje ho. Vzniká díky odporu vzduchu. Odpor je generován z těchto tří hlavních příčin: Tvar letadla Letadla jsou obvykle dlouhá, štíhlá a na konci špičatá, přibližně jako oštěp. Takový tvar umožňuje rovnoměrné laminární proudění vzduchu okolo trupu. Čím menší objem vzduchu letadlo tlačí před sebou, tím menší odpor bude tento vzduch působit a tím méně bude letadlo zpomalovat. Hovoříme o aerodynamickém tvaru letadla. Pokud by bylo letadlo hranatější, nemohl by vzduch okolo něj snadno proudit a letadlo by o to více zpomalovalo. 43

44 Nerovnosti na povrchu letadla Vzduch pohybující se kolem drsného povrchu způsobuje tření podobné tomu, jaké vzniká mezi dvěma pevnými povrchy. Moderní letadla proto mají hladký povrch, aby bylo toto tření co nejmenší. Hladký tvar také pomáhá omezovat hromadění námrazy. Úhel náběhu křídla Pro vznik vztlaku je křídlo ve vztahu k proudu vzduchu natočené pod určitým úhlem. To však vytváří další odpor, který je větší, než kdyby tětiva křídla svírala s proudem vzduchu nulový úhel. Čím větší je úhel náběhu, tím větší bude vznikající odpor. 44

45 Některé představy žáků o působení sil a letu Představy dětí o světě okolo nich jsou utvářeny jejich každodenními zkušenostmi. Tyto představy nemusejí být v souladu s aktuálními vědeckými poznatky a teoriemi, ale představují rozumová odůvodnění založená na pozorování a interakci s vnějším prostředím. Vytváření příležitostí, aby si děti mohly utvářet myšlenky a názory na základě vlastních zkušeností je mnohem vhodnější, než prosté sdělení faktů, protože takto je mnohem pravděpodobnější, že se jejich vnímání daného jevu změní. To je významná výzva pro pedagogy. Pro studenty a žáky na všech úrovních je velmi náročné přijmout nová fakta a skutečnosti o určitém jevu nebo vlastnosti, zejména pokud jsou na první pohled v rozporu se zdravým rozumem. Ačkoli máme díky různým průzkumům určité povědomí o tom, jaké představy děti mají o základních principech fungování světa, žáci často jen obtížně formulují své myšlenky a představy, a proto je třeba jisté míry opatrnosti při posuzování jejich myšlení a uvažování. Vzhledem k tomu je důležité vytvářet pro žáky příležitosti k diskusím o jejich myšlenkách. Hmotnost vs. tíha Tíha je vědecké jméno pro sílu (gravitační přitažlivost mezi objektem a Zemí) měřenou v Newtonech. Při běžné komunikaci však lidé používají spíše slovo hmotnost. Hmotnost vyjadřuje, kolik materiálu, tedy hmoty, je v daném objektu, a měří se obvykle v kilogramech. Pokud například astronauti vstoupili na Měsíc, zůstala jejich hmotnost, tedy množství hmoty v jejich tělech, stále stejná. Jejich tíha se však zmenšila díky menší přitažlivosti, kterou na ně Měsíc díky své menší velikosti a hustotě působil. Astronauti tak cítili, že síla přitahující je k povrchu Měsíce, je menší než na Zemi. Bylo tak pro ně jednodušší vyskočit do výšky. Při výuce nesmí být rozdíl mezi těmito pojmy zanedbáván a podceňován. Může se stát, že žáci tento rozdíl při výuce v nižším ročníku správně nepochopí. Učitel musí použít svůj odborný úsudek a rozhodnout, zda je výklad těchto pojmů a rozdílů mezi nimi vhodný pro věkovou skupinu žáků, se kterými pracuje. Ukázalo se například, že žáci často uvádějí gravitaci jako příčinu pohybu předmětu ve vzduchu, avšak o gravitaci samotné mají různé představy (1). Žáci si často gravitaci představují jako sílu táhnoucí směrem dolů nebo jako přitažlivost. Další si ji zase představují jako sílu, která věci tlačí dolů. Mohou si působení gravitace spojovat se vzduchem a nespojují si ji s tíhou objektů (nebo s jejich hmotností). Průvodce Nuffi eld pro výuku působení sil pro základní školy (1) uvádí zajímavý příklad představy žáků o silách působících na kluzák a popisuje sofi stikovanou představu o tom, jak tah gravitace směrem dolů (zamezující pohybu nahoru) působí proti směru síly vzduchu nacházejícího se pod křídly a tlačícího nahoru (a zamezujícího tak pohybu dolů). Žák však také na své představě o tlaku, který vyprchal předvedl své přesvědčení o tom, že působení počáteční síly, která zahájila pohyb tělesa vzduchem, skončilo (čili že síla byla použita na zahájení pohybu, a nikoli že působí na objekt). Tato intuitivní představa není vědecky správná. Vzhledem k tomu, že pojem síla je abstraktní a žáci se často domnívají, že síly patří k objektům, a nikoli, že na ně působí, je lekce 2.1 důležitou aktivitou umožňující žákům pocítit působení sil. Tato zkušenost vytvoří základ pro představu o tom, jak síly působí na kluzák. Hustota vs. hmotnost Žáky často zmate rozdíl mezi hmotností a hustotou. Hustota označuje hmotnost na jednotku objemu. Pokud jsou žáci požádáni, aby vybrali nějaký lehký materiál na potah křídla, mohou vybrat kancelářskou sponku místo igelitového pytle, protože sponka je lehčí. Obecně řečeno je vhodné vyzvat je, aby přemýšleli o věcech tak, zda jsou na svou velikost lehké nebo na svou velikost těžké. Při výuce je důležité zaměřit se na rozdíly mezi materiály, ze kterých jsou předměty zhotoveny, než na předměty samotné (jinak řečeno zdůraznit, že plastová fólie, ze které je vyroben plastový pytel, je lehčí než ocel, ze které je zhotovena sponka). Při výrobě kluzáku je vhodné zvolit na potah křídla materiál, který je na svou velikost lehký, zatímco na závaží použité na nose letadla pro úpravu vyvážení je vhodnější něco, co je na svou velikost těžké. 45