Saker som flyger Klubbmaterial för åk 4-6 Camilla Levander och Erik Holm
Innehållsförteckning 1. Inledning 2. Målsättningar 3. Flygfarkoster 3.1.Flygfarkostens historia 3.2.Lufttryck 3.3.Varifrån kommer lyftet? 3.4.Praktiska elevarbeten för klubbtimmarna 3.4.1. Luftmotstånd 3.4.2. Lyftkraft med pappersark 3.4.3. Pappersflygplan 3.4.4. Sugrörsflygplanet 3.4.5. Pappershelikoptern 3.4.6. Muggflygaren 3.4.7. Påvens hatt 3.4.8. Fallskärm 4. Uppåt! 4.1.Praktiska elevearbeten för klubbtimmarna 4.1.1. Norsk raket 4.1.2. Varmluftsballong 4.1.3. Ballongsnöreraket 4.1.4. ALTERNATIV 1: Sugrörsraket 4.1.5. ALTERNATIV 2: Flaskraketen 2
1. Inledning Syftet med detta dokument är att underlätta genomförande av en naturvetenskap och teknikklubb i åk 4-6. Temat för detta klubbmaterial är saker som flyger: flygplan, helikoptrar, raketer och luftballonger. 2. Målsättningar Eleverna börjar förstå varför flygplan kan flyga och vilka faktorer som påverkar flygförmågan. Materialet skall stöda laborativ undervisning och sträva till att utveckla elevernas problemlösningsförmåga och kreativitet. 3 Flygfarkoster 3.1 Flygfarkostens historia Redan en 5000 år gammal myt berättar att Ikaros hade en dröm att kunna flyga. Ikaros gjorde vingar utav fågelfjädrar som han strukit vax över. Vingarna lade han på sina armar och hoppade ut från en hög klippa. Enligt myten kom han för nära solen och vingarna brann upp och Ikaros störtade. Italienaren Leonardo da Vinci ritade många olika flygapparater och en av hans ritningar från 1505 är ett segelflygplan med rörliga vingar som slog upp och ner som fågelns vingar. Under slutet av 1700-talet experimenterade bröderna Montgolfier med olika experiment och kom då på att man kanske kunde göra flygande farkost med hjälp av varm luft. De tillverkade sin första ballong av väldigt lätta material för att ballongen skulle bli lättare än luft. Efter detta fortsatte de att experimentera med ballonger och deras första ballongflygare lade de i en rottingkorg som de fäst under en ballong. De första resenärerna var några djur. Ballongfärden lyckades. Otto Lilienthal från Tyskland gjorde i slutet av 1800-talet många lyckade glidflygningar och hans längsta färd var på 350m. Den första färden med ett bensindrivet plan gjordes 1903 av bröderna Wright och de lyckades hålla sitt plan 12 sekunder i luften. Visa gärna bilder på de olika flygfarkosterna. 3
3.2 Lufttryck Jordens atmosfär utsätter alla föremål som befinner sig i den för ett tryck. Detta tryck är väldigt stort, det motsvarar det tryck som en 10 tons vikt utövar på en 1 kvadratmeter, men eftersom vi är anpassade att leva med det så märker vi det inte normalt. 3.3 Varifrån kommer lyftet? Figur 1: De fyra huvudsakliga krafterna som verkar på ett flygplan i luften. Flygplanets vingar och motor måste vara konstruerade på rätt sätt för att planet skall kunna flyga. Jordens dragningskraft drar till sig alla föremål, vilket betyder att inget föremål hålls i luften ifall inte lyftkraft som är åtminstone lika stor som föremålets tyngd verkar på föremålet. På ett flygplan är det vingarna som genererar lyftkraften. Vingens form är sådan att den vrider luftströmmen vilket leder till en tryckskillnad mellan vingens ovansida och undersida vilket förorsakar en lyftkraft. Lyftkraften på vingarna beror också på flygplanets hastighet, ju högre hastighet planet har desto mera lyftkraft. När flygplanet skall lyfta från marken måste det alltså komma upp i en sådan hastighet att lyftkraften på vingarna blir större än flygplanets tyngd. När flygplanet väl är uppe luften skall lyftkraften vara lika stor som planets tyngd, eftersom planet då hålls stabilt i luften. 4
Figur 2: När en luftström passerar en flygplansvinge uppstår en tryckskillnad mellan ovan och undersidan. Denna tryckskillnad ger upphov till en lyftkraft som för det möjligt för vingen att hållas i luften. Figur 3: Till vänster: Helikopterns roterande blad genererar lyftkraft. Till höger: Ifall helikoptern saknade stjärtrotor skulle den rotera åt motsatt håll som rotorn. En helikopter fungerar på samma sätt, förutom att lyftkraften nu genereras av flera små vingar som är fästa på en roterande motor. När vingarna snurrar genom luften alstrar de lyftkraft som får helikoptern att lyfta och hållas i luften. Eftersom motorn får rotorn att rotera åt ett håll kommer helikoptern att rotera i motsatt riktning. För att förhindra detta har helikoptern en bakre rotor som förhindrar att helikoptern börjar snurra. Den stora fördelen med helikoptern är att den, till skillnad från ett vanligt flygplan, kan starta och landa lodrätt samt hållas still i luften. På YLE:s vetamix sidor finns en bra video om hur flygplan fungerar: http://vetamix.yle.fi/media/8780 5
3.4 Praktiska uppgifter för klubbsamlingarna Till följande följer en samling laborationer och uppgifter som kan användas för att förstå flygplan och flygförmåga. 3.4.1 Inledning Gör en lista på tavlan över saker som flyger. Fråga eleverna vad de tror håller dem i luften. Diskutera vilka gemensamma drag de olika sakerna har. 3.4.2 Luftmotstånd Figur 4: Demonstration av luftmotståndets inverkan på ett A4-ark Tag två A4-ark. Kläm ihop det ena till en boll. Släpp båda arken och diskutera sedan resultatet med eleverna. Det hopklämda arket faller mycket snabbare. Tyngdkraften på de båda arken är den samma eftersom de har samma massa, men luftmotståndet på det släta arket är mycket större och därför kommer det att falla långsammare. Alternativt kan du vika ihop det andra arket och visa att ju mera man viker i hop pappret desto snabbare faller det. Repetera att i vakuum så faller alla saker lika snabbt. 6
3.4.3 Lyftkraft med pappersark Målet med denna laboration är att eleverna förstår att luft som rör sig snabbare utövar ett lägre lufttryck på en yta, t.ex. en flygplansvinge. Material: Kopieringspapper, Gem Eleverna i gruppen får individuellt skriva ner på en papperslapp vad de tror händer när man håller i pappret och blåser: 1 Pappret stiger X Inget händer 2 Pappret sjunker Bokför resultatet på tavlan. Dela ut A4:ror till eleverna som får dela det i fyra. Eleverna håller pappersremsan framför munnen och blåser, varvid remsan lyfts uppåt. Orsaken till detta är att då man blåser så minskar lufttrycket ovanför remsan varvid remsan lyfts upp av det högre lufttrycket under. Låt sedan eleverna fästa gem i den fria ändan av pappret och se att man nu måste blåsa hårdare för att få pappret att lyfta. Vem får flest gem att lyfta? Figur 5: När man blåser på ovansidan av pappret uppstår en tryckskillnad som får pappret att lyfta. För att göra situationen mera lik en flygplansvinge så kan man visa att istället för att blåsa på pappret så kan man fästa pappret i en bok och gå framåt och få samma lyft. 7
3.4.4 Pappersflygplan (ca 30 min) De flesta av eleverna är antagligen bekanta med pappersflygplan. Målet med denna laboration är att eleverna börjar fundera på vilka saker som påverkar hur bra ett flygplan flyger. Ritningen som inkluderats i detta material är för en mycket enkel modell. Ta gärna med andra flygplansmodeller och testa hur de fungerar. Material: Papper Eleverna delas in i grupper. Grupperna får i uppgift att konstruera ett pappersflygplan som flyger så långt som möjligt. Fundera med eleverna vilka egenskaper som påverkar flygförmågan. Eleverna får sedan modifiera sina flygplan för att få dem att flyga längre. Det är mycket bra ifall det är möjligt att använda gymnastiksalen för flygtesterna. Diskutera fram och gör en lista över de egenskaper som påverkar flygförmågan. Mer information och idéer fås t.ex. från: http://www.paperairplanes.co.uk/ Morris C. Vik ditt eget pappersflygplan (Carlsen/if 1984) 8
Ritning för pappersflygplan 1. Vik pappret längs med den streckade linjen. 2. Vik ner hörnen. De gråa områdena indikerar papprets andra sida. 3. Vik ytterligare en gång. 4. Vik ihop planet längs med vikingen i punkt 1. 5. Vik ner flygplanets vinge så att kanten på vingen sammanfaller med papprets kant. 6. Gör samma sak för den andra vingen. Figur 6: Ritning för ett typiskt papperflygplan 9
3.4.5 Sugrörsflygplanet (ca 30 min) Material: Silkespapper, Kartong, Kopieringspapper, Sugrör, Tejp, Sax Börja med att kasta ett sugrör. Diskutera med eleverna vad kunde man göra för att sugröret inte skall sjunka så snabbt. Dela in eleverna lämpliga grupper. Varje grupp får i uppgift att konstruera ett optimalt flygplan enligt ritningen med ett specifikt papper. Låt eleverna variera storleken på ringarna och undersök hur detta påverkar bärkraft och stabilitet. Vilket papper fungerade bäst? Varför? Figur 7: Ritning för sugrörsflygplanet 3.4.6 Pappershelikoptern (ca 30 min) Material: Pappersremsan från Laboration 1, vikter (gem, häftmassa) Bygg helikoptern enligt ritningen på följande sida. Eleverna får sedan i uppgift att ta reda på hur helikopterns falltid påverkas av följande faktorer: Fallhöjden Mängden vikter Vingarnas storlek och form Testen kan t.ex. göras så att man gör helikoptrar med olika mycket vikt/vingstorlek osv. och sedan släpper dem samtidigt för att undersöka falltiden. Var noga med att släppa helikoptrarna samtidigt. Det går naturligtvis också att använda tidtagarur. Testa helikoptern. Eleverna får sedan variera vikten och formen på helikoptern och försöka komma fram till hur de påverkar helikopterns falltid. Eleverna kan ställa sig på pulpeterna och släppa helikoptern för längre falltid. Det går naturligtvis också att använda trappor, våningar, rutschkanor etc. 10
1. Klipp längs de heldragna linjerna 2. Vik flik A framåt och flik B bakåt. 3. Vik flikarna C och D framåt längs den streckade linjen 4. Vik längs med linje E så att helikoptern får en vikt 5. Du bör nu ha en konstruktion som ser ut som bilden nedan. 6. Helikoptern är färdig! http://www.paperairplanes.co.uk/heliplan.php 11
3.4.7 Muggflygaren Material: Engångsmuggar (papper eller plast), Tejp, Några gummiband Figur 8: Ritning för muggflygaren Vira ändan av gummibandet kring skarven mellan muggarna och spänn upp och skjut iväg det. Muggflygaren flyger vackert genom luften och kan fås att göra en eller flera loopar. Denna konstruktion är ett exempel på att en symmetrisk vinge också kan producera lyftkraft Figur 9: Den roterande muggen drar med sig luften och ger upphov till en tryckskillnad på ovan och undersidan av muggflygaren. Denna demonstration fungerar som avslutning och inspiration att fortsätta fundera. Eleverna uppmanas bygga flygplanet där hemma. Fråga nästa gång hur det gick! 12
3.4.8 Påvens hatt Material: Kopieringspapper Vik en kvadrat av pappret. Vik sedan enligt beskrivningarna. Figur 10: Ritning för påvens hatt Släpp hatten från en lite högre höjd och se hur den glider iväg http://www.youtube.com/watch?v=asfd72v-ppy&feature=player_embedded 3.4.9 Fallskärm Material: Silkespapper, Tunna plastpåsar (frasiga), Snöre, Tejp Bygg en fallskärm genom att fästa snören i varje hörn av påsen eller papperet och bind sedan ihop alla snören i dess nedre ända och lägg till en vikt Pröva olika vikter och se när fallskärmen bäst, sakta men säkert, når marken 13
4. Uppåt! Följande konstruktioner skiljer sig från de tidigare på det sättet att de inte behöver kastas eller släppas, t.ex. olika former av raketer. 4.3 Praktiska elevarbeten för klubbtimmarna 4.3.1 Norsk raket Material: Tepåse (pröva vilka som fungerar, Lipton-påsar brukar fungera), Ljus/tändstickor Du kan börja lektionen med att visa ett experiment med en tepåse. Du kan berätta en sagan på samma gång som du gör experimentet. Du behöver tändstickor och en tepåse, en sådan som är vikt på mitten och blir lång då du viker ut den. Testa hur tepåsen fungerar innan du gör experimentet i klassen. Olika tepåsar beter sig olika. 1. Ta en tepåse och berätta för eleverna om en raketfabrik, välj land själv. 2. Raketfabriken är lite konstig eftersom deras raketer inte behöver instruktioner, ryck loss papperslappen från bandet. 3. Inte behöver den heller någon stubin, ta loss bandet. 4. Inte behöver den heller något krut, klipp upp ändorna och häll ut tebladen. 5. Ställ den tomma påsen på bordet och tänd på den från toppen och låt glöden/ elden leta sig neråt. 6. När elden/glöden når botten så lyfter den förkolnade påsen mot taket som en varmluftsballong. Fundera med eleverna hur man kunde använda samma princip utan att bränna upp raketen. Visa bild på väderballong. 14
4.3.2 Varmluftsballong Material: Papper Vik enligt bilden (sätt lim på de gula områdena) Klistra ihop sidorna och du får en varmluftballong Hur får vi ballongen att lyfta? Figur 11: Ritning för varmluftsballongen. Styrk lim på de gula ytorna. Ifall utförs som ett elevförsök bör man hålla koll på hurudana förslag eleverna har, en fön ger bästa resultat. 15
4.3.3 Ballongsnöreraket En varmluftsballong fungerar bra på jorden men om vi t.ex. Skall ta oss till månen så måste vi ha något som inte behöver luft. Material: Ballonger, Sytråd, Sugrör, Tejp, Sax Trä sugröret på sytråden. Fäst ena ändan att sytråden i ett fast föremål, t.ex. i en krok på väggen, fönsterhandtag, knagg. Blås upp ballongen och tejpa fast den på sugröret, du bör hålla i ballongen så att luften inte åker ur medan du tejpar fast den på sugröret. Fyll eventuellt ballongen med mer luft och släpp sedan iväg raketen Figur 12: Schematisk bild av ballongsnöreraketen. Uppgift: Hur ska man hålla tråden för att raketen skall fara så långt och så hårt som möjligt? Pararbete: Vem kommer först till månen? (45 min) Under mitten av 1900-talet tävlade U.S.A. Och det som då var Sovjetunionen (ung. Ryssland) om vem som först skulle ta en människa till månen. U.S.A vann då Apollo 11 landade på månen år 1969. Bygg en raket och tävla med de andra lagen om att vem som kommer först till månen. Varje lag kan bilda sitt eget land eller hitta på ett lagnamn så gör den leken roligare. Ge eleverna en viss tid att bygga och testa sin raket. Häng upp en måne i taket (t.ex. En boll eller en ballong). Ge eleverna möjlighet att förbättra sitt avstamp 16
4.4.4 ALTERNATIV 1: Sugrörsraket Vår första raket var inte så bra, framför allt så behövde den ett snöre för att hållas sin kurs. Tyvärr så går det inte att dra en lång tråd till månen så vi måste komma på något annat sätt. Material: Sugrör, Papper, Tejp Mät ett papper (1/2 A4:ans papper) löst runt sugröret, de behöver glida lätt Tejpa papperet så att det blir en pappersrulle och tejpa även fast toppen så att raketen hålls på sugröret. Testa raketen genom att kraftigt blåsa i sugröret. Du kan även färglägga raketen, samt fästa vingar för att den skall flyga bättre. Pröva med olika längders sugrör. Diskutera skillnaderna. Diskutera vad som behövs för att ta en raket till månen. 4.4.5 ALTERNATIV 2: Flaskraketen Material: En mjuk prasslig Pet-flaska, 1,5l eller större (Undvik hårda, Lidls 2l flaskor fungerar bäst), Bred tejp, 2st metallklammer el.dyl., skruvar,brädbit (ca 40x10 cm), elrör + skarv (alt. ett elrör som du böjt med en fjäder), A4 papper, tejp Avfyrningsramp: Fäst dina två metallklamrar på brädan, skruva fast dem. Böj röret med hjälp av en fjäder eller koppla ihop två raka rör med ett böjt skarv. Tejpa fast tomflaskan i röret. Raket: Mät ett A4-papper löst runt röret som sticker upp, de behöver glida lätt Tejpa papperet så att de blir som ett pappersrör och tejpa även fast toppen Gör fenor, vingar, spetsig topp och designa raketen som du vill Gå utomhus och avfyra raketen genom att stampa/trycka ner foten på pet-flaskan Vems raket flög högst/längst? Behöver du ändra raketen för att den skall flyga bättre så gör det och pröva igen Ladda om avfyrningsrampen genom att blåsa i röret så petflaskan knölar ut sig Utmaning: Vad hålls längst i luften? Vad beror det på? Hur mycket massa? 17
Figur 13: Fotografier av uppskjutningsrampen. 18