Вероятно често използвате автомобил, колело или градски транспорт, за да се придвижите от едно място на друго. Може би понякога пътувате с влак или със самолет?

А летели ли сте някога с влак?

Още не? Значи е време да проверите как е възможно това и защо бъдещите поколения поколения биха избрали подобен транспорт.

Същност на проекта

В този STEM проект учениците изследват магнитните свойства на телата и влиянието, което различни сили оказват върху движещите се обекти. Задачата им е да направят влак, който се движи без колела и на практика се носи във въздуха. Работата по проекта изисква внимание към детайла и търпение. Изграждането на тестовата площадка е свързано с познания за обемните тела, с умения за чертане на разгъвки и изграждане на триизмерни модели. Измерва се разстоянието между влака и релсите, както и скоростта на движението му при нормални условия, след което измерванията се повтарят при добавянето на различна тежест върху влака. Ще продължи ли влакът да левитира? Тествайте сами, за да разберете!

Цели по предметно знание

В работата по този STEM проект са заложени следните основни учебни цели:

  • назоваване на различните видове сили, влияещи върху движението на телата;
  • чертане на разгъвка на обемно тяло;
  • дефиниране на понятията магнити, магнитно поле, магнитни полюси, сили, тегло, маса, земно притегляне;
  • даване на примери за влакове, задвижвани от различни източници на енергия;
  • създаване на триизмерен модел на геометрично тяло;
  • измерване изминат път при различно натоварване на движещ се обект при равни други условия;
  • изчисляване на средна скорост на движение;
  • сравняване на скоростта на движение при промяна на различните сили, влияещи върху него.

Цели по ключови умения

Проектът спомага за:

  • развиване на критичното и аналитичното мислене на учениците, чрез изследване на представянето на модела при различни условия;
  • развиване предприемаческата компетентност, посредством откриване на алтернативни пътища за постигане на желан резултат;
  • създаване на условия за работата в екип.

Времетраене

Работата по проекта може да бъде извършена за 2 учебни часа.

Необходими материали

За този STEM проект учениците от всяка група ще имат нужда следните материали:

  • един лист картон с размер А4;
  • дървено блокче с размери около 1,8 см х 3,8 см (като алтернатива може да се използва кутийка от спрей за нос или гърло, която има приблизително същите размери);
  • парче картон от кашон, с размер 10 см х 30 см;
  • магнитни ленти - два броя 1 см х 30 см и още два броя 1 см х 7 см за всяка група (един магнитен лист с размер A4 и дебелина 2 мм ще бъде достатъчен за целия клас);
  • двойнолепяща лента;
  • ножици;
  • молив;
  • хартиена или пластмасова чаша;
  • монети или камъчета;
  • линия;
  • компас;
  • неодимов магнит;
  • кухненска везна;
  • Работен лист за изследване на магнитното поле;
  • Работен лист за създаване на инженерен дизайн.

Теоретична постановка

МАГЛЕВ (съкратено от магнитна левитация) е технология, която позволява придвижване и управление на предмети посредством действието на магнитни сили. Тя е разпространена при разработката на бързоскоростни влакове. За разлика от традиционните влакови композиции, влакът МАГЛЕВ не се докосва до релси и не използва колела. На практика той се носи в пространството и единственото триене при движението му е това с въздуха. Магнитната левитация дава възможност за развиване на високи скорости и ускорения и изкачване на стръмни наклони. Мощността и скоростта на влаковете, използващи тази технология, са сравними с тези на самолет. Най-високата отчетена скорост е 603 km/h, постигната в Япония през 2015 г. Освен че са изключително бързи, влаковете МАГЛЕВ са много по-екологични и вероятността за дерайлиране при тях е минимална.

Тези влакове използват мощни магнити, за да останат във въздуха. Те генерират магнитно поле, което може да избута или да издърпа дърпа други близки магнити, в зависимост от посоката, в която са обърнати магнитните полюси. При изследваната технология магнитната сила се използва за изтласкване на тежестта на влака. Теглото е силата, която дърпа обекта надолу към земята под влияние на гравитацията. Ако магнитната сила е достатъчно голяма, тя може да преодолее тежестта на влака и да го избута във въздуха.

Подготовка

За този STEM проект е необходимо да се снабдите с неодимов магнит, компас и един магнитен лист с размер А4. Последният ще ви бъде нужен за изрязване на ленти, с които се изгражда влаковото трасе. Най-добре е да използвате еднополярни магнитни ленти. Ако се окаже, че изрязаните ленти са биполярни или многополярни, може да ги реполяризирани с помощта на неодимовия магнит.

Ангажиращо въведение

  • Проучете устройството и функциите на магнитите. За какво се използват те в ежедневието ни?
  • Изследвайте как полярността на магнитите оказва влияние върху поведението им спрямо други магнити. Може ли полярността на магнитите да бъде използвана за издигане на предмети над земята? А на цяла влакова композиция?
  • Представете на учениците целите на настоящия STEM проект. Разгледайте устройството на влаковете МАГЛЕВ и дискутирайте ползите от използването на такъв тип транспорт.
  • Запознайте учениците с основните стъпки в инженерния процес и раздайте на учениците по един работен лист за създаване на инженерен дизайн. 

Изпълнение

  • Разделете учениците в групи по четирима;
  • Първият етап от работата по проекта е свързана с изграждането на влаковото трасе. За целта парче картон от кашон с размер 10 см х 30 см се разчертава както следва:
    • по дължината  на картона се чертае централна прекъсната линия;
    • от двете страни на прекъснатата линия се начертават успоредни на нея плътни линии, на отстояние 5 мм от нея;
    • аналогично се начертават още две плътни линии на отстояние 20 мм от централната линия;
  • Двете дълги магнитни ленти се залепват върху подготвената основа за влаковото трасе. Ако магнитните ленти нямат залепваща лента от едната страна или тя не е достатъчно лепкава, учениците трябва да поставят двойнозалепваща лента, с която да закрепят магнитите за основата. Те трябва внимателно да се поставят, така че вътрешните им краища да съвпаднат с плътните линиите на 5 мм от централната линия. По този начин магнитните ленти се фиксират на 10 мм една от друга;
  • След това трябва да се изработят странични ограничители, които да възпрепятстват отклонението на влака встрани от трасето. За целта учениците трябва да изработят триизмерен модел на правоъгълен паралелепипед с основа квадрат със страна 2 см и височина 25 см. От един лист картон А4 могат да се изработят 2 такива модела, които са достатъчни за едно влаково трасе;
  • Страничните ограничители се поставят, така че вътрешните им краища да съвпаднат с плътните линиите на 20 мм от централната линия. По този начин те се фиксират на 40 мм един от друг;
  • За изработването на влака се използва дървено блокче с размери 3,8 см х 1,8 см х 7 см (както споменахме, като алтернатива може да се използва картонена кутийка от спрей за нос или гърло, които често имат подобни размери). Двете къси магнитни ленти се залепват от едната страна на блокчето, така че външните ръбове на лентите да съвпадат с външните ръбове на блокчето;
  • Влакът се поставя над релсите с магнитните ленти надолу - той трябва да се движи успоредно на релсите и да се плъзга напред-назад, без да заседне. Ако влакът не се движи по описания начин, учениците трябва да направят някои корекции, в зависимост от наблюдаваните отклонения:
    • ако единият ръб на влака докосва релсите и той изглежда наклонен настрани, то страничните ограничители вероятно са твърде далеч един от друг. Важно е те да са на разстояние малко по-голямо от ширината на дървеното блокче (около 40 мм). Това ще позволи на влака да се плъзга напред-назад, без да се заклещва, като същевременно запазва правилната си позиция спрямо релсите. Ако има твърде много пространство между влака и страничните ограничители, той може дори да се преобърне. В този случай учениците трябва да преместят страничните ограничители по-близо, така че между тях и влака да има не повече от 2 мм разстояние;
    • ако влакът се залепи плътно за релсите, вместо да се отблъсне от тях, има няколко възможни причини и решения:
      • първо трябва да се уверите, че учениците работят с подходяща магнитна лента. Магнитната лента за този научен проект трябва да бъде монополярна, което означава, че всяка страна на магнитната лента има само една полярност (N или S). Много магнитни ленти, които можете да закупите онлайн, са биполярни или многополярни (т.е. се състоят от много магнитни ленти, които се редуват по полярност). Тези магнитни ленти ще се привличат една друга. Ако се окаже, че учениците работят с биполярна или многополярна магнитна лента, можете да я реполяризирате с помощта на неодимов магнит. Можете да използвате компас, за да проверите полярността на магнитните ленти. Компасът се поставя до една от магнитните ленти на влака. Обърнете внимание дали червеният връх на иглата на компаса сочи към магнитната лента или далеч от нея. Направете същото нещо за релсите на влака. Ако резултатите са различни, тогава трябва да учениците трябва отново да поляризират лентите на влака с неодимов магнит. Намерете края на неодимовия магнит, който привлича същия край на стрелката на компаса като магнитната лента на вагона. С този край на магнита с движения напред-назад се разтриват целите магнитни ленти на влака, за да се покрие цялата им ширина. Проверява се дали влакът се движи, вместо да докосва релсата. Ако не, учениците трябва да продължите да търкате същия край на неодимовия магнит по лентите на влака, за да увеличат силата им (не проверявайте отново лентите с компаса всеки път, за да не се обръща поляризацията им);
      • ако резултатите от теста с компаса са еднакви за лентите на влака и тези на релсите, тогава те са поляризирани правилно и трябва да се отблъскват. В случай, че влакът все пак е залепнал за релсите, вместо да се отблъсква от тях, магнитните ленти на релсите може да са твърде близо една до друга (отстоянието между тях трябва да е 10 мм). Ако са твърде близо една до друга, тогава няма да бъдат подравнени с магнитните ленти на вагона и това може да доведе до привличане на вагона към релсите вместо до отблъскване. В този случай магнитните ленти на пистата трябва да се раздалечат, така че да съответстват на лентите на влака;
      • ако лентите на влака и на релсите си съответстват, но влакът все пак залепва за тях с известно изместване, това може да се дължи на твърде голямо разстояние между страничните ограничители - това дава на влака твърде много място за преместване встрани. В този случай страничните ограничители се приближават, така че да бъдат на не повече от 2 мм от влака;
  • Учениците записват в работните листове за инженерен дизайн резултатите от първите тестове на влаковете си. Ако влаковете не се движат според очакванията, учениците трябва да открият причините за отклоненията и предприемат стъпки за коригирането им;
  • След като влакът започне да се движи по желания начин, учениците трябва да проверят какво натоварване може да издържи. За целта с помощта на линия се измерва разстоянието между влака и релсата. Полученият резултат ще се използва като контрола и се записва в работния лист при нула грама добавено тегло;
  • Единият край на пистата се повдига на височина 2 см и се засича за колко време влакът изминава разстоянието от единия край на релсите до другия край. След това учениците трябва да изчислят скоростта на движение и да запишат получения резултат в работния лист;
  • В пластмасова или картонена чаша се поставят няколко монети или камъчета. Масата им се измерва на електронната везна и се записва в грамове в работния лист. Влакът се поставя в изходна позиция, чашата се поставя върху него и отново се измерва разстоянието между влака и релсите. Чашата трябва да бъде разположена върху влака, така че да остане успореден на релсите и да не се накланя. Измереното разстояние се записва в работния лист. Променя ли се скоростта на движение?
  • В чашата се добавят още монети/камъчета и процесът се повтаря, докато влакът докосне релсите под влияние на по-голямата маса. При всяко добавяне на монети се отчита и записва масата на чашата, разстоянието между влака и релсата, както и изменението в скоростта на влака;
  • Насърчете учениците да изразят резултатите графично, като запишат добавената маса по хоризонталната ос (x) и разстоянието между влака и релсата по вертикалната ос (y).

Заключителна част

  • Всяка от работните групи представя получените резултати и обяснява какви корекции са направени, за да може влакът да се движи правилно;
  • Сравнете получените резултати от всички работни групи. Учениците може да допълнят таблицата с данните си с резултати, получени от другите екипи;
  • Анализирайте данните. Как се променя разстоянието между влака и релсите при увеличаване на неговото тегло? Как можете да свържете резултатите с реални влакове на МАГЛЕВ? Например: ще има ли ограничение за това колко пътници може да превозва един реален влак?
  • Дискутирайте какви фактори влияят върху движението на влаковете маглев. Какво определя дали един магнит привлича, или отблъсква друг магнит? Какви други сили действат върху влака?

Идеи за надграждане

  • Сравнете скоростта на движение на влак с колела и влак МАГЛЕВ. За целта направете втори влак, който да има същите размери и тегло, но да има колела вместо магнитни ленти. Двата влака се поставят в горната част на наклонена писта и последователно се пускат по нея. Засича се времето за движение до основата на пистата и се изчислява скоростта на движение;
  • Проверете дали се променят резултатите, ако теглото на монетите се разпредели равномерно в горната част на влака, вместо да се натрупа в една централна точка;
  • Използвайте по-лек материал за изработване на влака, например плоско парче картон. Променя ли се разстоянието между влака и релсите? Обърнете внимание, че за да сравните резултатите си с тези, получени при използването на дървения блок, ще трябва да измерите абсолютното тегло на влака (включително тялото на влака и магнитите), а не само добавеното тегло;
  • Изследвайте екологичния отпечатък на влаковете МАГЛЕВ и другите видове сухопътен транспорт. 

За какво да внимаваме

Работата по този STEM проект изисква прецизност. Има голяма вероятност влаковете да не се движат по указания начин от първия опит. Подгответе учениците за възможен провал и ги насърчете да не се отказват, а да открият причините за неуспеха и за предприемане на необходимите стъпки за преодоляването им.

В този интересен STEM проект учениците изследват иновативна технология за првозване на пътници, която е вече осъществена на практика и показва обещаващи резултати. Младежите ще се сблъскат с някои от основните предизвикателства в работата на инженерите - ограниченията в дизайна, преодоляването на действието на различни сили, нуждата от откриване на недостатъците на изработените прототипи и подобряване на дизайна. Именно приложимостта на усвоените знания и умения в реални житейски ситуации прави проекта много ангажиращ и интересен. В допълнение на това многокомпонентния му характер дава възможност на различните ученици в групите да демонстрират своите силни страни, като същевременно работят в екип и си сътрудничат за постигане на поставените цели.

Убедихме ли ви да опитате?

За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора: