Miękkie lądowanie spadającego jajka
Lądowanie bezzałogowego łazika na powierzchni Marsa stanowi nie lada wyzwanie technologiczne. Skalista powierzchnia Marsa składająca się głównie z bazaltu pokryta pyłem tlenku żelaza otwiera niesamowite możliwości badawcze jednak najpierw należy bezpiecznie osiąść na powierzchni.
Zadanie projektowe:
Zadaniem uczniów będzie zaprojektowanie i opracowanie systemu lądownika dla surowego jajka. Jest to okazja do poruszenia zagadnień związanych z grawitacją, przemian energii i oczywiście oporu powietrza (S). Zaprojektowany pojemnik musi spełnić wymogi dotyczące stabilności, sztywności (E) choć jednocześnie może zostać wzbogacony o inne wyzwania takie jak ograniczenia dotyczące wagi, rozmiarów (M) lub użytych materiałów. Nie bez znaczenia pozostaje estetyka (A).
Poruszane zagadnienia:
Grawitacja, Przemiany energii, Energia, Ciepło, opór powietrza
Eksperyment
Zaprojektuj lądownik dla surowego jajka (pojemnik lub urządzenie) do ochrony przed uszkodzeniem przy lądowaniu z dużej wysokości (ok. 5 m).
Materiały
Surowe jajko,
Użyj materiałów jakich chcesz. Przydadzą się materiały nadające się do recyklingu. Wykorzystaj zużyte pudełka, rolki od ręcznika kuchennego, kartony, tuby, słomki, patyczki, klej, taśma, wata, folie ochronne.
Narzędzia technologiczne
Może się przydać kamera lub aparat z trybem zwolnionym /slow motion.
Instrukcje:
- Zastanów się co i dlaczego ochroni jajko od upadku.
- Narysuj projekt systemu lądownika/pojemnika
- Zbuduj (zgodny z wymaganiami) pojemnik chroniący jajo przed uszkodzeniem zgodnie z projektem.
- Nie zapomnij o ozdobieniu pojemnika.
- Umieść jajo w pojemniku.
- Ustaw tablet lub telefon w celu zarejestrowania momentu i miejsca upadku (jeśli to możliwe włącz tryb slow motion/zwolnione tempo).
- Upuść pojemnik z dużej wysokości (upewnij się wcześniej czy jest to miejsce bezpieczne dla ciebie jak i osób postronnych)
- Sprawdź, czy pojemnik ochronił jajko.
- Udokumentuj przebieg eksperymentu.
Zagadnienia
To jedno z oddziaływań polegające na tym, że wszystkie ciała posiadające masę oddziałują na siebie. Jest to zatem także siła istniejąca między Ziemią a obiektami w jej pobliżu.
Siła grawitacji zależy od masy tego ciała.
F=m * g, gdzie g oznacza przyspieszenie ziemskie.
To ruch ciała pod wyłącznym wpływem siły grawitacji. Wszystkie ciała swobodnie opadające spadają na ziemię z przyspieszeniem ziemskim g=9,81 m/s2
Przyspieszenie ziemskie to przyspieszenie, które doświadcza ciało w polu grawitacyjnym, gdy siła grawitacji jest jedyną działającą na niego siłą.
Opór powietrza powstaje, gdy powierzchnia spadającego obiektu zderza się z cząsteczkami powietrza. Dwa najczęstsze czynniki, które mogą zmienić opór powietrza, to prędkość obiektu i jego powierzchnia przekroju. Ich wzrost zwiększa opór powietrza. Ważny jest też kształt i chropowatość powierzchni.
Mówimy, że kiedy obiekt napotyka opór powietrza, pojawia się siła oporu, przeszkadzająca ruchowi.
Przed puszczeniem ciała z pewnej wysokości musimy wykonać nad nim pracę wynosząc je na pewną wysokość. Praca ta nie znika bez śladu – dzięki niej rośnie jego energia potencjalna grawitacji. Jest to jednocześnie wartość całkowitej energii mechanicznej, ponieważ ciało stoi, czyli jego energia kinetyczna jest równa zero. Wartość tej energii pozostanie stała podczas całego lotu ciała puszczonego w dół.
Gdy to ciało zacznie spadać, jego energia potencjalna będzie maleć (maleje wysokość). Jednocześnie rośnie prędkość spadającego ciała, co oznacza, że rośnie jego energia kinetyczna. Przyrost energii kinetycznej jest w każdej chwili jego lotu równy ubytkowi energii potencjalnej. Przy zderzeniu ciała energia nie znika tylko zostaje zamieniona na pracę. Pracę, która może być wykorzystana na roztrzaskanie ciała.