Όλο τρέλα: διδάσκοντας φυσική πάνω στο τρενάκι του λούνα παρκ Teach article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Τρενάκια του λούνα παρκ, καρουζέλ και άλλες κούνιες του πάρκου διασκέδασης μπορούν να είναι καλή ψυχαγωγία –…

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του kali9 /
iStockphoto

Ένα πάρκο διασκέδασης η ένα λούνα παρκ είναι ένα ιδανικό μέρος για πειράματα φυσικής που ποτέ δεν θα μπορούσαν να εκτελεστούν στην τάξη. Διάφορα προγράμματα ανά τον κόσμο έχουν αναπτύξει κατάλληλες διδακτικές δραστηριότητες (δείτε ‘Πηγές’).

Μια από αυτές είναι και η ‘Mirabilandia, un’aula senza pareti’ (‘Mirabilandia, μια τάξη χωρίς τοίχους’), ένα Ιταλικό πρόγραμμα που ξεκίνησε το 2002 από εκπαιδευτικούς του γυμνασίου Liceo Torricelli στην Faenza, στο τοπικό πάρκο διασκέδασης, Mirabilandiaw1. Η πρωτοβουλία ήταν τόσο πετυχημένη ώστε η διεύθυνση του πάρκου αποφάσισε να την κάνει διαθέσιμη σε όλα τα σχολεία, παρέχοντας εκπαιδευτικές περιηγήσεις από εκπαιδευμένους μαθητές φυσικών επιστημών.

Ίσως θα μπορούσατε να συζητήσετε για μια παρόμοια συμφωνία με το τοπικό σας πάρκο διασκέδασης; Στο μεταξύ, ορίστε μερικές δραστηριότητες κατάλληλες για οποιοδήποτε πάρκο διασκέδασης η λούνα παρκ. Για μερικές, θα χρειαστεί να μάθετε πρώτα τις τεχνικές προδιαγραφές που έχει το τρενάκι, είτε από το πάρκο η από το διαδίκτυο, για παράδειγμα από την Βάση Δεδομένωνw2. για τα Τρενάκια του Λούνα Παρκ. Για να πάρετε μαζί σας στις βόλτες με τα τρενάκια όργανα μέτρησης, τα οποία θα είναι δεμένα με ασφάλεια στους καρπούς των χεριών των μαθητών η στην δομή της κούνιας, θα χρειαστείτε την συγκατάθεση των αρχών του πάρκου. Στην περίπτωσή μας, ο διευθυντής του σχολείου επικοινώνησε με την διεύθυνση του πάρκου, αναφέροντας με λεπτομέρειες το πρόγραμμα που είχαμε στο μυαλό μας.

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Freder / iStockphoto

Οι δραστηριότητες είναι κατάλληλες για ηλικίες 15-19, αλλά μπορούν να προσαρμοστούν για πιο μικρούς μαθητές. Καλύπτουν τα θέματα της ευθύγραμμης και κυκλικής κίνησης, της ταχύτητας και επιτάχυνσης, των τριών νόμων της κίνησης, της βαρύτητας, των κεντρομόλων και φυγόκεντρων δυνάμεων, και των μετατροπών της ενέργειας.

Οι μαθητές θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με τις βασικές έννοιες της κινηματικής και δυναμικής, και θα χρειαστούν μια βασική εισαγωγή στις δραστηριότητες πριν να επισκεφτούν το πάρκο.

Η δουλειά σε κάθε μια από τις κούνιες παίρνει περίπου μια ώρα, αλλά η αναμονή στην ουρά μπορεί να αυξήσει τον χρόνο που απαιτείται. Μια ομάδα μπορεί να κάνει τις μετρήσεις πάνω στην κούνια, ενώ οι άλλοι δουλεύουν στο έδαφος. Συνήθως δεν υπάρχει χρόνος για κάθε ομάδα να επαναλάβει τις μετρήσεις, αλλά τα δεδομένα από τις διάφορες ομάδες μπορούν να συγκριθούν. Προκαταρκτικές αξιολογήσεις μπορούν να γίνουν στο πάρκο και να συνεχιστούν πίσω στην τάξη.

Στο Mirabilandia, οι μαθητές λαμβάνουν ένα βιβλίο εργασίας για να το συμπληρώσουν. Τμήμα του έχει μεταφραστεί στα Αγγλικά και είναι διαθέσιμο για να το κατεβάσετε από το διαδίκτυοw3.

Τρενάκια του λούνα παρκ

Στο έδαφος

Οι κάθετοι βρόχοι στα
τρενάκια του λούνα παρκ
ακολουθούν την πορεία μια
κλωθοειδούς καμπύλης

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Giovanni Pezzi
και Alessandro Foschi

Σχεδιάστε μια πρόχειρη δισδιάστατη κατατομή ύψους για το τρενάκι του λούνα παρκ και συζητείστε τις μετατροπές της ενέργειας κατά την διαδρομή, ειδικά στην πρώτη κάθοδο και στους κάθετους βρόχους.

Όταν το τρενάκι βρίσκεται στην κορυφή, πριν την πρώτη κάθοδο, η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι στο μέγιστό της˙ κατά την κάθοδο, που συχνά έχει παραβολική τροχιά όπου οι επιβάτες μπορούν να βιώσουν την έλλειψη βαρύτητας για μερικά δευτερόλεπτα (σε μια ιδανική περίπτωση χωρίς τριβή, η κάθετη συνιστώσα της κίνησης αυξάνει με την σταθερά της επιτάχυνσης g λόγω της βαρύτητας όπως στην ελεύθερη πτώση), αυτή μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια.

Χρησιμοποιείστε κάθετους βρόχους για να συζητήσετε για τον ρόλο της βαρύτητας σε αντιπαράθεση με την κεντρομόλο δύναμη. Οι βρόχοι είναι σε σχήμα σταγόνας, ακολουθώντας την πορεία μιας κλωθοειδούς καμπύλης, στην οποία η ακτίνα της καμπυλότητας είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης από το κέντρο, μειώνοντας έτσι τις κεντρομόλες επιταχύνσεις που επικρατούν στον βρόχο για να τον κάνουν πιο άνετο για τους επιβάτες.

Μπορείτε να υπολογίσετε
την στιγμιαία ταχύτητα που
έχει το τρενάκι του λούνα
παρκ από τον χρόνο που του
παίρνει για να περάσει από
ένα συγκεκριμένο σημείο
στην διαδρομή (δείτε το
βέλος), και την μέση
ταχύτητά του σε ένα τμήμα
της διαδρομής (π.χ. μεταξύ Α
και Β)

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Giovanni Pezzi

Μπορείτε να εκτιμήσετε πόσο γρήγορα κινείται το τρενάκι του λούνα παρκ μόνο υπολογίζοντας την ταχύτητά του:

α) Υπολογίστε την στιγμιαία ταχύτητα διαιρώντας το μήκος που έχει το τρενάκι του λούνα παρκ με τον χρόνο που χρειάζεται ολόκληρο το τρενάκι να περάσει από ένα συγκεκριμένο σημείο στην διαδρομή.

β) Για να βρείτε την μέση ταχύτητα που έχει το τρενάκι σε ένα τμήμα της διαδρομής του, διαλέξτε ένα τμήμα που μπορείτε να το βλέπετε εύκολα και είναι απλό όσο αφορά το σχήμα του. Μετρήστε τον αριθμό των στρωτήρων (μπάρες/μεταλλικά κομμάτια τοποθετημένα κατά τακτικά διαστήματα ανάμεσα στις ράγες) σε αυτό το τμήμα και αφαιρέστε ένα για να έχετε τον αριθμό των διαστημάτων. Μετρήστε τον χρόνο που χρειάζεται το τρενάκι για να ταξιδέψει σε αυτό το τμήμα της διαδρομής. Για να υπολογίσετε την απόσταση που ταξίδεψε, πολλαπλασιάστε τον αριθμό των διαστημάτων με το μήκος του διαστήματος (την απόσταση ανάμεσα σε δύο μεταλλικές μπάρες). Διαιρέστε το με τον χρόνο που υπολογίσατε.

Συγκρίνετε τις στιγμιαία ταχύτητα που καταγράφηκε στο τέλος της πρώτης (πιο γρήγορης) καθόδου με την ταχύτητα που υπολογίζεται για ένα σώμα σε ελεύθερη πτώση: v = √(2 g h) όπου v: ταχύτητα, g: επιτάχυνση της βαρύτητας, h: ύψος.

Ο Giovanni (στα αριστερά)
με ένα επιταχυνσιόμετρο
ελατηρίου και ένα κύπελλο
με νερό πάνω σε έναν πύργο
πτώσης

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Giovanni Pezzi

Η καταμετρημένη ταχύτητα θα πρέπει να είναι μικρότερη, εξαιτίας της τριβής.

Πάνω στο τρενάκι του λούνα παρκ

Δώστε προσοχή στις αισθήσεις της ελαφρότητας η βαρύτητας (επιτάχυνση) που ενδέχεται να αντιμετωπίσετε σε ορισμένα τμήματα της διαδρομής. Μπορείτε να λάβετε πιο ακριβή δεδομένα με επιταχυνσιόμετρα με ελατήρια, η πιο περίπλοκα όργανα χειρόςw4. Οδηγίες για το πως να κατασκευάσετε και/η να αποκτήσετε αυτά τα όργανα και να αξιολογήσετε τα αποτελέσματα σας είναι διαθέσιμες για να τις κατεβάσετε από το τμήμα των πηγώνw3.

Πρόσφατα, έξυπνα τηλέφωνα που περιέχουν ένα επιταχυνσιόμετρο με τρεις-άξονες έχουν γίνει πιο δημοφιλή. Εφαρμογές για αυτά τα τηλέφωνα σου επιτρέπουν να σχεδιάσεις γραφικές παραστάσεις της επιτάχυνσης ως προς τον χρόνο η να μετρήσεις γωνίες κλίσης. Αυτά έχουν και λιγότερα θέματα ασφάλειας αφού μπορούν να κρατηθούν μέσα σε μια τσέπη.

Πύργοι πτώσης

Όταν επιταχύνετε προς τα
κάτω με περισσότερη
επιτάχυνση από αυτήν που
οφείλεται στην βαρύτητα, το
επίπεδο του νερού στο
κύπελλο θα ανεβεί

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Mirabilandia

Οι πύργοι πτώσεις είναι κατακόρυφες διαδρομές πάνω και κάτω που κάνουν οι επιβάτες, ενώ κάθονται σε μια γόνδολα/λέμβο. Σε ένα είδος, η γόνδολα ρίχνεται σε ελεύθερη πτώση˙ σε ένα άλλο, σπρώχνεται κάτω η πάνω με μια δύναμη μεγαλύτερη από αυτή της βαρύτητας.

Από το έδαφος, μπορείτε να υπολογίσετε την μέση ταχύτητα της γόνδολας χρονομετρώντας την πτώση της με ένα χρονόμετρο και διαιρώντας την με το ύψος του πύργου. Αυτή μπορεί να συγκριθεί με την στιγμιαία ταχύτητα ενός σώματος σε ελεύθερη πτώση. Για να μετρήσετε το ύψος του πύργου, χρησιμοποιείστε ένα μοιρογνωμόνιο και βασική τριγωνομετρία η γεωμετρία. Λεπτομερείς οδηγίες είναι διαθέσιμες για να τις κατεβάσετε από το τμήμα των πηγώνw3.

Για να εξετάσετε τα
αποτελέσματα της
επιτάχυνσης προς τα κάτω,
μπορείτε επίσης να
χρησιμοποιήσετε μια μικρή
μπάλα δεμένη στον καρπό
σας

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Giovanni Pezzi

Κατά την διάρκεια της βόλτας, μπορεί να αισθανθείτε την επιτάχυνση στο σώμα σας και να την μετρήσετε με φορητά ηλεκτρονικά όργαναw4.

Στους πύργους όπου η γόνδολα σπρώχνεται προς τα κάτω, η επιτάχυνση μπορεί και να τριπλασιαστεί λόγω της βαρύτητας.

Αν πάρετε ένα πλαστικό κύπελλο γεμάτο νερό μαζί σας, μπορείτε να το παρατηρήσετε σε ελεύθερη πτώση, το νερό θα παραμείνει μέσα στο κύπελλο, αλλά αν η γόνδολα σπρωχτεί προς τα κάτω αντί απλώς να πέσει, το επίπεδο του νερού στο κύπελλο θα ανέβει. Εναλλακτικά, μπορείτε να δέσετε μια μικρή λαστιχένια μπάλα στον καρπό σας (τρυπήστε την μπάλα για να συνδέσετε τον σπάγγο) και βάλτε την στην παλάμη σας.

Η ρόδα του λούνα παρκ

Μια ρόδα του λούνα παρκ
είναι μια χρήσιμη σκηνή για
πειράματα φυσικής, ειδικά
για μικρότερους μαθητές

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Giovanni Pezzi

Οι ακόλουθες δραστηριότητες είναι κατάλληλες για μικρότερους μαθητές, ηλικίας 11-14. Θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με τις έννοιες της ταχύτητας και της ατμοσφαιρικής πίεσης, θα μάθουν για την ομαλή κυκλική κίνηση (χρόνος, ταχύτητα, συχνότητα) και θα εφαρμόσουν την γνώση τους για την ατμοσφαιρική πίεση. Είτε από το έδαφος η κατά την διάρκεια της βόλτας, μετρήστε και σημειώστε τον χρόνο μετά από ένα τέταρτο της στροφής, μισή στροφή, τρία τέταρτα της στροφής και μια πλήρη στροφή της ρόδας.

Αλλαγές στην ατμοσφαιρική
πίεση κατά την διάρκεια της
βόλτας με την ρόδα του
λούνα παρκ. Κάντε κλικ στην
εικόνα για μεγέθυνση

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Giovanni Pezzi

Οι μαθητές θα πρέπει να βρουν ότι ο χρόνος που χρειάζεται για κάθε τέταρτο της στροφής είναι παραπλήσιος, και επομένως η κίνηση της ρόδας είναι ομαλή και η ταχύτητα σταθερή.

Υπολογίστε το μήκος της διαδρομής της γόνδολας (από την ακτίνα της ρόδας), την μέση ταχύτητά της, και σαν μαθηματική άσκηση που εφαρμόζεται στον πραγματικό κόσμο, την γωνία στο κέντρο της ρόδας ανάμεσα σε δύο ράβδους που συνδέουν δύο γειτονικές γόνδολες στο κέντρο (διαιρέστε 360° με των αριθμό των γόνδολων).

Μπορείτε να προσδιορίσετε το ύψος της ρόδας με τον ίδιο τρόπο όπως και στον πύργο πτώσης (δείτε πιο πάνω) η χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά βαρόμετρα για να προσδιορίσετε την αλλαγή στην ατμοσφαιρική πίεση κατά την διάρκεια της βόλτας.

Κάθε αλλαγή της πίεσης κατά 0.1 kPa αντιστοιχεί σε περίπου 8 μέτρα αλλαγής του ύψους. Μια πιο ακριβής περιγραφή της σχέσης ανάμεσα στη πίεση και το ύψος είναι διαθέσιμη στο διαδίκτυοw5. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα και συζητήστε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε μεθόδου (ακρίβεια, όργανα, χρόνος και προσπάθεια που απαιτείται).

Ένα καρουζέλ
Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Giovanni Pezzi

Καρουζέλ (η στροβιλοδρόμιο, η τα αλογάκια που στροβιλίζονται μηχανικά)

Το καρουζέλ είναι το τέλειο περιβάλλον για να μελετήσετε το εκκρεμές του Foucault και το αποτέλεσμα Coriolis. Οι μαθητές θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με την κίνηση του εκκρεμούς, τους νόμους της κίνησης, την βαρύτητα, τις κεντρομόλο/φυγόκεντρο δυνάμεις, και την περιστροφή. Λεπτομέρειες για το πως να εκτελέσετε αυτά τα πειράματα είναι διαθέσιμες για να τις κατεβάσετε από το διαδίκτυοw3.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Για να μάθετε περισσότερα για το Mirabilandia, δείτε το: www.mirabilandia.it
    • Στις αρχές του Σεπτεμβρίου κάθε έτους, το Mirabilandia παρουσιάζει τις εκπαιδευτικές του περιηγήσεις κατά την διάρκεια μιας ημέρας γνωριμίας για τους εκπαιδευτικούς. Δείτε: www.mirabilandia.it/#/scuole

  • w2 – Για πρόσβαση στην Βάση των Δεδομένων για τα τρενάκια του λούνα παρκ, δείτε το: www.rcdb.com
  • w3 – Για οδηγίες για το πως να μετρήσετε τα ύψη χρησιμοποιώντας τριγωνομετρία και γεωμετρία˙ μελετώντας το εκκρεμές του Foucault και το αποτέλεσμα Coriolis με την βοήθεια του καρουζέλ˙ και λεπτομέρειες για το πως να κατασκευάσετε το δικό σας επιταχυνσιόμετρο ελατηρίου η κιτ (σύνολο εργαλείων) συλλογής δεδομένων, δείτε τον φάκελο που μπορείτε να κατεβάσετε από το διαδίκτυο: PDF η Word® μορφή
    • Για μια ελληνική μετάφραση τμήματος του μαθητικού βιβλίου εργασίας του Mirabilandia, δείτε τον φάκελο που μπορείτε να κατεβάσετε: PDF η Word® format.

  • w4 – Οι Αμερικανικές εταιρείες Vernier και Pasco προσφέρουν αποκλειστικά ειδικά όργανα για την χρήση σε πάρκα διασκέδασης, που έχουν και πλήρη σειρά οδηγιών και δραστηριοτήτων. Δείτε:
  • w5 – Για μια σχέση ανάμεσα στην ατμοσφαιρική πίεση και το ύψος, δείτε την ιστοσελίδα του τμήματος της ατμοσφαιρικής χημείας του Max Planck Institute for Chemistry στο Mainz, Γερμανία (www.atmosphere.mpg.de) η χρησιμοποιήστε τον σύνδεσμο: http://tinyurl.com/pressure-altitude

 

Resources

  • Για μια λεπτομερή αναφορά του προγράμματος στα Ιταλικά δείτε: http://kidslink.bo.cnr.it/irrsaeer/borsric02/fisica.zip
  • Παρόμοιες δραστηριότητες με του Mirabilandia συμβαίνουν και στο Liseberg Park στο Göteborg, Σουηδία, με επικεφαλή την φυσικό Ann-Marie Pendrill. Για περισσότερες πληροφορίες (στα Αγγλικά και Σουηδικά), δείτε: http://physics.gu.se/LISEBERG
  • Το Parque de Atracciones Madrid στην Ισπανία προσφέρει τα εγχειρίδια φυσικής και διδασκαλίας (στα Ισπανικά) για να τα κατεβάσετε από το διαδίκτυο. Δείτε: www.parquedeatracciones.es/aulas-fisica
  • Στην Αμερική, οι ημέρες φυσικής για σχολεία στα πάρκα διασκέδασης, συμπεριλαμβανομένων και διαγωνισμών σχεδιασμού για τρενάκι του λούνα παρκ και φύλλα εργασίας, είναι μια συνηθισμένη έννοια. Δείτε:
  • Για έναν διαδραστικό οδηγό για την φυσική των συνηθισμένων θεαμάτων των πάρκων διασκέδασης και για μια δραστηριότητα για να σχεδιάσετε το δικό σας τρενάκι του λούνα παρκ, δείτε:www.learner.org/interactives/parkphysics
  • Για περισσότερη έμπνευση, δείτε:
    • Alberghi S et al. (2007) Is it more thrilling to ride at the front or the back of a roller coaster? The Physics Teacher 45(9): 536-541. The article is freely available online.

    • Bakken C (2011) Amusement Park Physics. College Park, MD, USA: American Association of Physics Teachers. ISBN: 9781931024129

    • Unterman NA (2001) Amusement Park Physics: A Teacher’s Guide. Portland, ME, USA: J Weston Walch. ISBN: 9780825142642

  • Για να μάθετε περισσότερα για τα τρενάκια του λούνα παρκ, δείτε: http://tlc.howstuffworks.com/family/roller-coaster.htm

Author(s)

Πριν την συνταξιοδότηση, ο Giovanni Pezzi δίδασκε φυσική σε γυμνάσια στην Ιταλία και ήταν επόπτης στο μεταπτυχιακό σχολείο της κατάρτισης των εκπαιδευτικών του Πανεπιστημίου της Μπολόνια. Έχει γράψει αρκετά άρθρα για την διδασκαλία της φυσικής σε εκπαιδευτικά περιοδικά, και έχει συμβάλλει σε εγχειρίδια φυσικής και πληροφορικής. Παρουσιάζει εργαστήρια και διαλέξεις σχετικά με την ενημέρωση των μεθόδων διδασκαλίας και σχεδίασε και ανέπτυξε δραστηριότητες μαθηματικών και φυσικής για την έναρξη του προγράμματος Mirabilandia.


Review

Αυτοί οι Ιταλοί εκπαιδευτικοί έχουν βρει σίγουρα έναν καινοτόμο και εντυπωσιακό τρόπο για να διδάξουν την φυσική έξω από την τάξη. Σε αυτό το χρήσιμο άρθρο, οι δραστηριότητες εξηγούνται με σαφήνεια, κάνοντας τες εύκολο να αναπαραχθούν. Το γνωστικό υπόβαθρο που απαιτείται για να διεξαχθούν οι δραστηριότητες μπορεί εύκολα να αντιμετωπιστεί κατά την διάρκεια των κανονικών μαθημάτων˙ αφιερώστε λίγο χρόνο για την προετοιμασία των οργάνων και των βιβλίων εργασίας.

Αυτό το άρθρο επίσης ρίχνει φως στην ασφάλεια στα πάρκα διασκέδασης, η οποία χρειάζεται προσεκτικό σχεδιασμό. Ίσως θα μπορούσατε να δοκιμάσετε τις ικανότητες σας ως μηχανικού κατασκευάζοντας το δικό σας εικονικό τρενάκι του λούνα παρκ (χρησιμοποιώντας το www.learner.org/interactives/parkphysics) και να το εξετάσετε για ασφάλεια. Αυτό το άρθρο επίσης συνδέεται με διάφορες άλλες χρήσιμες ιστοσελίδες.

Για τους νεότερους μαθητές (ηλικίας 13-16), το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να διδάξει την ευθύγραμμη κίνηση˙ την ταχύτητα και επιτάχυνση˙ τους τρεις νόμους της κίνησης˙ την βαρύτητα˙ και τις μετατροπές της ενέργειας. Μαθητές ηλικίας 16+ θα μπορούσαν να εξετάσουν αυτά τα θέματα με περισσότερες λεπτομέρειες, μαζί με την κυκλική κίνηση, κεντρομόλο και φυγόκεντρο δυνάμεις. [ Σημειώστε ότι ο συγγραφέας πρότεινε να διεξαχθούν οι δραστηριότητες με ηλικίες 15 ως 19.]


Catherine Cutajar, Μάλτα




License

CC-BY-NC-SA