Ingeniería de alto vuelo Teach article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Diseñar un planeador les permite a los estudiantes investigar las fuerzas que actúan sobre el planeador, y los ayuda a comprender cómo es ser un ingeniero.

Mary y Michael tienen buenas ideas, pero les resulta difícil implementarlas. Necesitan la ayuda de tu clase para hacer volar un planeador en línea recta desde una ventana hasta otra.

Durante aproximadamente tres horas y media, los estudiantes (de entre 9 y 12 años) trabajarán juntos en pequeños grupos para explorar las fuerzas que permiten que las máquinas pesadas —como los planeadores— puedan volar, averiguarán cuáles son los materiales apropiados para el diseño, y luego diseñarán y pondrán a prueba los planeadores que han hecho ellos mismos.

El desafío de diseñar aviones de papel como un ingeniero

Materiales

  • Pegamento
  • Cinta de enmascarar (cinta adhesiva protectora)
  • Sujetapapeles
  • Arcilla para modelar
  • Cordel
  • Tijeras
  • Cinta métrica
  • Cuerda para jugar al tira y afloja

Para construir el lanzador:

  • Cartón grueso
  • Elástico

Para construir el planeador:

  • Plantilla estándar de fuselajew1
  • Pajitas (tubos delgados para sorber refrescos o usar en manualidades)
  • Palos de helado
  • Papel bien enrollado, puede ser papel común o de periódico
  • Papel de calcar
  • Periódicos
  • Bolsas plásticas de poco espesor
  • Tela de poco espesor

Puede descargar información adicional, instrucciones e imágenes de la sección de materiales adicionales.

Procedimiento

Antes de la clase, el docente debe:

  • Construir uno o más lanzadores (véanse las instrucciones en líneaw1) para probar los planeadores.
  • Preparar suficientes fuselajes para toda la clase (véanse las instrucciones en líneaw1).
  • Preparar un par de zonas de prueba en el piso, para lo cual debe marcar con cinta de enmascarar una línea de lanzamiento y una línea perpendicular de 3 m.

Correo electrónico de Mary

De: michaelandmary@monotreme.co.uk

Para: Pegasusyr5

Asunto: Por favor ayúdennos

Archivo adjunto: Imagen de nuestra calle.jpg

__________________________________

Querida clase de quinto grado,

¡Por favor ayúdennos!

El director nos comentó que ustedes tal vez podrían ayudarnos con un problema que necesitamos resolver.

Mi nombre es Mary y la ventana de mi habitación está frente a la ventana de mi mejor amigo Michael. Nos pareció que sería divertido construir un planeador que pueda volar desde mi ventana a la de Michael (y que luego él pueda enviarme de vuelta). De esa manera, podríamos enviarnos mensajes y, si logramos construir el planeador lo suficientemente bien, también podríamos enviarnos pequeños regalos.

¿Pueden ayudarnos? Tendrían que averiguar información sobre planeadores y enviarnos instrucciones que expliquen cómo construir un planeador que vuele bien. Adjunté una imagen de nuestras casas, tal vez los ayude.

Gracias por ayudarnos,

Mary

Imágenes de mi casa y la de Michael (izquierda): a) mi casa, b) la casa de Michael, c) La distancia entre nuestras casas es de 3 m. La ventana de Michael está exactamente frente a la mía y es del mismo tamaño (1 m x 1 m)
Imagen cortesía de Science Oxford
  1. Establezca el contexto del desafío mostrándoles a los estudiantes el correo electrónico de Mary y la foto de las casas de los amigos (véase el recuadro). Las ventanas de sus habitaciones (de 1 m x 1 m) están enfrentadas y se ubican a 3 m de distancia entre sí. Esto determina las especificaciones de diseño correspondientes al problema: los estudiantes deben construir un planeador que vuele por lo menos 3 m entre dos puntos que se encuentran a la misma altura.
  2.  Hable con sus estudiantes sobre las especificaciones más importantes del desafío. Durante cinco minutos, los estudiantes, en pequeños grupos, deben hacer una lista de lo que tiene que hacer el planeador para superar el desafío que Mary and Michael han propuesto (p. ej. la distancia de vuelo, la línea de vuelo y el peso que se debe transportar). También deben tener en cuenta que deberían construir el planeador con materiales cotidianos para que Michael and Mary lo puedan realizar.
  3. Hable con sus estudiantes sobre los planeadores en detalle. Muéstreles imágenes de aviones y planeadoresw1 y pídales que hablen sobre las diferencias que observan y de cómo piensan que se realiza el lanzamiento. Muéstreles un video en Youtubew2 del lanzamiento de un planeador.
  4. Dedique cinco minutos a hablar sobre las diferentes partes de un planeador (p. ej. cabina, fuselaje, alas y cola), y sobre la función que cumple cada partew1.
  5. Investigue las fuerzas que actúan sobre un planeador con las siguientes actividades (de aproximadamente 20 minutos cada una):
    1. Use la cuerda para simular un juego de tira y afloje y así mostrar el equilibrio de fuerzas que se necesitan para mantener la cuerda estática. Es importante que los estudiantes comprendan que la cuerda se mueve en dirección de la mayor fuerza aplicada, y que las fuerzas de igual magnitud que actúan en direcciones opuestas se cancelan entre sí.
    2. Tome un avión de papel y hable sobre la influencia de la gravedad (¿qué pasa cuando se deja caer al avión sin tirarlo?) y de las fuerzas de sustentación y de peso (¿cómo se llama la fuerza que impulsa a un avión hacia arriba? ¿Qué hay que hacer para que el planeador vuele?).
  6. Investigue las propiedades materiales de las alas. Mire detenidamente imágenes de varios aviones y hable de las características más importantes de las alas: la estructura debe ser liviana y rígida, y la cubierta debe ser lo más liviana posible.
  7. Investigue cómo se puede modificar la rigidez de los materiales, como por ejemplo la del papel: tome cinco hojas de papel, deje la primera intacta y doble las otras de las siguientes maneras: una en forma de triángulo, otra de tubo, otra como una W, y otra con la forma de su agrado. Luego lleve a cabo estos dos breves experimentosw1:
    1. Ponga las hojas de papel dobladas sobre una mesa y desplácelas hacia el borde hasta que más de la mitad de cada forma de papel sobresalga por fuera del borde de la mesa (probablemente deba sostener el otro extremo de las formas para que no se caigan). Los estudiantes observarán que algunas formas de papel no se doblan porque son más rígidas, a pesar de que todas están hechas del mismo material.
    2. Desplace las formas de papel al centro de la mesa. ¿Se sostienen por sí solas? ¿Qué sucede si las presiona con suavidad?
fuselages
Las instrucciones en línea le darán todos los detalles que necesita para construir el fuselaje del planeador
Imagen cortesía de Science Oxford
  1. Seleccione los mejores materiales: en función de las actividades anteriores, solicite a sus estudiantes que determinen qué materiales serían los mejores para construir la estructura y la cobertura del ala, y para unir o pegar los materiales. Recuérdeles a los estudiantes que algunos materiales pueden ser más fuertes si se le cambia su forma; por ejemplo, el papel puede ser adecuado para la estructura del ala y también para su cobertura.
  2. Comiencen a construir. Esta actividad lleva alrededor de 30 minutos.
    1. Entréguele a cada grupo de estudiantes un fuselaje.
    2. A partir de los materiales que seleccionaron, los estudiantes deberán dibujar un plano de las alas y nombrar las partes.
    3. Luego, los estudiantes deberán construir las alas y unirlas al fuselaje de cartulina.
testing wings
Pupils can be very creative when building glider wings and come up with different models.
Image courtesy of Science Oxford
  1. Pruebe el planeador y realícele mejoras; esto le llevará aproximadamente 60 minutos.
    1. Lleve los lanzadores a las zonas de prueba que había preparado y muéstreles a los estudiantes el proceso de lanzamiento.
    2. Los estudiantes deberán probar si sus diseños cumplen con las especificaciones establecidas en el paso 2. No hace falta que el diseño sea perfecto: muy pocas ideas funcionan a la perfección la primera vez, y darse cuenta qué mejorar es importante: así aprenden los ingenieros.
    3. Los estudiantes deberán encontrar los defectos de sus modelos iniciales y reflexionar sobre las causas de los defectos y cómo corregirlos. Luego de modificar las alas, deberán volver a probar sus modelos. Los problemas comunes (p. ej. que el planeador no esté debidamente equilibrado o que sea demasiado pesado) y sus soluciones se encuentran en líneaw1.
fuselages
Cómo usar el lanzador: a) Asegure aquí el elástico, b) El elástico se estira alrededor de la parte trasera del fuselaje
Imagen cortesía de Science Oxford

 

Las fuerzas que actúan en el vuelo de un planeador

Los científicos y los ingenieros llaman peso (w) a la fuerza hacia abajo ejercida por la gravedad. La fuerza de peso que actúa sobre un objeto depende de la aceleración causada por la gravedad (g) y la masa (m). Se llama masa a la cantidad de materia que posee un objeto, y se mide en gramos (o kilogramos, kg). Al hablar, usamos la palabra peso cuando en realidad nos referimos a la masa de un objeto. Algo que debe volar, como un planeador, debe ser lo más liviano posible para que la fuerza de peso, o sea el empuje hacia abajo, sea lo más pequeña posible. El peso, la masa y la gravedad figuran en la siguiente ecuación:

w = m x g

Es un principio importante para un ingeniero aeronáutico.

Los científicos y los ingenieros llaman sustentación a la fuerza que empuja hacia arriba. Las alas solamente ayudan a levantar a un planeador si se mueve lo suficientemente rápido, porque lo esencial para crear el impulso hacia arriba es el movimiento del aire por encima y por debajo de las alas del avión. Si se quiere que el planeador vuele en línea recta, las fuerzas de peso y sustentación deberán estar cuidadosamente equilibradas, igual que en la demostración del juego de tira y afloje.

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Web References

  • w1 – La planificación de la clase estuvo a cargo de Science Oxford como parte de su proyecto “Engineer” de la UE. En la planificación hay diez desafíos de diseño en varios interesantes contextos de ingeniería, y están vinculados con el plan de estudios correspondiente a ciencia, diseño y tecnología. Está disponible para descargar de la sección de materiales adicionales y del sitio web de Science Oxford.
    La planificación de la clase contiene información adicional para realizar la actividad del planeador de papel:

    • La hoja de trabajo de la página 49 tiene una plantilla estándar del fuselaje.
    • El apéndice 5 describe cómo construir el lanzador.
    • El apéndice 3 contiene imágenes de aviones y planeadores.
    • La hoja de trabajo de la página 44 describe las diferentes partes de un planeador y sus funciones.
    • La hoja de trabajo de la página 46 describe dos experimentos para investigar la rigidez de los materiales.
    • Las páginas 26-27 abarcan problemas comunes en la construcción del planeador y ofrecen algunas soluciones.
  • w2 – Aquí puede ver un video del lanzamiento de los planeadores.

Resources

  • Los aviones y los planeadores son diferentes en cuanto a que los aviones tienen motor, pero son similares en su forma y estructura. Este material de la NASA explica cómo vuelan los aviones.
  • El sitio web Phenomenal Physics también brinda una buena explicación de la física del vuelo [sitio en inglés].

Author(s)

Bridget Holligan tiene más de 20 años de experiencia en la enseñanza informal de la ciencia y en el área de participación pública. Es licenciada en Química y realizó una maestría en Comunicación Científica. Luego de trabajar tres años en el Exploratory Science Centre situado en Bristol, Reino Unido, comenzó a trabajar en Science Oxford, donde ahora se desempeña como directora de Educación y Participación. De 2011 a 2014, Science Oxford fue el socio británico de ENGINEER, un proyecto financiado por la UE cuyo objetivo es que los estudiantes de escuelas primarias logren una mejor comprensión sobre los procesos de diseño en ingeniería a través de recursos prácticos y capacitación docente.


Review

Los desafíos de ingeniería brindan variadas oportunidades de aprendizaje. Esta actividad les permite a los estudiantes convertirse en ingenieros: trabajan en equipo para solucionar problemas y emplean sus conocimientos sobre fuerzas y ciencia de materiales. A menudo los estudiantes temen cometer errores, pero la naturaleza de este desafío demuestra que realizar pruebas y mejoras es una parte crucial de la ciencia y la ingeniería. Este desafío es especialmente indicado para las clases de ciencia y de ingeniería.

Esta actividad también puede originar discusiones más amplias sobre distintos temas: “¿Cuáles creen que sean las similitudes y diferencias entre este desafío y los proyectos de ingeniería en la industria?” “¿Qué ventajas tienen los planeadores frente a los aviones a motor?”


Jeremy Carter, escuela secundaria Bradfield, Reino Unido.




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