MELLEMTRINNET PRØV KRÆFTER MED VANDET

Transkript

1 PRØV KRÆFTER MED VANDET Udviklet af Dansk Naturvidenskabsformidling i samarbejde med Danfoss Universe som et led i Dansk Naturvidenskabsfestival 2007

2

3 Indholdsfortegnelse Festivalpakken side 4-7 Prøv kræfter med vandet side 8-9 Festivalpakkens eksperimenter side 9 Opgaver med hydraulik side Prøv en tur i gravkoen side Luft eller vand i hydraulik? side Overfør bevægelser med hydraulik side Små og store stempler side 13 Byggevejledninger til hydraulik side Spøgelset i paprøret side Den hydrauliske kran side Den hydrauliske nødeknækker side Robotter i det virkelige liv side Flere opfindelser med hydraulik side 19 Links side 20 Klunselisten side 21 Materialeliste side side

4 Festivalpakker 2007 en del af Dansk Naturvidenskabsfestival 2007 I år er der udviklet tre forskellige Festivalpakker målrettet til indskoling, mellemtrin samt udskoling. Festivalpakkerne er produceret med støtte fra Undervisningsministeriets tips- og lottomidler derfor overstiger værdien af pakkernes indhold deres salgspris. Hvorfor en Festivalpakke? Ved evalueringen af Dansk Naturvidenskabsfestival 2004 var der opfordringer til at udvikle færdigstrikkede aktiviteter, der gør det let for skolerne at deltage i festivalen. Dansk Naturvidenskabsformidling tog opfordringen op med festivalpakker i 2006, der gav brugererfaringer til udvikling af Festivalpakker Kravene til udviklingen af årets pakker er formuleret i en slags dogmeregler : pakkerne må max. koste 1000 kr. excl. moms og forsendelse, pakkerne skal indeholde såvel forbrugs- som varige materialer, pakkerne skal indeholde aha-dimser, der skaber sammenhæng mellem naturfag og dagligliv, pakkerne skal trække klassen ud af klasseværelset og gerne ud af skolen, forsøgene skal kunne laves af flere klasser sammen, forsøgene skal være hands on, aktiverende og spektakulære/fotogene/formidlingsegnede, forsøgene skal kunne gennemføres unplugged af el- og vandforsyning, forsøgene skal kunne gentages, og forbrugsmaterialer skal være lette at få fat i. Indhold De færdige Festivalpakker består af en plastboks med materialer til forsøg for grupper af elever på op til 28. Forbrugsmaterialer til forsøgene er dimensioneret, så forsøgene kan gentages seks gange. Alle pakker indeholder festivalbanner, LifeStraw og 5 Aha-dimser. Desuden er en trykt lærervejledning med to CD er med henholdsvis festivalsang og tekster samt simple video-vejledninger indlagt. Festivalsangen kan med fordel benyttes som morgensang alle ugens dage, så eleverne kan den udenad, hvis den fx skal bruges som fællessang til skolens arrangementer i forbindelse med festivalaktiviteterne. Vi anbefaler dig at læse introbrev i mappen Til_Laereren på tekst-cd en. NB. Alle forsøgene er afprøvet med elever vær alligevel opmærksom forsøgene er på eget ansvar. Hvem står bag? Dansk Naturvidenskabsformidling har udviklet Festivalpakkerne i samarbejde med Danfoss Universe, som har leveret det faglige indhold, herunder vejledninger til forsøgene. Ved udviklingen har Skolekonsulent Steen Petersen, Danfoss Universe, haft en referencegruppe af følgende naturfagslærere: Tina Bach Kristiansen, Egeskovskolen, Bjerringbro Grete Sandberg Andersen, Muldbjergskolen, Hjørring Simon Hempel-Jørgensen, Sdr. Vang Skole, Kolding Alan Proschowsky, Kingoskolen, Slangerup Ottendeklasse på Sdr. Vang Skole har sammen med Simon Hempel-Jørgensen lavet de små videovejledninger til mellemtrinsog udskolingspakkerne. Aha-dimserne er venligst sponsoreret til lejligheden af Danfoss A/S, DANVA (Dansk Vand og Spildevandsforening), FVD (Foreningen af Vandværker i Danmark), Grundfos A/S, PVC-Informationsrådet og WAVIN A/S, mens Alan Prochowsky har udviklet det tilhørende koncept. DAFOLO A/S har holdt styr på, at pakke de næsten smådele i de rigtige pakker. side 4

5 I Dansk Naturvidenskabsformidling har studentermedarbejderne Laura Ørsted-Rasmussen, Sanne Axelsen, Kåre Stokvad Hansen og Sarah Mortensen stået for redigering, foto, indkøb og kopiering, mens Sigrid Svane har lavet layout. Festivalpakkerne evalueres sammen med Dansk Naturvidenskabsfestival Projektlederne Pernille Vils Axelsen og Hans Colind Hansen takker på vegne af Dansk Naturvidenskabsformidling alle involverede for deres engagement og gode humør. Aha-dimser Festivalpakken indeholder fem aha-dimser, der knytter forbindelse mellem festivalens tema, Vand og is, og ting i elevernes hverdag. Aha-dimserne er: 1. filtersand (bruges på vandværker) DANVA Dansk Vand- og Spildevandsforening 2. PVC-rør (til kloakafløb) 3. skovlhjul (til cirkulationspumper i varmeanlæg) 4. stempel, krydspind og plejlstang (til køleskabskompressor) 5. vandmåler (brugt, fra parcelhus) På CD en er der for hver aha-dims et Faktaark til læreren samt Den gode historie til eleverne sidstnævnte er nummererede som ovenfor. Desuden er der en elevtekst med den fælles opgave for alle aha-dimser. Til nogle af aha-dimserne er der supplerende tekster, der evt. kan udnyttes tværfagligt. side 5

6 Pædagogisk ide bag aha-dimserne Vores hverdag er fyldt med teknologi og smarte opfindelser, men de er ofte skjult i godt design, så vi ikke er opmærksomme på dem. Vi bliver først opmærksomme på teknologien, når den ikke virker. Årets festivalpakker indeholder 5 mystiske aha-dimser fra elevernes hverdag, som fint kan komme i i spil i festivalugen. Aha-dimserne kan bruges på mange måder i undervisningen. Her er beskrevet 2 eksempler: 1) Til de store elever kan man pakke udforskningen af aha-dimserne ind i et spil-design, da spil ofte motiverer eleverne. Det gælder om at nå det bedste resultat på den afsatte tid. Der konkurreres på: Informationsøgning Funktionsbeskrivelse Perspektivering Kreativitet Formidling Klassen deles i 5 grupper - en gruppe pr. aha-dims. Spillet starter med, at eleverne får udleveret en aha-dims og elevsiden med spilleregler. Nu skal eleverne i gang med at undersøge aha-dimsen: Hvad er det? Hvem har produceret den? Hvordan virker den? Hvor anvendes den? Hvilken relation har den til vandets kredsløb? Eleverne har fra start 1000 point og kan så købe viden hos deres lærer eller forsøge at finde den selv. Når eleverne har skaffet sig tilstrækkelig viden om aha-dimsen, skal deres indsigt formidles i et produkt. Som optakt til udviklingen af produktet får eleverne udleveret Den gode historie. Den gode historie indeholder nye synsvinkler på aha-dimsen og kan på den måde bidrage til, at produktet bliver interessant og seværdigt for andre elever på skolen. For at udfordre elevernes kreativitet og inspirere dem til at tænke tredimensionelt skal produktet kunne stå alene, og man skal kunne gå rundt om det. Eleverne har mulighed for at få bonuspoint, hvis de også laver en opfindelse, hvor aha-dimsen er i funktion. (LifeStraw-produktet i Festivalpakkerne er et eksempel på en opfindelse en innovation, hvor målrettet kreativitet er blevet til en brugbar løsning i praksis. På CD en i mappen Tværfaglig er der tekst om LifeStraw). Antallet af point for informationssøgning og funktionsbeskrivelse fremgår af elevteksten (findes på CD en). Øvrige point tildeles af læreren. Det er vigtigt at tilpasse spillet til alderstrinet og klassens faglige niveau. Da læreren er spilleder, kan læreren styre spillet både i tid og fordybelse ved at frigive flere eller færre af de informationer, han sidder inde med. Det beskrevne forløb bør have en varighed på mindst 4 lektioner med adgang til computer og helst også værksteder, så udviklingen af produkter og opfindelser får optimale muligheder. 2) For de mindre elever i skolen vil det nok være mere motiverende at begynde med fortællingen af Den gode historie, så de får indsigt i historien og udviklingen af aha-dimsen. Herefter kan eleverne vælge at lave en formidling af indholdet i Den gode historie eller lave en opfindelse, der anvender aha-dimsen i praksis. Den gode historie er skrevet af leverandørerne af ahadimserne og varierer både i længde og sværhedsgrad. Der er 5 aha-dimser, så man kan vælge at arbejde med en ny aha-dims hver dag, eller man kan lave 5 grupper i klassen, der arbejder med hver deres aha-dims. side 6

7 Temaet for Naturvidenskabsfestival 2007 er vand og is Vand er liv Vi bruger vand til utrolig mange ting. Vand er så almindeligt, at vi næsten ikke lægger mærke til det og så almindeligt, at vi næsten glemmer, at det er der. Og alligevel er vand et af de mest mærkelige stoffer, der kendes. Vand er fascinerende, forunderligt og kan til tider være dybt mærkværdigt. Vand er en af de vigtigste forudsætninger for livet, og det indgår i mytologien gennem offermoser og hellige kilder. Det har forundret mennesket i tusindvis af år. Vand har nogle egenskaber, som er vidt forskellige fra alle andre kendte stoffer i verden. Vand har en stærk overfladespænding og kan bære andre stoffer, der vejer meget mere end vandet selv. Vand er det eneste stof i vores hverdag, som vi møder i 3 forskellige former - fast, flydende og fordampet. En af de største tænkere fra oldtidens Grækenland var Thales fra Milet. Han blev født i 600-tallet før Kristi fødsel. Thales troede, at alt bestod af vand, og han kendte vandet i dets 3 former. Thales opdagede, at alt det, der fandtes i naturen enten var i fast, flydende eller i luftform, ligesom vandet. Han forstod, at vandet var af afgørende betydning for alt levende på Jorden og kaldte derfor vandet for urstoffet. I mange hundrede år troede man, at vand sammen med luft, ild og jord var en af naturens 4 grundelementer. Men denne forestilling holdt kun indtil forskere i 1700-tallet begyndte at interessere sig for naturens byggesten. En naturvidenskabelig revolution fulgte med den franske kemiker Antoine-Laurant Lavoisier, da han i 1770 erne opdagede, at vand ikke var et elementært stof, men en kemisk forbindelse mellem to forskellige grundstoffer. Vand er stadigvæk et betydeligt udgangspunkt for forskningen. Der forskes i vandets kemiske og fysiske egenskaber, vandets betydning for liv, vandet i undergrunden, i havene, i gletschere, i luften, på andre planeter og i universet. I forordet til bogen Viden om vand lyder det: Der er vand i alt! Vi finder vand fra Jordens indre til det ydre rum. Vand er afgørende for opbygningen af de mindste atomare og molekylære byggesten, og vand er afgørende for al biologisk aktivitet. Med andre ord spiller vand en helt afgørende rolle for livets opståen og opretholdelse. Citat: Viden om vand, Aarhus Universitetsforlag, I Danmark er vi omgivet af vand til næsten alle sider. I gamle dage sagde man, at vandet bandt og mente, at transportveje hovedsagligt gik over vandet. Ved at studere et landkort ser man, at alle gamle danske handelsbyer har en havn eller ligger tæt ved vand. Vand er livsnødvendigt, og hellige kilder, kurbade og helse med kildevand betyder stadigvæk meget for mange mennesker. Polarår og bjerge af is Årets tema er bl.a. valgt, fordi det i 2007 er internationalt Polarår. Det Internationale Polarår (IPY), 1. marts 2007 til 1. marts 2009, er den fjerde periode for videnskabelig forskning i polarområderne, Arktis og Antarktis, hvor tidligere polarår blev gennemført i , og IPY er organiseret af Den Internationale Forskningsunion (International Council for Science (ICSU)) og Verdens Meteorologiske Organisation (World Meteorological Organization (WMO)). I det nuværende/ kommende polarår, , forventes, at over 200 projekter vil blive behandlet og gennemført af flere tusinde forskere og videnskabsmænd fra over 60 lande. I forbindelse med Polaråret forskes der bl.a. i isbjerge. Is er frossent vand, så hvorfor er is lettere end vand? Og hvorfor flyder isbjergene? Forklaringen er simpel: Vand er tungest og har højest vægtfylde ved +4 C. Én liter rent ferskvand vejer vejer 1000 g. Ved koldere temperaturer udvider vandet sig og får lavere vægtfylde, indtil det ved 0 C fryser. Én liter ren is vejer 917 g. Gletscheris indeholder små luftbobler, så derfor vejer én liter gletscheris ca. 900 g. Isbjerge flyder rundt i havvand, som er koldt og desuden saltholdigt, så derfor vejer én liter 1025 g. Forskellen i vægtfylde mellem isbjerg og havvand er derfor 900/1025 = 0,87. Det vil sige, at 87 % af et regelmæssigt formet isbjerg er under vandet og kun 13 % over vandet. Som tommelfingerregel er 7/8 af et flydende isbjerg altså synligt. De største isbjerge fra Diskobugten i Grønland vejer ca. 30 millioner tons, mens det største isbjerg målt på den nordlige halvkugle blev skønnet til at veje mere end 9 milliarder tons. Det svarer til 4 liter drikkevand til hvert menneske på Jorden hver dag i et år. side 7

8 Prøv kræfter med vandet Festivalpakkerne 2007 lægger op til, at elevernes egne undersøgelser, iagttagelser og eksperimenter kan danne udgangspunkt for undervisningen. I festivalugen er der fokus på elevernes nysgerrighed, arbejdsglæde og udforskning, som skal have plads og tid til at udvikle sig. Festivalpakken til klassetrin er bygget op omkring en masse eksperimenter med hydraulik. Pakken består af konkrete materialer og en vejledning til mange spændende bygge opgaver. Det handler om, hvad vi kan bruge vandet til i vores hverdag. Vand, plastiksprøjter og slanger Med udgangspunkt i disse enkle byggematerialer kan eleverne bygge deres egne bevægelige hydraulikmodeller. Udgangspunktet er principperne i hydraulik, hvor to forbundne stempler med forskellig diameter udveksler og flytter tryk og bevægelsesenergi fra et sted til et andet sted. Hydraulik Hydraulik bruges mange steder i hverdagen: gravemaskiner, kraner, trucks, biler, elevatorer og mange andre steder. Hydraulik bygger på, at væsker ikke kan presses sammen. Man kan derfor overføre energi fra et sted til et andet ved at sætte tryk på en væske. Der gives i denne vejledning en let teoretisk baggrund for hydraulik, et indblik i industriens brug af hydraulik og en række øvelsesvejledninger fører frem til elevernes konstruktion af egne robotter og opfindelser. Trin og slutmål Arbejdet med denne festivalpakke knytter an til nogle af målene for natur/teknik. planlægge og gennemføre enkle undersøgelser og eksperimenter af mere systematisk karakter designe og bygge apparater og modeller efter egne ideer og redegøre for form, funktion og hensigt, give eksempler på, hvordan ændring i anvendelse af teknologi har indvirket på planter, dyr og menneskers levevilkår, herunder transport og landbrug. Lærervejledning Lærervejledningen indeholder opgaver, byggevejledninger, links, baggrundsviden, materialeliste, et forslag til en klunseliste samt ideer til flere eksperimenter. Hydraulik - en moderne kraftoverføring For at kunne forstå princippet bag hydraulik, er det nødvendigt at forstå de grundlæggende bestanddele i hydraulikken og interessant at vide, hvor i hverdagen vi kan støde på de hydrauliske systemer. I denne Festivalpakke vil principperne bag hydraulik blive præsenteret. Med tekster, billeder og eksperimenter finder du ud af, hvordan hydraulik virker. Formålet med opgaverne og byggevejledningerne er at stille åbne og autentiske opgaver, som kan udfordre eleverne til at finde og opfinde egne løsninger. Autentiske spørgsmål og opgaver har ikke på forhånd givne svar. De autentiske opgaver bygger netop på, at læreren ikke sidder inde med svaret. Læreren kan stille spørgsmål, undre sig og undersøge sammen med eleverne. Det giver eleverne mulighed for at komme med deres egne ideer og indlæg. Saml og byg videre på elevernes indlæg og ideer. side 8

9 Opgavearkene og byggevejledningerne er sammensat af følgende punkter: Værd at vide, inden du begynder: Hvis der er noget, der er nødvendigt at vide, inden eksperimentet kan udføres, vil det være at finde under dette punkt. Fx at det kræver lidt fingerkræfter at sætte plastslanger og sprøjter sammen. Materialeliste: Listen er delt op i Klassens egne materialer, Materialer i Festivalpakken (fornybare og blivende) og Andre materialer. Sådan gør du: Dette er selve opskriften på, hvordan eksperimentet skal udføres. Undrespørgsmål: I nogle tilfælde vil der også være undrespørgsmål knyttet til eksperimentet. Disse er tænkt til at vække ekstra undren og nysgerrighed hos eleverne. Forklaring: Alle eksperimenter afsluttes med en forklaring af, hvad der skete. Ekstraopgaver: Nogle eksperimenter vil bliver efterfulgt af ekstra opgaver, der knytter sig til det foregående eksperiment. Disse opgaver vil ikke være beskrevet lige så udførligt som de andre, men er tænkt som ekstra inspiration, hvis nysgerrigheden ikke er blevet udfordret nok i det foregående eksperiment. I to af eksperimenterne vil det være muligt at finde små videovejledninger på den vedlagte cd. Disse eksperimenter er markeret med et lille billede af et videokamera. Til opgaverne skal der bruges en del forskelligt værktøj og materialer. En stor del af grundelementerne findes i Festivalpakken. Det anbefales at bruge skolens sløjdlokale eller at arbejde udenfor. Se i øvrigt forslaget til klunselisten bagest i lærervejledningen. Eksperimentér med vandets kræfter Maskiner og robotter kan løfte og flytte tunge ting, bevæge sig og løse praktiske problemer. En bremse i en bil skal bremse på alle 4 hjul, når der trykkes på bremsen. En donkraft skal løfte tunge biler på et bilværksted. Skovlen på en gravemaskine kan styres med et joystick fra førerhuset. Men hvordan kan de små bevægelser med joysticket få en gravemaskines skovl til at løfte 100 kg sand? Hydraulik! Alt sammen kan lade sig gøre ved hjælp af hydraulik. Den grundlæggende bestanddel i hydraulik er en væske i et rør. Normalt kan en væske betragtes som usammentrykkelig. Det betyder, at man ikke kan trykke en væske sammen. Det vil sige, at en fast stangforbindelse kan erstattes af et rør med en væske i. Trykker man på væsken ét sted, vil bevægelsen foregå gennem hele væsken til den anden ende af røret. Hydraulik erstatter mange steder tidligere anvendte mekaniske kraftoverførsler som tandhjul, remtræk, kardanaksler mm. side 9

10 Opgaver med hydraulik 1. Prøv en tur i gravkoen Værd at vide, inden du begynder Du har sikkert set en gravemaskine før. Men hvordan virker den? Det skal du senere undersøge ved at lave eksperimenter og bygge modeller. Spillet på hjemmesiden giver en lille fornemmelse af, hvordan det føles at styre en gravemaskine. Du skal bruge Andre materialer Internetopkobling Sådan gør du På hjemmesiden kan du prøve en tur med gravkoen. Tryk på gravkoen på jordkloden (til venstre på skærmbilledet). Find spillet. Tryk på den røde knap, når du er parat. Men vær forsigtig! Og hav tålmodighed, det kræver øvelse. Forklaring Hemmeligheden bag kranens styrke er et samarbejde mellem mange forskellige delelementer. Grundlæggende består hydraulik af pumpe, stempel, en væske og et rør. I eksperimenterne erstatter plastiksprøjter, vand og plastikslanger disse elementer. I det følgende vil de grundlæggende elementer blive forklaret Pumpen Motoren i en gravemaskine driver en central pumpe. Pumpen sender olie ud gennem slangerne til stemplerne. På denne måde sørger pumpen for, at gravemaskinen kan løfte og sænke dens arm. Pumpen kan overføre enorme kræfter, når maskinen skal grave. Slangen Slangen, der forbinder pumpen og stemplet kaldes for en hydraulikslange. Hydraulikslanger er lavet af gummi og forstærket med flere lag af stålnet, der skal sikre, at de kan modstå det enorme tryk. Tryk måles i bar. Et tryk på 1 bar svarer til det tryk, et lod på 1 kg giver på 1 cm2. Trykket i slangerne kan være lige så højt, som det tryk et lod på 200 kg giver på 1 cm2. Olien Inde i det hydrauliske system er der olie. Olien har mange funktioner. Den overfører kræfter fra et sted til et andet sted og er med til at smøre stemplerne, og den virker også kølende, så de enkelte dele af maskinen ikke bliver overophedede og brænder varme. Ventilen For at løfte skovlen åbnes en ventil, så olien bliver pumpet ind i den nederste del af cylinderne, der så presser stemplerne op. For at sænke skovlen, vendes retningen af oliestrømmen det gøres også ved hjælp af ventilen. Nu pumpes der i stedet olie ind i den øverste del af cylinderne, der presser stemplerne ned, mens olien fjernes fra den nederste del. side 10

11 2. Luft eller vand i hydraulik? Værd at vide, inden du begynder Sprøjterne på 10 ml og 20 ml og slangerne Ø3/5 passer fint sammen. Men der skal bruges en del fingerkræfter på at skubbe slangen ind over sprøjtens studs. Ved at bearbejde slangeenderne med fingrene kan de blødgøres, hvilket gør koblingen nemmere. Eksperimentet skal vise, at vand ikke kan presses sammen. Start evt. med at vise forskellen mellem luft og vands sammentrykkelighed med en cykelpumpe. Først trykkes luft sammen i cykelpumpen. Hold en finger på hullet. Pumpen bliver varm. Snak sammen om det I oplever. Bagefter fyldes cykelpumpen med vand ved at trække stemplet tilbage mens pumpens ende holdes under vand. Hold igen en finger på pumpehullet. Kan en væske presses sammen? Du skal bruge Materialer i festivalpakken 4 Plastiksprøjter 2 stykker plastslange Evt. frugtfarve Andre materialer Vand Sådan gør du Byg to sæt som vist på billedet. Fyld det ene system op med vand. Det andet system skal bare indeholde luft. Undrespørgsmål Hvordan opfører vandet sig i stemplet? Kan vandet trykkes sammen? Hvordan opfører luften sig i stemplet? Kan luften trykkes sammen? Hvis ja, hvor meget? Er det luft eller væske, der er i gravemaskinens hydrauliske system? Forklaring Eksperimentet viser, at en væske ikke kan trykkes sammen. Når du laver eksperimenter med hydraulik bruger du 2 plastiksprøjter. I en virkelig gravmaskine foregår det næsten på samme måde. Her drives pumpen af gravkoens dieselmotor, mens stempelpumpen sender olien i det hydrauliske system ud til stemplerne. Ekstraopgave Et sjovt tillægseksperiment som egentligt handler om noget helt andet. Fyld en 10 ml plastiksprøjte. Med ca. 1 ml lunkent vand kan man få vandet til at koge i stemplet. Træk stemplet ud og vandet bobler. Undertrykket i stemplet får vandet til at koge. Se forsøg nr. 61. side 11

12 3. Overfør bevægelser med hydraulik Værd at vide, inden du begynder Brug tid på at finde frem til gode måder at fylde stemplerne helt med vand, således at der ikke er luft i systemerne. Dette gøres fx ved at holde slange og stempler nede i en spand med vand, mens det samles. Du skal bruge Materialer i Festivalpakken 2 ens plastiksprøjter Plastikslange Evt. frugtfarve Trælister Søm Andre materialer Vand Bor Hammer Saks Sådan gør du Byg en lille opfindelse, som får noget til at bevæge sig med hydraulik. Byg fx opstillingen som vist på billedet. Et lille søm i sprøjtens side sikrer, at stemplet ikke trykkes ud. Undrespørgsmål Hvor lang kan slangen være? Betyder luften noget for, hvor godt systemet virker? Forklaring Nu har eleverne undersøgt og lært lidt om de grundlæggende egenskaber og muligheder i hydraulik. Det kan være ganske fascinerende at bruge en slange på et par meter. Et tryk på stemplet vil få et stempel langt væk til at bevæge sig. I hydraulik kan små kræfter blive til store kræfter. Tænk bare på joysticket i gravemaskinens førerhus, der overfører bitte små bevægelser, som bliver til rigtig store bevægelser, når gravemaskinens skovl skal løfte sand. side 12

13 4. Små og store stempler Du skal bruge Materialer i Festivalpakken 2 forskellige størrelser plastiksprøjter Plastikslange Evt. frugtfarve Andre materialer Vand Sådan gør du Byg forskellige hydrauliske systemer vha. forskellige størrelser sprøjter. Prøv nu at trykke på stemplerne. Tryk skiftevis på den store og den lille sprøjte. Kig godt efter, når du trykker på stemplerne. Undrespørgsmål Forklaring Hvad sker der, når man trykker på det lille stempel? Hvad sker der, når man trykker på det store stempel? Hvor langt bevæger stemplet sig? Hvor meget væske flytter du fra et stempel til et andet? Kan du forklare, hvad der sker med store og små stempler i hydrauliske systemer? Du vil opleve, at det er lettere at trykke det lille stempel i bund end det store stempel. Det viser sig, at det er stemplernes areal, der bestemmer, hvor stor kraften bliver. Dette eksperiment illustrerer den del af hydraulik, der handler om kraftforøgelse. Ved at have to stempler med forskellige grundarealer kan kraften forøges, hvis man går fra et lille til et stort stempel. Emnet kan fx behandles matematisk. Er diameteren 1 cm på det lille stempel og 3 cm på det store stempel kan den mekaniske kraftforøgelse præsenteres som et målestoksforhold 1:3, hvor kraften dermed forøges 3 gange. Den franske matematiker og fysiker Blaise Pascal fandt i 1600-tallet en lov, der forklarer baggrunden for hydraulik. Trykker man på det ene stempel i et hydrauliksystem med to stempler og vand, vil det flytte trykket over på det andet stempel, så det bevæger sig. Ligesom det var tilfældet i dette eksperiment. Men loven fortæller også noget mere: Har man et system med to forskellige stempler, vil der ske en kraftforøgelse. side 13

14 FestivalpakkeN 2007 Byggevejledninger til hydraulik 5. Spøgelset i paprøret Du skal bruge Klassens egne materialer Evt. forskellige byggematerialer fra klunselisten (se bagerst i vejledningen) Paprør Bordtennisbold Lim/tape Materialer i Festivalpakken Plastiksprøjter Plastikslange Andre materialer Vand Sådan gør du Brug det du har lært i de foregående eksperimenter om hydraulik. Kig på billederne og byg spøgelset i paprøret. Afprøv din opfindelse. Ideen til spøgelset i paprøret er hentet fra følgende webside. Den lille videofilm viser princippet i opfindelsen, som er ganske morsom. Webcatalog/Netherlands/netherlands1.htm side 14

15 6. En hydraulisk kran Du skal bruge Klassens egne materialer Forskellige byggematerialer fra klunselisten Materialer i Festivalpakken Plastiksprøjter Plastikslange Evt. frugtfarve Små søm Stativet til robotten Træliste Andre materialer Vand Bor Skrue Hammer Sådan gør du Brug det du har lært om hydraulik. Kig på billedet og byg en hydraulisk kran. Sprøjten på kranen kan fastholdes med skruer og strips. De små skruer i selve sprøjten forhindrer stemplet i at falde ud. Sprøjten skal fastgøres til kranen således, at den kan bevæge sig, når stemplet udvides og trækkes sammen. I undervisningsmaterialet Energi Nøglen til livet Løft vandet findes også en byggevejledning til en hydraulisk kran. Se link: MestForSkoler/inspi_mat07/Loeft_vandet.pdf side 15

16 7. En hydraulisk nøddeknækker Du skal bruge Klassens egne materialer Nødder Materialer i Festivalpakken Træliste 100 ml sprøjte 10 ml sprøjte Ståltråd/strips Plastslange Slangesamler, der kan forbinde 100 ml sprøjten og slange til 10 ml sprøjten Hængsel Små søm Stativet til robotten eller blot en træliste Andre materialer Vand Hammer Sådan gør du Sæt hængslet fast i den ene ende af den ene træliste. Sæt derefter hængslet fast i den anden træliste, så det forbinder de to trælister. Fyld det hydrauliske system op med vand undgå at der kommer luft i systemet. Det hydrauliske system består af en 100 ml sprøjte og en 10 ml sprøjte. Brug slangesamleren til at forbinde de to sprøjter med en slange. Fastgør 100 ml sprøjten til den ene træliste med strips eller ståltråd. Det skal være stramt, så sprøjten ikke flytter sig, når nøddeknækkeren tages i brug. Sæt den nederste træliste fast til enten stativet til robotten eller en tredje træliste som vist på billedet. Prøv jer frem med forskellige stempelstørrelser. Med to ens stempler er det næsten umuligt at knække nødden, men med en lille sprøjte på 10 ml og en stor på 100 ml som vist på billedet giver det en så stor kraftforøgelse i det hydrauliske system, at nødden kan knækkes. Undrespørgsmål Hvordan virker en nøddeknækker? Indeholder den en eller anden form for kraftforøgelse? Forklaring Nøddeknækkeren benytter sig af kraftforøgelse både i forskellen mellem de to stempler og ved at indbygge en arm. Dette er også tilfældet, når du åbner en dør. Prøv at åbne en dør ved at trykke på døren tæt på dørhåndtaget og bagefter tæt på den hængslede kant. Det sidste er næsten umuligt. Undersøg forskellige typer af nøddeknækkere. Kan du knække nødder med fingerkræfterne? side 16

17 8. Robotter i det virkelige liv Værd at vide, inden du begynder Robotter har altid virket fascinerende på os mennesker. I dag er robotteknologien højt udviklet og meget anvendt indenfor industrien. Men emnet kan stadig angribes og anskueliggøres på folkeskoleniveau ud fra to væsentlige kerneområder: Mekanik og hydraulik. I følgende robot-byggevejledning er materialer og idé udviklet af Finn Skaarup. Finn Skaarup vandt med projektet Robotter i det virkelige liv i april præmien som Europas bedste naturfagslærer ved Science on Stage 2 i Grenoble. Du skal bruge Klassens egne materialer Forskellige byggematerialer fra klunselisten Materialer i Festivalpakken Trælister Byggematerialepose 1 (1 fod med stativstang, 2 overarme, 2 underarme, 2 lårben, 2 skinneben, 1 krop, 8 møtrikker, 8 spændeskiver, 2 gevindstykker og splitter). Byggematerialepose 2 (8 X 10 ml engangssprøjter, 4 X 20 ml engangssprøjter, 4 T-led, 3,2 m plastslange, strips og søm). Frugtfarve Andre materialer Vand Hammer Saks Bor (2 mm)/skruetrækker Sådan gør du Saml robottens trædele som vist på billederne. Vent med at sætte robotten op på stativet. Det er lettest at arbejde med den, når den kan ligge fladt på bordet. Når trærobotten er samlet, skal du lave hydraulikken. Hydraulikken består af fire hydraulik-systemer, der skal styre arme og ben uafhængigt af hinanden. En 20 ml sprøjte skal styre to 10 ml sprøjter. Derfor skal plastslangen klippes op i 8 korte stykker (fx 15 cm) og 4 lange stykker (fx 50 cm). Klip evt. noget af sprøjtens øverste del (pressefladen) af, så bliver det nemmere at slå sømmet i (se billedet). Saml nu de fire hydrauliksystemer et ad gangen: Forbind 20 ml sprøjten og T-leddet med et langt stykke plastslange. Brug 2 korte stykker plastslange til at forbinde T-leddet med de to 10 ml sprøjter. Det kan være lidt svært at fæstne slangen på sprøjten, men hav tålmodighed, det kan godt lade sig gøre. Et lille trick er at modellere slange-enden lidt mellem fingrene, så bliver den varm og en smule mere elastisk. side 17

18 FestivalpakkeN 2007 Bor et hul (2 mm) i hver 10 ml sprøjte øverst i håndtaget. Brug evt. en skruetrækker og en lang skrue, som alternativ til boret. Placer en strip i den anden ende af sprøjten på hver 10 ml sprøjte. Fyld vand på systemet, så både slange og 20 ml sprøjte er fyldt med vand, når 10 ml sprøjterne er i bund. Sørg for, at der ikke er luftbobler i systemet. Herefter skal du blot montere de fire hydraulik-systemer et ad gangen. Beslut dig for hvilke led, hvert hydraulik-system skal styre og overvej, hvor du bedst placerer hver 10 ml sprøjte. Dette er også en oplagt mulighed for at snakke om kroppens anatomi. Placer et søm i hullet på hver 10 ml sprøjte, og søm sprøjten fast til fx den ene overarm. Sæt herefter et søm gennem hver strip i den anden ende af 10 ml sprøjterne. Søm derefter hver strip fast til fx kroppen (se billedet). Når et hydraulik-system er fæstnet på robotten, kan du med 20 ml sprøjten styre de valgte led. Fortsæt til du har monteret alle fire hydraulik-systemer, så du kan styre robottens arme og ben uafhængigt af hinanden. Hvis din robot skal have et hoved, må du selv lave det. Hovedet kan placeres på et stykke ståltråd i det hul, der er boret mellem skulderbladene. God fornøjelse! side 18

19 Flere opfindelser med hydraulik Besøg et bilværksted En af eleverne har måske en forælder, der arbejder på et bilværksted. Besøg ham / hende, eller aftal et besøg hos en bilhandler eller i et autoværksted. Værkstedet benytter sig af forskellige hydrauliske løftesystemer. Bilens bremser bygger også på hydraulik, når trykket på bremsepedalen fordeles på bilens hjul. Hvor bruges hydraulik Her er en liste over ting, der kan undersøges og bygges som model. Listen indeholder også links til forskellige hjemmesider med billeder og baggrundsviden. Eleverne kan gå på jagt efter, hvor og hvordan hydraulik bruges i industrien, værksteder, arbejdskøretøjer, værktøj og så videre. Trold i æske (sprøjten løfter æskens låg, og en trold kommer til syne) Tryllestav med blomst (elektrikerrør med 1 mm sprøjte indeni, der kan skubbe en papirblomst ud af enden) Gaffeltruck (søg på nettet og find mange billeder) Lastbil med tippelad (søgeord tippelad) Elevator (byg en model, der kan løfte nogle legofigurer) Cykelbremse (undersøg en moderne mountainbike med hydrauliske bremser) Fjernbetjent gribeklo Broklap (byg en model af en bro, Bom ved grænse overgang (byg en model til en modeljernbane) Servostyring og støddæmper i bil (besøg et bilværksted) Flaps på vinge på flyvemaskine, se Brændekløver (søg på nettet og undersøg en brændekløver) side 19

20 Links Festivalpakken 2007 har temaet is og vand. I linksamlingen findes en lang række spændende links til undervisningsmaterialer, interaktive hjemmesider, baggrundsviden om hydraulik og så videre. har mange gode og sjove forsøg. er en god side for børn til selv at lave flere forsøg hjemme. The Mechanical Toys Page. Byggevejledninger til mekanisk legetøj. Flying-pig er en morsom hjemmeside med ideer til at bygge mekaniske modeller af karton. VVS i skolen har undervisningsmaterialer og tilhørende lærervejledninger til alle klassetrin om vand, vandforsyning og energi. Hjemmesider om iskrystaller, som man kan lave af papir eller på computeren superflot interaktiv hjemmeside skoletjenesten har et interaktivt undervisningsmateriale Rundt om spildevand har et flot undervisningsmateriale Nøglen til livet - Løft vandet. side 20

21 Klunselisten Til eksperimenterne med hydraulik skal der suppleres med klassens egne materialer. Det kan være alle mulige former for genbrugsmaterialer. Her er en liste, som kan sendes med eleverne hjem, inden arbejdet med at prøve kræfter med vandet starter. Rengjorte mælkekartoner Papæsker Træ Malerpinde Træplader Maskinskruer Vinkelbeslag Paprør Vatkugler Bordtennisbolde Garnrester Stofrester Modelbiler Hasselnødder side 21

22 Materialelisten Materialerne i Festivalpakken er beregnet til, at klassen kan blive delt i 6 grupper, der alle kan lave det samme forsøg samtidig. De særligt store forsøg er dog kun indkøbt i en mængde, så to grupper kan lave det samme forsøg samtidig. Materialelisten er inddelt i følgende punkter: Blivende materialer: De materialer, der regnes som en blivende ressource for skolen, og som ikke bliver brugt op med tiden. Fornybare materialer: De materialer, der bliver brugt op efterhånden som eksperimenterne udøves. Disse materialer kan i næsten alle tilfælde indkøbes i supermarkeder og andre lokale indkøbssteder. Klassens egne materialer: Materialer som eleverne selv kan tage med hjemmefra som en del af forberedelsen til undervisningen. Andre materialer: Disse materialer er værktøj og lignende materialer, der forventes at kunne findes i skolens fysik- eller kemilokale. Blivende materialer: 20 ml plastiksprøjte (stk. pris v. køb af 100) 12 stk 10 ml plastiksprøjte (stk. pris v. køb af 100) 12 stk 100 ml plastiksprøjte 6 stk Plastslange, Ø3/5 mm 18 meter Ståltråd 2 ruller Slangesamler Ø4-6/7-10 mm 2 stk Robotbyggesæt 2 stk Trælister (15*33 mm fyr) lægt af 20 cm 6 stk LifeStraw 1 stk Hængsel til nødeknækkeren - pakke med 2 1 pose Fornybare materialer: Frugtfarve grøn Frugtfarve rød Frugtfarve gul Frugtfarve blå Små søm, (1 pakke ca stk.) Strips (blev til 100 stk.) 6 stk 6 stk 6 stk 6 stk 1 pakke 1 pose side 22

23 Klassens egne materialer: Lineal/målebånd Paprør (fx fra brugt køkkenrulle) Hasselnødder m. skal på Bordtennisbolde Garnrester Modelbiler Stofrester Vatkugler Mælkekartoner Papæsker Trælister Malerpinde Lægter Træplader Vinkelbeslag Tape Lim Andre materialer: Saks Skruetrækker (sekskantet) Hammer Internetforbindelse Vand Bor, 2mm Skrue side 23

24 side 24