ΟΜΑΔΙΚΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΟΜΑΔΙΚΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ 2ο Γυμνάσιο Μεταμόρφωσης Τίτλος της έρευνας Ποιο υλικό είναι καλύτερο για την κατασκευή ενός καραβιού, ώστε αυτό να ταξιδεύει πιο γρήγορα στο νερό Μαθητές: Νίκος Χιωτέλλης - Δημήτρης Στρουμπούλης Χρήστος Τζιμούλης Τάξη: Γ' Γυμνασίου Ημ/μνία: 1/4/2016 Χρονοδιάγραμμα: Επιλογή θέματος εργασίας: Πληροφορίες για το θέμα της εργασίας: Συγκέντρωση απαιτούμενων υλικών: Διεξαγωγή πειράματος: Γραπτή Εργασία: Περιεχόμενα: 1. Εξώφυλλο 2. Χρoνοδιάγραμμα, πίνακας περιεχομένων 3. Εισαγωγή 3.1 Θέμα του πειράματος 3.2 Υπόθεση του πειράματος 3.3 Παρουσίαση του προβλήματος 3.4 Παράγοντες που δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα της έρευνας - Μεταβλητές 3.5 Χρησιμότητα του πειράματος (κοινωνικές ανάγκες) 3.6 Περιορισμοί του πειράματος 3.7 Μεθοδολογία 4. Θεωρητικό μέρος 4.1 Ιστορική αναδρομή 4.2 Όροι και έννοιες 5. Ερευνητικό Πειραματικό μέρος 5.1 Φωτογραφίες του πειράματος 5.2 Κατάλογος υλικών και μέσων 5.3 Περιγραφή πειραματικής διαδικασίας 5.4 Μετρήσεις - Αποτελέσματα 5.5 Συμπεράσματα 6. Προτάσεις για συμπληρωματική έρευνα στο μέλλον 7. Αυτοαξιολόγηση Θέμα του πειράματος: Ποιο υλικό είναι καλύτερο για την κατασκευή ενός καραβιού, ώστε αυτό να ταξιδεύει πιο γρήγορα στο νερό και να φτάνει πιο γρήγορα στον προορισμό του. Υπόθεση: Αφού το πλαστικό και το φελιζόλ είναι πιο ελαφριά υλικά από το ξύλο, τότε υποθέτω ότι ένα καράβι κατασκευασμένο από αυτά τα υλικά θα κινείται γρηγορότερα στο νερό απ' ότι ένα ξύλινο καράβι.

2 Παρουσίαση του προβλήματος: Θα μελετηθεί ποιο από τα 3 παραπάνω υλικά είναι καλύτερο για την κατασκευή ενός καραβιού, με βάση ποιο από τα παρακάτω καράβια κινείται πιο γρήγορα στο νερό: Ξύλινο, Πλαστικό, και από φελιζόλ. Μερικά από τα θέματα που πραγματεύεται η έρευνα: Βύθιση και Πλεύση, Άνωση, Πυκνότητα, και το πώς αυτά εξαρτώνται το ένα απ' το άλλο Μεταβλητές: Ανεξάρτητη μεταβλητή: Το υλικό κατασκευής των καραβιών Εξαρτημένη μεταβλητή: Ταχύτητα κίνησης των καραβιών Ελεγχόμενες (σταθερές) μεταβλητές: Το μέγεθος, το σχήμα και οι διαστάσεις ( περίπου ιδια) των καραβιών, Τα κατάρτια των καραβιών, Το βάθος του υγρού πάνω στο οποίο επιπλέουν τα καράβια, Το δοχείο στο οποίο περιέχεται το υγρό αυτό, Η πηγή του αέρα, η έντασή του, και η γωνία απ' την οποία χτυπάει τα κατάρτια των καραβιών Κοινωνικές ανάγκες που εξυπηρετεί το πείραμα: Πολλές φορές οι άνθρωποι παραπονιούνται ότι τα πλοία ταξιδεύουν πολύ αργά, και τα συγκρίνουν με τα αεροπλάνα, τα οποία είναι πολύ γρηγορότερα. Οι περισσότεροι όμως επιλέγουν να ταξιδεύουν με τα πλοία, επειδή η τιμή των εισιτηρίων τους είναι πολύ πιο προσιτή σε σχέση με την τιμή των εισιτηρίων για ένα αεροπλάνο. Υπάρχει όμως πιθανότητα να υπάρχει κάποιο υλικό, με το οποίο αν κατασκευαστεί ένα πλοίο, να κινείται πιο γρήγορα στο νερό? Σε αυτό το πείραμα εξετάζουμε την ταχύτητα 3 καραβιών, το καθένα φτιαγμένο από ένα διαφορετικό υλικό που χρησιμοποιούμε πολύ συχνά στην καθημερινότητά μας. Το πρώτο καράβι είναι φτιαγμένο από ξύλο, το υλικό από το οποίο συνήθιζαν να φτιάχνονται όλα τα καράβια στην αρχαιότητα. Το δεύτερο καράβι είναι φτιαγμένο από πλαστικό, ένα υλικό που χρησιμοποιούμε για να κατασκευάσουμε οτιδήποτε από ποτήρια μέχρι μανταλάκια. Το τρίτο καράβι είναι φτιαγμένο από φελιζόλ, ένα υλικό που χρησιμοποιείται για να προστατεύει ευαίσθητα αντικείμενα κατά τη μεταφορά τους, επειδή απορροφά τους κραδασμούς και σπάει δύσκολα. Περιγραφή των ορίων περιορισμοί: Όλα τα καράβια έχουν περίπου τις ίδιες διαστάσεις Το κατάρτι του κάθε πλοίο είναι τοποθετημένο ακριβώς στο κέντρο του Κατά τη χρονομέτρηση όλων των καραβιών χρησιμοποιείται το ίδιο χρονόμετρο Η χρονομέτρηση κάθε καραβιού επαναλαμβάνεται όσες φορές χρειαστεί, ώστε αυτό να φτάσει στον προορισμό του χωρίς να πέσει πάνω σε εμπόδια

3 διανύοντας ευθύγραμμα την ίδια απόσταση Κατά τη χρονομέτρηση όλων των καραβιών το πιστολάκι μαλλιών που χρησιμοποιείται για την ώθησή τους βρίσκεται περίπου στο ίδιο σημείο, και χτυπάει κάθε κατάρτι από την ίδια περίπου γωνία. Κατά την εκκίνηση του χρονομέτρου ξεκινάει να λειτουργεί και το πιστολάκι, με διαφορά μερικών κλασμάτων του δευτερολέπτου Κατά τη χρονομέτρηση όλων των καραβιών, το νερό πάνω στο οποίο επιπλέουν έχει το ίδιο βάθος, και βρίσκεται μέσα στο ίδιο δοχείο (μπανιέρα) Περιγραφή μεθοδολογίας: Συγκέντρωση των απαιτούμενων υλικών Κατασκευή των 3 καραβιών Διεξαγωγή του πειράματος Ανάλυση και παρουσίαση των αποτελεσμάτων Ιστορία των πλοίων: Πλοίο είναι μία ειδική κατασκευή, σχεδιασμένη να κινείται με ασφάλεια στο νερό. Τα πρώτα πλοία φτιάχτηκαν περίπου πριν χρόνια, και αποτελούνταν από δέρμα ζώων, και έναν πάσσαλο κολλημένο στο κέντρο τους. Μέχρι το π.χ., οι Αιγύπτιοι είχαν μάθει πως να πιάνουν μαζί χοντρούς κορμούς δέντρων με ρίζες φυτών ή σκοινί, και να χρησιμοποιούν χόρτο ή καλάμια γιανα κλείνουν τα κενά που υπήρχαν ανάμεσα στους κορμούς. Επίσης, χρησιμοποιούσαν μακριά κομμάτια ξύλου σαν κουπιά, δηλαδή έβαζαν τις άκρες τους μέσα στο νερό και τα κουνούσαν ώστε να δώσουν ώθηση και να μετακινηθεί η βάρκα. Αυτού του είδους βάρκες ονομάζονται σχεδίες. Εκείνη την εποχή, οι μεγαλύτερες ναυτικές δυνάμεις του κόσμου ήταν η Ρώμη και η Αίγυπτος. Κατά την Αναγέννηση, έγιναν πολύ μεγάλες αλλαγές στην κατασκευή και το σχήμα των πλοίων, καθώς άρχισαν να χρησιμοποιούνται καινούρια υλικά για την κατασκευή τους. Κύριες ναυτικές δυνάμεις εκείνο τον καιρό ήταν η Ιταλία, η Αγγλία και η Ιαπωνία. Τον 18ο αιώνα άρχισαν να φτιάχνονται πλοία από σίδερο, πλαστικό και αλουμίνιο. Στις 15 Απριλίου του 1912, αφού χτύπησε ένα παγόβουνο, βούλιαξε το πασίγνωστο πλοίο Τιτανικός, με αποτέλεσμα να χαθούν περισσότεροι από άνθρωποι. Τα σύγχρονα πλοία έχουν εξελιχθεί πολύ, μερικά από αυτά έχουν τη δυνατότητα να κουβαλάνε αεροσκάφη, και έχουν κατασκευαστεί και υποβρύχια. Έννοιες και ορισμοί: Βύθιση πλεύση: Η βύθιση και η πλεύση χαρακτηρίζει στερεά σώματα που τοποθετούνται μέσα σε υγρά. Βύθιση έχουμε όταν το στερεό σώμα κατευθύνεται στον πυθμένα του υγρού, ενώ η πλεύση όταν το αντικείμενο παραμένει στην επιφάνεια του υγρού. Η βύθιση και η πλεύση εξαρτώνται κυρίως από την πυκνότητα του υλικού. Τα σώματα που έχουν μικρότερη πυκνότητα από το νερό επιπλέουν, ενώ τα πιο πυκνά σώματα βυθίζονται. Όταν ένα σώμα καταδύεται, το βάρος το σπρώχνει προς τα κάτω, στο βυθό, αλλά το υγρο σπρώχνει το σώμα προς τα πάνω με μια δύναμη που λέγεται άνωση και είναι ίση με το βάρος του υγρου, το οποίο

4 εκτοπίζεται. Το αντίθετο συμβαίνει όταν το σώμα είναι πιο πυκνό από το υγρο Άνωση: Άνωση ονομάζεται η συνισταμένη δύναμη που δέχεται ένα σώμα από το υγρό μέσα στο οποίο βρίσκεται. Η άνωση έχει κοινή διεύθυνση με το βάρος του σώματος, και αντίθετη φορά. Η άνωση εκδηλώνεται σε κάθε σώμα που βρίσκεται μέσα σε κάποιο υγρό, με την παρουσία βαρυτικού πεδίου, και γίνεται αντιληπτή ως δύναμη που δρα αντίθετα στο βάρος. Το μέγεθος της άνωσης προκύπτει από την Αρχή του Αρχιμήδη κατά την οποία: «Κάθε σώμα βυθισμένο σε υγρό δέχεται δύναμη ίση και αντίθετη με το βάρος του υγρού που εκτοπίζει». Η αντίστοιχη μαθηματική έκφραση είναι A=pgV, όπου A είναι η άνωση, p είναι η πυκνότητα του υγρού, g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας και V είναι ο όγκος του βυρισμένου σώματος Πυκνότητα: Η πυκνότητα εκφράζει τη μάζα του υλικου που περιέχεται σε μία μονάδα όγκου.μονάδα μέτρησης της πυκνότητας είναι το κιλό ανά κυβικό μέτρο. Φωτογραφίες του πειράματος: Κατάλογος υλικών: 1 κομμάτι ξύλου, 1 κομμάτι πλαστικού, και 1 κομμάτι φελιζόλ με περίπου ίδιες διαστάσεις 3 ξύλινα καλαμάκια από σουβλάκια 3 κομμάτια χαρτί, με ίδιες διαστάσεις Χρονόμετρο Πιστολάκι μαλλιών Πλαστελίνη Αδιάβροχη κολλητική ταινία Περιγραφή διαδικασίας: 1. Τρυπήσαμε τα κομμάτια χαρτιού στα κατάλληλα σημεία, ώστε να περάσουμε μέσα από αυτά τα ξύλινα καλαμάκια και να φτιάξουμε τα κατάρτια 2. Χρησιμοποιήσαμε την πλαστελίνη και την αδιάβροχη κολλητική ταινία για να κολλήσουμε τα κατάρτια στο κομμάτι ξύλου και στο κομμάτι πλαστικού 3. Κάναμε μια τρύπα στο κέντρο του κομματιού φελιζόλ, και βάλαμε μέσα την κάτω άκρη του τρίτου καταρτιού 4. Βάλαμε κάποιον να κρατάει σταθερά το πιστολάκι σε μια συγκεκριμένη θέση και γωνία 5. Γεμίσαμε τη μισή μπανιέρα με νερό 6. Βάλαμε την ξύλινη βάρκα στη μία άκρη της μπανιέρας, και ξεκινήσαμε το χρονόμετρο και το πιστολάκι ταυτόχρονα 7. Επαναλάβαμε το πείραμα, μέχρι η βάρκα να φτάσει στην άλλη άκρη της μπανιέρας, χωρίς να χτυπήσει τα τοιχώματά της 8. Καταγράψαμε την ένδειξη του χρονομέτρου 9. Επαναλάβαμε το ίδιο για τις άλλες 2 βάρκες 10. Συγκρίναμε τα αποτελέσματα Μετρήσεις Αποτελέσματα: Ταχύτητα: Καράβι από ξύλο: 14,1s 130cm/14,1s 1,3m/14,1s 0,092m/s Καράβι από πλαστικό: 5,6s 130cm/5,6s 1,3m/5,6s 0,232m/s Καράβι από φελιζόλ: 5,6s 130cm/5,6s 1,3m/5,6s 0,232m/s

5 Πυκνότητα: Νερό: 1000 kgr/m3 Ξύλο: ~600 kgr/m3 Πλαστικό: ~215 kgr/m3 Φελιζόλ: ~75 kgr/m3 Συμπεράσματα: Και τα 3 πλοία επιπλέουν στο νερό, επειδή έχουν μικρότερη πυκνότητα από αυτό. Η ταχύτητα των καραβιών είναι πολύ πιθανό να εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού, απ' το οποίο είναι φτιαγμένα, αφού το ξύλο έχει περίπου τριπλάσια πυκνότητα από το πλαστικό, (αρα μεγαλύτερο βύθισμα και μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής και τριβή με το νερό) και έκανε περίπου τριπλάσιο χρόνο για να φτάσει στον προορισμό του. Το φελιζόλ, αν και έχει 3 φορές λιγότερη πυκνότητα από το πλαστικό, έκανε τον ίδιο χρόνο με αυτό, όμως αυτό οφείλεται στην τριβή λόγω της φύσης των τριβομένων επιφανειών(λεία στο πλαστικό- μη λεία και με διάβρωση στο φελιζολ) Προτάσεις για συμπληρωματική έρευνα: Μελλοντικές έρευνες μπορεί να βασίζονται σε διαφορετική μεθοδολογία, ή σε νέα πιθανά πεδία έρευνας, όπως : Τον τρόπο με τον οποίο τα κατάρτια είναι στερεωμένα πάνω στα πλοία Τη δομή, το σχήμα και το υλικό των πλοίων Τη δομή, το σχήμα και το υλικό των καταρτιών Την πηγή που παράγει τον αέρα Τη γωνία με την οποία ο αέρας χτυπάει τα κατάρτια Την απόσταση της πηγής του αέρα από τα πλοία Την απόσταση της αρχικής θέσης των πλοίων με την τελική θέση τους Αυτοαξιολόγηση Θα μπορούσαμε να έχουμε πάρει διάφορα μέτρα για την αποφυγή λαθών, όπως να στερεώσουμε το πιστολάκι μαλλιών σε κάποιο αντικείμενο, ώστε να βρίσκεται συνέχεια στην ίδια θέση και να χτυπάει τα κατάρτια των πλοίων από την ίδια γωνία. Επίσης, θα μπορούσαμε να έχουμε κάνει το πείραμα σε έναν πιο ανοιχτό χώρο, όπως μια λίμνη ενός πάρκου, αν και τότε θα ρισκάραμε να χάσουμε τα καράβια μας. ~Νίκος Χιωτέλλης Δημήτρης Στρουμπούλης Χρήστος Τζιμούλης~