Modul Belajar Membangun Roller Coaster Untuk Kelas 5-6
Event For : Everybody
Ringkasan
Siswa membangun model roller coaster skala kecil mereka sendiri menggunakan isolasi pipa dan kelereng, lalu menganalisisnya menggunakan prinsip-prinsip fisika yang dipelajari dalam pelajaran terkait. Mereka menguji konversi antara energi kinetik dan potensial serta efek gesekan untuk merancang roller coaster yang sepenuhnya digerakkan oleh gravitasi. Sebuah kompetisi kelas menggunakan berbagai jenis kelereng untuk mewakili muatan penumpang yang berbeda akan menentukan roller coaster mana yang paling inovatif dan berhasil.
Kurikulum teknik ini selaras dengan Next Generation Science Standards (NGSS).
Keterkaitan dengan Bidang Teknik
Selama mendesain model roller coaster, siswa menghadapi banyak masalah yang sama dengan yang dihadapi oleh insinyur roller coaster di dunia nyata. Untuk membangun roller coaster yang berfungsi, siswa harus menyadari keterbatasan yang diterapkan pada desain mereka, dan pada desain roller coaster nyata, oleh hukum fisika fundamental. Siswa belajar bahwa kemampuan mereka untuk memahami dan bekerja di dalam batasan-batasan ini sangat penting untuk keberhasilan roller coaster mereka.
Tujuan Pembelajaran
Setelah kegiatan ini, siswa diharapkan mampu:
Menjelaskan mengapa penting bagi insinyur untuk memahami cara kerja roller coaster.
Menjelaskan secara fisika cara kerja model roller coaster mereka.
Mendiskusikan efek gravitasi dan gesekan dalam konteks desain roller coaster mereka.
Menggunakan prinsip konservasi energi untuk menjelaskan desain dan tata letak roller coaster.
Mengidentifikasi titik-titik di lintasan roller coaster di mana gerobak memiliki energi kinetik dan potensial maksimum.
Mengidentifikasi titik-titik di lintasan roller coaster di mana gerobak mengalami gaya-g lebih atau kurang dari 1.
Mengidentifikasi titik-titik di lintasan roller coaster di mana gerobak mengalami percepatan dan perlambatan.
Standar Pendidikan
NGSS: Next Generation Science Standards - Sains
Common Core State Standards - Matematika
International Technology and Engineering Educators Association - Teknologi
Daftar Bahan
Setiap kelompok membutuhkan:
Tabung busa sepanjang 2 meter (6 kaki) (isolasi pipa 1/2") yang dipotong memanjang menjadi dua (Biasanya, satu sisi tabung sudah berlubang, sehingga mudah menggunakan gunting atau pisau serbaguna untuk memotong lubang dan sisi lain dari tabung untuk membentuk dua bagian, pada dasarnya membuat dua saluran panjang yang berbentuk sempurna untuk menampung kelereng; dengan demikian, satu tabung yang dipotong menyediakan bahan lintasan untuk dua kelompok; lihat Gambar 1 dan 2).
Kelereng kaca
Kelereng kayu
Kelereng baja
Gelas kertas atau plastik
Gulungan selotip kertas
Satu set spidol, krayon, atau pensil
Selembar kertas kosong
Stopwatch
Lembar Kerja Spesifikasi Roller Coaster, satu per siswa atau satu per kelompok
Rubrik Penilaian yang Disarankan, satu per kelompok
Lembar Kerja dan Lampiran
Pengetahuan Prasyarat
Siswa membutuhkan pengetahuan dasar sebelumnya tentang gaya, khususnya gravitasi dan gesekan, serta beberapa pemahaman tentang energi kinetik dan potensial. Mereka juga harus mengetahui hukum kedua Newton tentang gerak dan memahami konsep dasar gerak, seperti posisi, kecepatan, dan percepatan. Sebelum melakukan kegiatan ini, ajarkan siswa konsep fisika dan teknik dalam pelajaran Fisika Roller Coaster.
Pendahuluan/Motivasi
Dalam kegiatan hari ini, Anda akan mendesain model roller coaster Anda sendiri menggunakan tabung busa dan kelereng. Saya ingin Anda memulai dengan menggambar roller coaster Anda di atas kertas sebelum membangunnya. Bersamaan dengan gambar Anda, berikan nama yang menyenangkan dan deskriptif untuk roller coaster Anda dan buat tanda untuk itu.
(Pada titik ini, tunjukkan kepada siswa foto-foto beberapa roller coaster nyata untuk membantu mereka membayangkan kemungkinan untuk roller coaster mereka sendiri. Lihat contoh beberapa roller coaster terbaik saat ini di negara ini di
Ketika insinyur mendesain objek dan struktur, seperti peralatan di rumah Anda dan produk lain yang Anda gunakan, jembatan dan jalan raya, gedung pencakar langit dan struktur lainnya seperti wahana taman hiburan, atau bahkan sepeda dan lift kursi di resor ski, mereka bekerja dalam apa yang mereka sebut "batasan". Batasan adalah persyaratan proyek dan/atau keterbatasan. Insinyur harus mempertimbangkan batasan-batasan ini untuk menghasilkan solusi desain yang berhasil.
Dalam kasus mendesain roller coaster, apa saja batasan yang harus dipertimbangkan oleh insinyur? (Biarkan siswa memikirkan hal ini dan memberikan beberapa saran.) Ya, mereka mungkin memiliki beberapa keterbatasan praktis, seperti bahan bangunan yang tersedia atau disukai, anggaran dan kerangka waktu konstruksi, langkah-langkah keamanan untuk pengguna, persyaratan pemeliharaan berkelanjutan, dan/atau kondisi cuaca yang diantisipasi. Klien taman hiburan juga dapat memberikan persyaratan untuk jenis gerakan yang mereka inginkan untuk wahana tersebut, seperti putaran terbalik, corkscrews, belokan derajat tertentu, panjang penurunan, atau kecepatan maksimum, atau jaminan keamanan untuk pengguna (aman untuk orang yang tingginya lebih dari empat kaki). Batasan dasar lain yang selalu berlaku adalah pertimbangan hukum fisika alami yang ada di dunia kita, seperti batas gravitasi dan efek kemiringan, kecepatan, dan gesekan. Ini adalah contoh bagaimana pemahaman seorang insinyur tentang hukum fisika fundamental sangat penting untuk keberhasilan suatu proyek. Menemukan solusi desain yang mempertimbangkan semua faktor ini dan bekerja secara andal, aman, dan seperti yang dimaksudkan adalah apa yang dilakukan insinyur.
Saat mendesain roller coaster Anda, konsep fisika apa yang telah Anda pelajari yang akan sangat membantu dan penting untuk diterapkan? (Dengarkan ide-ide siswa. Koreksi dan perbaiki, jika perlu. Harapkan mereka untuk menyarankan ide-ide dari konten yang mereka pelajari dalam pelajaran terkait tentang energi potensial gravitasi, energi kinetik, gravitasi, dan gesekan.)
Itu benar, semua roller coaster sejati sepenuhnya digerakkan oleh gaya gravitasi. Kegembiraan dari wahana ini berasal dari konversi yang terus-menerus antara energi potensial dan kinetik, yang kita ketahui dari hukum konservasi energi. Gesekan penting untuk memperlambat gerobak roller coaster dan percepatan memainkan peran dalam pengalaman yang diberikan oleh gerobak roller coaster saat mereka bergerak di sepanjang lintasan.
Dan bagaimana konsep-konsep ini diterjemahkan ke tantangan Anda untuk mendesain roller coaster yang memberikan pengalaman mendebarkan yang aman bagi pengendara? *(Dengarkan jawaban siswa. Harapkan mereka untuk mengangkat poin-poin berikut, yang harus mereka pahami untuk membangun dan menganalisis model roller coaster mereka:
Puncak bukit pertama harus menjadi titik tertinggi pada roller coaster.
Gerobak bergerak paling cepat di dasar bukit dan paling lambat di puncak bukit.
Gesekan mengubah energi yang berguna menjadi panas dan harus diminimalkan.
Gaya-G yang lebih besar dari 1 terjadi di dasar bukit.
Gaya-G yang kurang dari 1 terjadi di puncak bukit.
Untuk menghindari jatuh, gerobak harus memiliki kecepatan tertentu di puncak putaran.)*
Itu benar. Ini adalah batasan yang harus kita tangani dengan serius. Bukit pertama harus menjadi titik tertinggi atau roller coaster tidak akan berfungsi. Jika sebuah gerobak tidak bergerak cukup cepat di puncak putaran, ia akan jatuh dari lintasan. Perhatikan gesekan antara gerobak dan lintasan, buatlah sekecil mungkin agar gerobak bergerak cukup cepat untuk melewati seluruh lintasan. Mari kita mulai!
Prosedur
Sebelum Kegiatan
Kumpulkan bahan-bahan dan buat salinan lembar kerja dan rubrik penilaian.
Potong setiap tabung memanjang menjadi dua, sehingga setiap kelompok menerima satu panjang tabung yang berbentuk saluran untuk berfungsi sebagai lintasan roller coaster untuk kelereng (gerobak). Gunakan gunting atau pisau serbaguna untuk memotong sisi berlubang tabung untuk membentuk dua bagian. Berikan setiap kelompok salah satu dari bagian ini. Proses ini ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2.
Tinjau pelajaran TeachEngineering, Time for Design, yang menguraikan langkah-langkah proses desain teknik. Mengikuti langkah-langkah ini saat membangun roller coaster mereka membantu siswa belajar persis bagaimana insinyur roller coaster memecahkan masalah.
Dengan Siswa
Bagilah kelas menjadi kelompok teknik yang terdiri dari tiga atau empat siswa.
Bagikan rubrik penilaian untuk kompetisi kelas. Daftar poin kreativitas memberikan panduan kepada siswa mengenai fitur coaster (ketinggian, belokan, putaran, dan corkscrews) yang diinginkan dalam desain dan daftar poin kinerja menyediakan cara untuk menilai keamanan coaster.
Beri tahu siswa: Dalam model roller coaster kita, kelereng kaca mensimulasikan gerobak normal, kelereng kayu mewakili gerobak kosong, dan kelereng baja mewakili gerobak penuh. Tim Anda akan mendapatkan poin untuk setiap jenis kelereng (muatan penumpang) yang berhasil menyelesaikan lintasan Anda dan mendarat dengan aman di gelas. Sebuah kompetisi kelas akan menentukan roller coaster mana yang paling inovatif dan berhasil.
Minta kelompok untuk mulai mendesain roller coaster mereka, bertukar pikiran dan berbagi ide, serta menyepakati sebuah desain. Minta siswa menggambar roller coaster mereka di atas kertas, menamainya, dan membuat tanda. Beri waktu hingga 30 menit untuk ini. Lihatlah gambar mereka untuk memastikan bahwa desain yang diusulkan mereka secara fisik mungkin. Jika tidak, tunjukkan aspek-aspek desain roller coaster yang mungkin ingin mereka pikirkan kembali. Beri mereka waktu untuk mengulangi desain mereka.
Berikan setiap kelompok lintasan tabung busa, selotip kertas, dan gelas, dan biarkan mereka membangun roller coaster mereka menggunakan bahan-bahan kelas. Harapkan siswa dapat membangun desain pertama mereka dalam 10 menit atau kurang. Gunakan gelas untuk menangkap kelereng di ujung lintasan.
Beri siswa kelereng agar mereka dapat menguji roller coaster mereka dan melakukan perubahan yang diperlukan. Ini adalah langkah yang paling memakan waktu dan siswa mungkin membutuhkan waktu hingga 45 menit untuk mendesain ulang lintasan mereka.
Berikan stopwatch kepada setiap kelompok dan beri mereka waktu untuk menyelesaikan lembar kerja, di mana mereka menentukan spesifikasi tertentu dari roller coaster mereka.
Mulai kompetisi kelas dengan memberi tahu siswa: Mirip dengan apa yang Anda lakukan hari ini, insinyur membuat model skala kecil untuk membantu mereka menguji dan menganalisis desain struktural mereka. Misalnya, insinyur yang mendesain Jembatan Golden Gate di San Francisco sedang merintis teori desain jembatan gantung baru. Mereka memverifikasi perhitungan kompleks mereka (semua dilakukan tanpa komputer pada tahun 1930-an) dari gaya yang harus ditahan dengan melakukan tes pada model menara baja pada skala 1:56. Itu 56 kali lebih kecil dari salah satu menara jembatan yang sebenarnya. Tes mengkonfirmasi bahwa perhitungan menara dari gaya yang diantisipasi, termasuk defleksi angin/gempa, sudah tepat—dan jembatan masih berdiri hingga hari ini, lebih dari 75 tahun kemudian.
Minta setiap kelompok mempresentasikan model roller coaster mereka ke kelas. Gunakan rubrik penilaian untuk mengevaluasi desain model roller coaster. Diskusikan hasilnya sebagai kelas, seperti yang dijelaskan di bagian Penilaian.
Kosakata/Definisi
Percepatan: Seberapa cepat suatu objek bertambah cepat, melambat, atau mengubah arah. Sama dengan perubahan kecepatan dibagi waktu.
Kecepatan kritis: Kecepatan yang dibutuhkan di puncak putaran agar gerobak bisa melewatinya tanpa jatuh dari lintasan.
Gaya: Setiap dorongan atau tarikan.
Gesekan: Gaya yang disebabkan oleh gesekan antara dua objek.
Gaya-g: Singkatan dari gaya gravitasi. Sama dengan gaya yang diberikan pada suatu objek oleh gravitasi Bumi di permukaan laut.
Konstanta gravitasi: Percepatan yang disebabkan oleh gravitasi Bumi di permukaan laut. Sama dengan 9.81m/detik2 (32.2ft/detik2).
Gravitasi: Gaya yang menarik dua objek satu sama lain.
Energi kinetik: Energi suatu objek yang bergerak, yang secara langsung berkaitan dengan kecepatan dan massanya.
Energi potensial: Energi yang disimpan oleh suatu objek yang siap digunakan. (Dalam pelajaran ini, kita menggunakan energi potensial gravitasi, yang secara langsung berkaitan dengan ketinggian suatu objek dan massanya.)
Kecepatan (speed): Seberapa cepat suatu objek bergerak dan sama dengan jarak yang ditempuh objek dibagi waktu yang dibutuhkan.
Kecepatan (velocity): Kombinasi kecepatan dan arah di mana suatu objek bergerak.
Penilaian
Penilaian Tersemat dalam Kegiatan
Fisika Terapan: Periksa apakah setiap kelompok memahami bagaimana dan mengapa roller coaster mereka bekerja. Jika sebuah roller coaster tidak berfungsi, tanyakan kepada siswa apa yang mereka pikirkan masalahnya. Lihat apakah mereka dapat mengidentifikasi batasan fisika dan menjelaskan masalah seperti "Tidak cukup tinggi," atau "Kelereng terlalu banyak bergesekan" dalam istilah fisika seperti "Itu tidak memiliki energi potensial yang cukup karena tidak cukup tinggi," atau "Gesekan antara kelereng dan lintasan terlalu besar."
Menentukan Kecepatan: Minta siswa mengukur panjang roller coaster mereka (yaitu, dapat mengukur jarak panjang tabung) dan waktu yang dibutuhkan kelereng untuk menyelesaikan lintasan. Minta siswa untuk menghitung kecepatan kelereng dalam m/s serta dalam ft/s.
Membuat Grafik: Selama pengujian, buat grafik hubungan antara ketinggian bukit pertama (independen) dan kecepatan rata-rata kelereng (dependen); jelaskan hubungannya (misalnya, seiring bertambahnya ketinggian, kecepatan bertambah).
Penilaian Pasca-Kegiatan
Lembar Kerja: Minta setiap siswa (atau setiap kelompok) untuk menyelesaikan Lembar Kerja Spesifikasi Roller Coaster, yang meminta mereka untuk mengidentifikasi beberapa titik kritis roller coaster serta spesifikasi lain seperti ketinggian dan jumlah putaran dan belokan. Tinjau jawaban siswa untuk mengukur pemahaman mereka tentang konsep.
Presentasi: Minta setiap kelompok mempresentasikan model roller coaster mereka ke kelas. Gunakan Rubrik Penilaian yang Disarankan untuk mengevaluasi roller coaster untuk kompetisi kelas. Diskusikan hasilnya sebagai kelas, dengan menanyakan siswa:
Roller coaster mana yang paling seru? Mana yang paling aman?
Mana yang menang untuk kreativitas? Mana yang menang untuk kinerja dan keamanan?
Model mana yang paling baik memenuhi tantangan keseluruhan untuk desain yang mendebarkan dan keamanan? Apa saja trade-off-nya? (Poin yang perlu dibuat: Insinyur menyebut ini optimasi, menyeimbangkan persyaratan proyek yang bersaing.)
Apa yang Anda pelajari dari menguji model Anda?
Jika Anda mendesain ulang roller coaster Anda, perbaikan apa yang akan Anda buat dan mengapa?
Apa yang akan terjadi jika Anda/insinyur mengabaikan hukum fisika fundamental dalam desain Anda/mereka?
Seberapa penting bagi Anda bahwa insinyur menguji desain mereka (untuk peralatan, mobil, jembatan, tangga, roller coaster, dll.) sebelum dibangun dan orang-orang menggunakannya?
Langkah-langkah dan teknik desain teknik apa yang kita gunakan hari ini? (Jawaban: Curah pendapat, pemodelan, simulasi, pengujian, analisis, perancangan ulang, optimasi.)
Masalah Keamanan
Pastikan siswa tidak menelan atau melempar kelereng.
Terpeleset karena kelereng di lantai bisa berbahaya. Minta siswa untuk segera mengambil kelereng yang jatuh.
Tips Pemecahan Masalah
Jika siswa kesulitan membuat roller coaster mereka berfungsi, kunjungi kembali pertimbangan fisika dasar:
Pastikan titik tertinggi roller coaster berada di awal.
Kurangi gesekan dengan memeriksa bahwa lintasan cukup lebar untuk dilewati kelereng.
Setiap deformasi lintasan yang terjadi saat kelereng digulirkan ke bawah lintasan mengakibatkan hilangnya energi, jadi buat roller coaster sestabil mungkin dengan merekatkannya ke penyangga (buku teks, dinding, meja, kursi, rak) di beberapa titik.
Skala Kegiatan
Untuk tingkat kelas yang lebih rendah, hilangkan banyak eksplorasi fisika di balik konten pelajaran. Minta siswa membangun roller coaster mereka sendiri dan menemukan sendiri banyak konsep yang dibahas secara rinci di tingkat kelas yang lebih tinggi (seperti konservasi energi, gesekan, dan gravitasi), dan mereka mungkin juga mampu memahami beberapa penjelasan dasar tentang gesekan dan gravitasi.
Untuk tingkat kelas yang lebih tinggi, perkenalkan persamaan untuk energi potensial dan kinetik sehingga siswa dapat menghitung kedua bentuk energi dan memverifikasi hukum konservasi energi. Minta siswa menjelajahi putaran bersama dengan konsep kecepatan kritis. Minta siswa mencari ketinggian awal roller coaster yang diperlukan untuk menyelesaikan putaran dengan ketinggian tertentu.
