Subindo e descendo com engenharia

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1 Fornecido pelo TryEngineering - Foco da lição A lição enfoca a por trás dos elevadores. Equipes de estudantes exploram os princípios e os requisitos da viagem vertical e então projetam e constroem um elevador funcional para atender uma garagem de carros de brinquedo, usando rodas, roldanas, barbante, papelão e outros materiais. Resumo da lição A lição Subindo e descendo com explora a e os princípios por trás do funcionamento dos elevadores. Equipes de estudantes exploram a história dos elevadores, seu projeto e desenvolvem seu próprio elevador funcional, usando rodas, roldanas, barbante, papelão e outros materiais. As equipes de estudantes desenham seus elevadores de garagem de carrinhos de brinquedo primeiro no papel, depois executam seu plano e avaliam as estratégias empregadas pelas demais equipes de estudantes. Faixa etária Objetivos Aprender sobre projeto de. Aprender sobre o funcionamento dos elevadores. Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo. Resultados esperados para os alunos Como resultado desta atividade, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Projeto e mecânica. Solução de problemas. Trabalho em equipe. Atividades da lição Os estudantes aprendem como os elevadores atendem as necessidades das pessoas, exploram como eles funcionam e então trabalham em equipe para desenvolver um projeto próprio de elevador para atender a uma garagem de carrinhos de brinquedo. As equipes planejam seu sistema, usando os materiais fornecidos, desenham seu projeto, constroemno, resolvem problemas conforme a necessidade, avaliam seu trabalho e o de outros estudantes e então apresentam suas observações à turma. Subindo e descendo com Página 1 de 12

2 Recursos/Materiais Documentos de recursos do professor (anexos). Folhas de trabalho do aluno (anexas). Folhas de recursos do aluno (anexas). Alinhamento a grades curriculares Consulte a folha de alinhamento curricular anexa. Recursos na internet TryEngineering (). Otis Mundial ( A história dos elevadores Otis on-line ( Museu do elevador ( Padrões da ITEA para a Educação Tecnológica: conteúdo para o estudo de tecnologia ( Compêndio McREL de Padrões e Marcas de Referência ( Uma compilação dos padrões atuais do currículo K-12 (ensino fundamental e médio) dos EUA, em formatos pesquisável e navegável. Padrões Educacionais de Ciência dos EUA ( Leituras recomendadas Up, Down, Across: Elevators, Escalators, and Moving Sidewalks (ISBN: ). Vertical Transportation 3E (ISBN: ). Atividade escrita opcional A invenção do elevador teve um enorme impacto na civil e no planejamento urbano. Escreva um ensaio ou parágrafo sobre como você acha que a invenção do elevador teve impacto na silhueta da paisagem da cidade onde você mora. Subindo e descendo com Página 2 de 12

3 Para professores: Alinhamento a grades curriculares Nota: Todos os planos de aula deste conjunto são alinhados ao National Science Education Standards dos EUA, produzidos pelo National Research Council e endossados pela National Science Teachers Association, e, se aplicável, ao Standards for Technological Literacy da International Technology Education Association e ao Principles and Standards for School Mathematics do National Council of Teachers of Mathematics. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 5ª a 8ª séries (idades de 10 a 14 anos) CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Movimentos e forças. Transferência de energia. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades da 5ª a 8ª série, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Ciência e tecnologia na sociedade. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: História da ciência. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 9ª a 12ª séries (idades de 14 a 18 anos) CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Movimentos e forças. Interações entre matéria e energia. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. Subindo e descendo com Página 3 de 12

4 Para professores: Alinhamento a grades curriculares (continuação) CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Perspectivas históricas. Padrões para a Educação Tecnológica - todas as idades A natureza da tecnologia Padrão 1: Os estudantes desenvolverão uma compreensão das características e do escopo da tecnologia. Padrão 2: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos conceitos fundamentais da tecnologia. Padrão 3: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos relacionamentos entre tecnologias e as conexões entre tecnologia e outros campos de estudo. Tecnologia e sociedade Padrão 4: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos efeitos culturais, sociais, econômicos e políticos da tecnologia. Padrão 5: Os estudantes desenvolverão uma compreensão da influência da tecnologia no meio ambiente. Padrão 6: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da sociedade no desenvolvimento e uso da tecnologia. Padrão 7: Os estudantes desenvolverão uma compreensão da influência da tecnologia na história. Projeto Padrão 8: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos atributos de projeto. Padrão 9: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do projeto de. Padrão 10: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da busca de erros, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e experimentação na solução de problemas. Habilidades para um mundo tecnológico Padrão 11: Os estudantes desenvolverão habilidades para aplicar o processo de projeto. Padrão 13: Os estudantes desenvolverão habilidades para avaliar o impacto de produtos e sistemas. O mundo projetado Padrão 18: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes de selecionar e usar tecnologias de transporte. Subindo e descendo com Página 4 de 12

5 Para professores: Recurso do professor Propósito da lição A lição Subindo e descendo com explora a e os princípios por trás do funcionamento dos elevadores. Os estudantes exploram a história dos elevadores, seu projeto e desenvolvem seu próprio elevador funcional para uma garagem de carrinhos de brinquedo, usando rodas, roldanas, barbante, papelão e outros materiais. As equipes de estudantes desenham seu elevador primeiro em papel, então executam seu plano e avaliam as estratégias empregadas pelas demais equipes de estudantes. Objetivos da lição Aprender sobre projeto de. Aprender sobre o funcionamento dos elevadores. Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo. Materiais Folha de recursos do aluno. Folhas de trabalho do aluno. Um conjunto de materiais para cada grupo de estudantes: o Cola, barbante, clipes de papel, papel, lápis, papelão, tubos de papelão (como os de rolos de papel higiênico e de papel toalha), pincéis atômicos, roldanas ou carretéis de linha (3), corda fina, linha de pescar, caixa de papelão para servir como sala do elevador (caixa de sapato, embalagem de leite longa vida), carrinhos de brinquedo pequenos. Procedimento 1. Mostre aos estudantes as diversas folhas de referência do aluno. Elas podem ser lidas em sala ou fornecidas como material de leitura como lição de casa para a noite anterior à aula. Divida os alunos em grupos de 2 a 3 estudantes, fornecendo um conjunto de materiais por grupo. 2. Explique que os estudantes são agora uma equipe de que deve desenvolver um elevador movido à mão para transportar carros para um prédiogaragem de três andares. (Você pode determinar uma capacidade de carga mínima ou determinar o uso de carros todos de peso semelhante.) Os elevadores devem parar com segurança em cada andar e transportar um carrinho de brinquedo de um dado peso. 3. Os estudantes se reúnem e desenvolvem um plano para seu sistema de elevador. Eles chegam a um consenso sobre os materiais de que precisarão (dentre aqueles que você tiver fornecido), escrevem ou desenham seu plano e então apresentam o plano à turma. 4. Em seguida, os grupos de estudantes executam seus planos. Eles podem precisar repensar seu plano, adicionar materiais ou começar tudo de novo. 5. Cada grupo de estudantes avalia os resultados, preenche uma folha de trabalho de avaliação/reflexão e apresenta suas descobertas à turma. Subindo e descendo com Página 5 de 12

6 Dicas Para acelerar o processo de construção, você pode optar por criar o prédio-garagem de três andares antes e então fazer com que cada equipe leve seu elevador até o prédio, para testá-lo. Isso elimina a necessidade de que cada equipe construa sua própria garagem. As garagens podem ser três caixas de sapatos unidas com fita adesiva ou outra estrutura simples. Além disso, se os estudantes decidirem por colar qualquer parte de seu sistema elevador, isso pode exigir um período de secagem de um dia para outro. Tempo necessário De duas a quatro sessões de 45 minutos. Subindo e descendo com Página 6 de 12

7 Recurso do aluno: A história dos elevadores História do elevador Um elevador é um aparelho de transporte usado para mover bens ou pessoas verticalmente. A primeira referência a um elevador está localizada nas obras de um arquiteto romano de nome Vitrúvio, que informou que Arquimedes havia construído seu primeiro elevador provavelmente em 236 a. C. Em algumas fontes literárias históricas de períodos posteriores, elevadores eram mencionados como cabines que usavam corda de cânhamo e eram movidos à mão ou pela força de animais. Em 1853, Elisha Otis introduziu o elevador de segurança, que impedia a queda da cabine caso o cabo se rompesse. O projeto do OTIS de segurança era relativamente parecido com o tipo de elevador ainda usado hoje em dia. O elevador de segurança usava um mecanismo especial para travar o carro do elevador no lugar, caso os cabos de tração falhassem. Otis tornou possível a construção de arranha-céus, ao proporcionar transporte mecânico seguro aos andares superiores. Otis e outros fabricantes Em 23 de março de 1857 foi instalado o primeiro elevador Otis, no número 488 da Broadway, na Cidade de Nova York. O primeiro poço de elevador precedeu o primeiro elevador em quatro anos. A construção do edifício Cooper Union, de Peter Cooper, em Nova York, começou em Um poço de elevador foi incluído no projeto do Cooper Union porque Cooper tinha total confiança de que um elevador de passageiros seguro seria logo inventado; o poço, no entanto, era circular, porque Cooper achava que esse seria o desenho mais eficiente. Mais tarde, Otis projetou um elevador especial para uma escola, a Cooper Union.Evaluate your teams' different results, complete the evaluation worksheet, and present your findings to the class Hoje a Otis Elevator Company, atualmente uma subsidiária da United Technologies Corporation, é a maior fabricante mundial de sistemas de transporte vertical, seguida pela Schindler, Thyssen-Krupp, Kone e Fujitec. De acordo com a United Technologies, os elevadores da Otis transportam o equivalente à população mundial a cada nove dias. A seguir está o desenho da patente de elevador de Elisha Otis, de 15/01/1861. Subindo e descendo com Página 7 de 12

8 Recurso do aluno: A história dos elevadores (continuação) Tipos de elevador De forma geral, existem três meios de mover um elevador. 1. Elevadores de tração: Máquinas de tração com engrenagem são impulsionadas por motores elétricos de CA ou CC. Máquinas com engrenagem usam engrenagens do tipo rosca sem fim para controlar mecanicamente o movimento da cabine do elevador, rolando cabos de tração de aço sobre uma polia de tração, que é conectada a uma caixa de engrenagens movida por um motor de alta velocidade. Um freio é montado entre o motor e a polia de tração (ou caixa de engrenagens) para manter o elevador estacionário em um andar. Os sulcos existentes na polia de tração são especialmente projetados para impedir que os cabos escorreguem. A tração é fornecida aos cabos através do contato com os sulcos da polia, vindo daí o nome. À medida que os cabos envelhecem e os sulcos de tração se desgastam, parte da tração é perdida e os cabos precisam ser substituídos e a polia de tração consertada ou trocada. 2. Elevadores hidráulicos: Os elevadores hidráulicos convencionais foram inicialmente desenvolvidos pela Dover Elevator (atualmente ThyssenKrupp Elevator). Eles são bastante comuns em edifícios pequenos e médios (2 a 10 andares) e usam um pistão hidráulico para empurrar o elevador para cima. Em alguns modelos, o pistão hidráulico consiste em tubos telescópicos concêntricos, que permitem que um tubo oco contenha o mecanismo abaixo do andar mais baixo. Em outros, o pistão exige um buraco mais profundo abaixo do andar mais baixo, normalmente com uma caixa de PVC (também conhecida como caixão) para proteção. 3. Elevador de escalada: Um elevador de escalada é um elevador autopropulsado, ou seja, que tem seu próprio motor. A propulsão pode ser realizada por um motor elétrico ou a combustão. Elevadores de escalada são usados em torres e mastros de corda, para proporcionar fácil acesso a partes dessas construções (por exemplo, para dar manutenção a luzes de segurança de vôo). Você sabia? - O elevador da nova prefeitura de Hanover, Alemanha, é uma raridade técnica e único na Europa, já que ele começa reto para cima mas então muda seu ângulo em 15 graus, para seguir o contorno da cúpula do prédio. - Elevadores de carga pequenos, muitas vezes chamados de monta-cargas, são freqüentemente usados para mover objetos pequenos, tais como pratos em uma cozinha de dois andares e livros em bibliotecas e lojas de vários andares. Monta-cargas especialmente antigos eram operados à mão com uma roldana com corda, sendo encontrados em casas, escritórios e outros prédios da época vitoriana, quando tais aparelhos estavam em seu auge. Subindo e descendo com Página 8 de 12

9 Recurso do aluno: Vantagem mecânica O que é vantagem mecânica Em física e, a vantagem mecânica (VM) é o fator pelo qual um mecanismo multiplica a força aplicada nele. A seguir estão máquinas simples para as quais é calculada a vantagem mecânica. A viga mostrada está em equilíbrio estático em relação ao ponto de apoio, ou fulcro. Isso ocorre porque o momento criado pela força vetorial A, em sentido anti-horário (momento: A*a) está em equilíbrio com o momento criado pela força vetorial B, em sentido horário (momento: B*b). O vetor da força B, relativamente pequeno, é transformado em um vetor de força relativamente maior, A. A força é, portando, aumentada na razão entre as forças A e B, que é igual à razão entre as distâncias até o fulcro de b e a. Essa razão é chamada de vantagem mecânica. Esta situação ideal não leva em conta o atrito. Roda e eixo: Uma roda é essencialmente uma alavanca com um braço sendo a distância entre o eixo e um ponto externo da roda e o outro o raio do eixo. Normalmente essa é uma diferença bastante grande, levando a uma vantagem mecânica proporcionalmente grande. Isso permite que mesmo rodas simples, com eixo de madeira, apoiado em blocos de madeira, continuem rodando livremente, porque seu atrito é suplantado pela força rotacional da roda multiplicada pela vantagem mecânica. Roldana: As roldanas mudam a direção/sentido de uma força de tração sobre um material flexível, por exemplo, uma corda ou cabo. Além disso, roldanas podem ser reunidas para criar vantagem mecânica, se o material flexível for passado por várias roldanas uma após a outra. Mais passagens e roldanas aumentam a vantagem mecânica. Subindo e descendo com Página 9 de 12

10 Folha de trabalho do aluno: construam seu elevador Vocês são uma equipe de engenheiros que receberam a tarefa de construir um pequeno sistema dce elevador para transportar carrinhos para uma garagem de brinquedo de três andares. Seu elevador deve ser capaz de parar com segurança em cada andar e transportar um carrinho de brinquedo de um dado peso. Fase de pesquisa/preparação 1. Revisem as diversas folhas de referência do aluno. Planejando em equipe 1. Sua equipe receberá alguns materiais de construção de seu professor. Vocês terão cola, barbante, clipes de papel, papel, lápis, papelão, tubos de papelão (como os de rolos de papel higiênico e de papel toalha), pincéis atômicos, roldanas ou carretéis de linha (3), corda fina, linha de pescar, caixa de papelão para servir como sala do elevador (caixa de sapato, embalagem de leite longa vida), carrinhos de brinquedo pequenos e outros recursos. 2. Comecem reunindo-se em equipe e criando um plano para construir o elevador. Pensem como incorporarão as roldanas e fixarão os materiais na sala do elevador, que pode ser uma embalagem de leite longa vida pequena, caixa de macarrão ou outra caixa de alimento. 3. Escrevam ou desenhem seu plano no quadro abaixo, incluindo a projeção dos materiais de que precisarão para realizar a construção. Apresentem seu projeto à turma e expliquem sua escolha de materiais. Vocês podem, se quiserem, revisar o plano da equipe depois de receberem feedback da turma. Materiais necessários: Subindo e descendo com Página 10 de 12

11 Folha de trabalho do aluno: avaliação Fase de construção 5. Construam seu elevador! 6. Avaliem os resultados de sua equipe, preencham a folha de trabalho de avaliação e apresentem suas descobertas à turma. Usem esta folha de trabalho para avaliar os resultados de sua equipe na lição Subindo e descendo com. 1. Vocês conseguiram criar um elevador capaz de levar os carrinhos aos três andares do prédio-garagem? Se não, por que ele falhou? 2. Vocês precisaram pedir material adicional ou materiais diferentes enquanto construíam o elevador? Se sim, o que aconteceu entre a fase de projeto (desenho) e a construção em si que alterou suas necessidades de materiais? 3. Vocês acham que os engenheiros têm de adaptar seus planos originais durante o processo de manufatura? Por que eles teriam de fazer isso? 4. Se fossem fazer tudo de novo, como seu projeto planejado mudaria? Por quê? Subindo e descendo com Página 11 de 12

12 Folha de trabalho do aluno: avaliação (continuação) 5. Que projetos ou métodos outras equipes usaram que vocês acham que funcionaram bem? 6. Vocês acham que houve muitos projetos em sua sala que atenderam o objetivo do projeto? O que isso lhes diz sobre planos em? 7. Vocês acharam que houve vantagem em trabalhar em equipe neste projeto? Expliquem. 8. Vocês acham que as expectativas dos passageiros tiveram impacto no projeto dos elevadores? Por exemplo, como o projeto foi ajustado para acomodar pessoas com deficiências físicas? 9. Que considerações de segurança vocês acham que os engenheiros devem integrar a novos projetos de elevador? Por exemplo, muitos elevadores têm interfones dentro da cabine, para o caso de emergências. O que mais vocês podem identificar? Subindo e descendo com Página 12 de 12