Fornecido pelo TryEngineering - Foco da lição Esta lição enfoca os testes em túnel de vento que engenheiros de várias áreas usam quando desenvolvem produtos como aeronaves, automóveis e até mesmo edifícios. Equipes de estudantes constroem um modelo de carro usando produtos do dia-a-dia e testam seu projeto em um túnel de vento feito de um ventilador soprando através de uma caixa de papelão comprida. Como atividade de extensão, os estudantes podem projetar uma asa de avião para um túnel de vento virtual on-line. Resumo da lição A lição Testes de túnel de vento explora como os túneis de vento fornecem aos engenheiros informações sobre o desempenho e durabilidade de produtos como aeronaves, automóveis e edifícios. Os estudantes trabalham em equipe para construir um modelo de carro, usando materiais simples, e testam seu projeto em um túnel de vento montado em sala de aula. Faixa etária 11-18. Objetivos Aprender sobre projeto de engenharia. Aprender sobre túneis de vento e testes em engenharia. Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo. Resultados esperados para os alunos Como resultado desta atividade, os estudantes devem desenvolver uma Projeto e engenharia mecânica. Testes em engenharia aeronáutica. Solução de problemas. Trabalho em equipe. Testes de túnel de vento Página 1 de 12
Atividades da lição Os estudantes aprendem como produtos como aeronaves, carros e caminhões são testados em túnel de vento para determinar seu desempenho e eficiência. As equipes de estudantes projetam um modelo de carro e testam-no em um túnel de vento simples em sala de aula, construído com um ventilador e uma caixa de papelão comprida. Em seguida, os estudantes desenham seu projeto, constroem-no, usando materiais de baixo custo, avaliam seu trabalho e o de outros estudantes e então apresentam suas observações à turma. 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 (). Túneis de vento da NASA (http://aocentral.arc.nasa.gov/). Projeto de vôos do futuro da NASA (http://futureflight.arc.nasa.gov/map.html). Voando no solo, túneis de vento do Centro de Pesquisas Glenn (www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs05grc.html). Túnel de vento interativo Wright 1901 (http://wright.nasa.gov/airplane/tunnl2int.html). Padrões da ITEA para a Educação Tecnológica: conteúdo para o estudo de tecnologia (www.iteaconnect.org/taa/publications/taa_public ations.html). Padrões Educacionais de Ciência dos EUA (www.nsta.org/standards). Leituras recomendadas Transonic Wind Tunnel Testing (ISBN: 0486458814). The Wright Brothers: A Biography of Aviation's Greatest Pioneers (ISBN: 0316861448). Atividade escrita opcional Escrever um ensaio ou parágrafo sobre que outros produtos manufaturados podem se beneficiar de testes em túnel de vento. Testes de túnel de vento Página 2 de 12
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, séries K-4 (idades de 4 a 9 anos) CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Posição e movimentos dos objetos. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Ciência e tecnologia na em desafios locais. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência Ciência como um esforço humano. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 5ª a 8ª séries (idades de 10 a 14 anos) CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Movimentos e forças. 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. Testes de túnel de vento Página 3 de 12
Para professores: Alinhamento a grades curriculares (continuação) CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Ciência e tecnologia na sociedade. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência História da ciência. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 9ª a 12ª séries (idades de 14 a 18 anos) CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas 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. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Riscos naturais e criados pelo homem. Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais. CONTEÚDO PADRÃO G: história e natureza da ciência 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 7: Os estudantes desenvolverão uma compreensão da influência da tecnologia na história. Testes de túnel de vento Página 4 de 12
Projeto Padrão 9: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do projeto de engenharia. 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 12: Os estudantes desenvolverão habilidades para usar e manter produtos e sistemas tecnológicos. Padrão 13: Os estudantes desenvolverão habilidades para avaliar o impacto de produtos e sistemas. O mundo projetado Padrão 20: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes de selecionar e usar tecnologias de construção. Testes de túnel de vento Página 5 de 12
Para professores: Recurso do professor Propósito da lição A lição Testes de túnel de vento enfoca os testes em túnel de vento que engenheiros de várias áreas usam quando desenvolvem produtos como aeronaves, automóveis e edifícios. Equipes de estudantes constroem um modelo de carro usando produtos do dia-a-dia e testam seu projeto em um túnel de vento feito de um ventilador soprando através de uma caixa de papelão comprida. Objetivos da lição Aprender sobre projeto de engenharia. Aprender sobre túneis de vento e testes em engenharia. Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo. Materiais Folha de recursos do aluno. Folhas de trabalho do aluno. Materiais para construir o túnel de vento em sala de aula: Pequeno ventilador portátil, caixa de papelão retangular com as extremidades removidas, fita para prender a caixa em uma posição fixa no chão. Deve-se incluir um tipo de medida (régua, marcas) para indicar a distância que os protótipos de carros se movem pela força do vento. Materiais (madeira, plástico) para montar uma rampa para testar cada carro, com uma inclinação de 15 graus. Um conjunto de materiais para cada grupo de estudantes: fita, barbante, filme plástico (usado para cobrir/proteger alimentos), papel alumínio, palitos de sorvete, palitos de dente, clipes de papel, papel, lápis, papelão, um tubo de papelão (de rolo de toalhas de papel ou de papel higiênico). Todos os materiais devem ser usados, para que cada carro tenha o mesmo peso. 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. Se houver acesso à internet, peça que os alunos trabalhem em equipe experimentando o túnel de vento virtual on-line em http://wright.nasa.gov/airplane/tunnl2int.html. Isso oferecerá uma melhor compreensão de como a forma de cada carro afetará os resultados. 3. Explique que cada grupo é agora uma equipe de engenharia que deve desenvolver um novo protótipo de automóvel que ofereça a melhor eficiência de combustível, através da criação do mínimo de arrasto ou resistência ao vento. 4. Os estudantes se reúnem e desenvolvem um plano para seu carro. 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. 5. Em seguida, os grupos de estudantes constroem seus protótipos. Todos os materiais precisam ser usados. Testes de túnel de vento Página 6 de 12
Para professores: Recurso do professor (continuação) Procedimento (continuação) 6. Os estudantes devem testar seus carros na rampa, para garantir que eles se movimentam, antes do teste. 7. O professor deve montar o túnel de vento na sala de aula e gerenciar o teste de cada carro, de forma que o teste do vento seja consistente entre as equipes de alunos. Os estudantes medirão a distância que o protótipo de carro é empurrado pelo vento; aquele que se mover menos é o que tem a menor resistência ao vento. 8. Cada grupo de estudantes avalia os resultados, preenche uma folha de trabalho de avaliação/reflexão e apresenta suas descobertas à turma. Dicas 1. Use cuidado com crianças mais novas e as pás do ventilador. 2. Se o tempo disponível permitir, dê aos estudantes a oportunidade de reprojetar seu carro, se eles determinarem que alterações podem melhorar o desempenho. Tempo necessário De duas a quatro sessões de 45 minutos. Testes de túnel de vento Página 7 de 12
Recurso do aluno: Tudo sobre túneis de vento O que são túneis de vento? Como o nome sugere, um túnel de vento é um tubo ou túnel por onde passa um vento criado artificialmente, a uma velocidade determinada. Cientistas e engenheiros colocam um modelo (por exemplo, de avião) no túnel, e então estudam como o ar se desloca ao redor do modelo. Observando como esse modelo (geralmente em escala reduzida) reage no túnel de vento, eles têm uma idéia razoavelmente boa de como um avião em escala real do mesmo projeto provavelmente voaria. É muito mais fácil, barato e seguro construir e testar um modelo do que construir e fazer voar um avião real. Como os túneis de vento funcionam? Os túneis de vento funcionam com base na idéia de que um modelo estacionário com ar se deslocando ao redor dele se comporta da mesma maneira de que um avião (ou outro veículo) em escala real se movendo através de ar estacionário. Às vezes apenas uma parte de um avião, como uma asa ou motor, é testada em um túnel de vento. Os modelos a serem testados, normalmente feitos de aço ou alumínio, são carregados com muitos instrumentos e sensores, que mandam dados a computadores na sala de controle. É ali que os cientistas, engenheiros e técnicos podem começar a entender qual está sendo o desempenho do avião. Como túneis de vento são usados na pesquisa aeroespacial? Os cientistas e engenheiros usam túneis de vento para estudar as pressões, forças e direções de fluxo de ar que afetam uma aeronave. A pressão é medida por pequenos dispositivos chamados de tomadas de pressão, que são colocados em diversos locais da superfície do modelo. As forças são registradas por sensores nas estruturas que suportam o modelo na seção de teste. A direção em que o ar flui ao redor do modelo pode ser vista por penachos de superfície, pequenos tufos de fibra presos ao modelo, se agitam ao redor dele. Às vezes é soprada fumaça na seção de teste, para facilitar a visualização de como o ar está fluindo. A partir desses diferentes tipos de medições, muito pode ser aprendido sobre o modelo sendo testado. Os túneis de vento variam em tamanho, de acordo com sua função. Alguns dos túneis de vento menores têm seções de teste com apenas alguns centímetros de largura e, assim, só podem ser usados com modelos muito pequenos. Outros túneis de vento têm seções de teste de diversos metros. O maior túnel de vento do mundo é o Complexo Aerodinâmico Nacional de Escala Plena do Centro de Pesquisas Ames da NASA, nos Estados Unidos. Sua seção de teste, de 24,4 x 35,6 m, permite acomodar um Boeing 737 de verdade dentro dela! Túneis de vento não são usados para testar apenas aeronaves. Qualquer coisa que tenha vento soprando ao redor dela ou passando por ela pode ser testada em um túnel de vento. Engenheiros já colocaram modelos de naves espaciais, carros, caminhões, trens, placas de trânsito, edifícios e até cidades inteiras em túneis de vento, para ver como melhorar seus projetos. (Alguns recursos desta página foram fornecidos por cortesia da NASA.) Testes de túnel de vento Página 8 de 12
Folha de trabalho do aluno: simulador de túnel de vento Vocês são uma equipe de engenheiros que recebeu a incumbência de construir um novo protótipo de automóvel que ofereça a melhor eficiência de combustível, através da criação do mínimo de arrasto ou resistência ao vento. Fase de pesquisa/preparação 1. Revisem as diversas folhas de referência do aluno e, se houver acesso à internet disponível, experimentem o túnel de vento virtual on-line em http://wright.nasa.gov/airplane/tunnl2int.html. Planejando em equipe 1. Sua equipe receberá alguns materiais de construção de seu professor. Vocês receberão fita, barbante, filme plástico (usado para cobrir/proteger alimentos), papel alumínio, palitos de sorvete, palitos de dente, clipes de papel, papel, lápis, papelão, um tubo de papelão (de rolo de toalhas de papel ou de papel higiênico) e devem usar todos os materiais fornecidos, para que todos os carros tenham o mesmo peso. 2. Comecem reunindo-se em equipe e criando um plano para seu carro. Sintam a força do vento do túnel de vento da sua sala de aula, para que possam prever o quanto seu carro precisará ser forte. Seu carro deve manter seu formato em todos os níveis de vento e se mover o mínimo, para indicar que ele tem a menor resistência ao vento. 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: Testes de túnel de vento Página 9 de 12
Folha de trabalho do aluno: simulador de túnel de vento Fase de construção 1. Construam seu carro! Teste da rampa Seu carro precisa passar pelo teste da rampa antes do teste do ventilador. Ele deve descer uma rampa montada com um ângulo de 15 graus e se movimentar pelo menos 1,2 m antes de estar certificado para o teste no túnel de vento. O teste no túnel de vento! 1. Observe sua equipe e as demais testarem seus protótipos no túnel de vento de sua sala de aula. Vocês devem realizar três testes cada e fazer a média dos valores encontrados. Registrem os resultados de sua equipe no quadro abaixo, incluindo pontos e observações. Teste nº 1 - resultados e observações Teste nº 2 - resultados e observações Teste nº 3 - resultados e observações Média dos resultados Reengenharia Se o tempo disponível permitir, vocês podem reprojetar seu carro, se determinarem que alterações podem melhorar o desempenho. Testes de túnel de vento Página 10 de 12
Folha de trabalho do aluno: avaliação Reflexão 1. Que distância seu carro percorreu quando o túnel de vento estava ligado? Como isso se compara às distâncias percorridas pelos outros modelos de carro de sua turma? 2. Qual vocês acham que foi o aspecto do projeto do carro que se moveu menos que fez dele o melhor no teste? 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? Testes de túnel de vento Página 11 de 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 engenharia? 7. Vocês acham que teria sido mais fácil fazer este projeto se estivessem trabalhando individualmente? Expliquem como o trabalho em equipe influenciou este projeto. 8. Listem vários produtos que vocês podem achar que tirariam proveito de testes em túnel de vento. Testes de túnel de vento Página 12 de 12