Φτιάξτε ένα χάρτινο ελικόπτερο για τον Άρη

Γενικά

Το ρόβερ Perseverance Mars της NASA εκτοξεύτηκε τον Ιούλιο του 2020, μεταφέροντας το πρώτο ελικόπτερο στην επιφάνεια του Άρη ! Αυτό το ελικόπτερο έπρεπε να είναι ελαφρύ και να έχει μεγάλους έλικες για να πετάξει εκεί. Αυτοί οι μεγάλοι έλικες περιστρέφονται τόσο γρήγορα που δημιουργούν αρκετή άνωση για να ξεπεράσουν τη βαρύτητα του Κόκκινου Πλανήτη και να σηκωθούν από το έδαφος.

Υλικά

• Απλό χαρτί ή ένα αντίγραφο του προτύπου – Λήψη PDF
• Ψαλίδια
• Μεζούρα
• Μολύβι
• (Προαιρετικό) Μια ελαφριά χάρτινη κορδέλα μήκους 3 μέτρων ή μια κάμερα smartphone

Διαχείριση

Έχετε έτοιμα επιπλέον αντίγραφα του προτύπου ή κενό χαρτί, ώστε οι μαθητές να μπορούν να φτιάξουν πολλά ελικόπτερα.

Συμβουλές για εξ αποστάσεως διδασκαλία

• Εάν διδάσκετε διαδικτυακά και οι μαθητές δεν έχουν πρόσβαση σε εκτυπωτή, ζητήστε τους να φτιάξουν το πρότυπο κρατώντας ψηλά ένα κομμάτι χαρτί στην οθόνη του υπολογιστή τους. Υπενθυμίστε τους να μην πιέζουν δυνατά και να μην καταστρέφουν την οθόνη τους.
• Εάν οι μαθητές μαθαίνουν από το σπίτι και δεν έχουν μεζούρα ή χάρακα, ζητήστε τους να επιλέξουν κάτι για να χρησιμοποιήσουν ως μη τυπικό εργαλείο μέτρησης. Τα μολύβια λειτουργούν καλά.
• Εάν οι μαθητές μαθαίνουν από το σπίτι και δεν έχουν πρόσβαση σε ένα κομμάτι κορδέλας, βάλτε τους να κολλήσουν λεπτές λωρίδες χαρτιού μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια κορδέλα.

Ιστορικό

Τον Ιούλιο του 2020, η NASA εκτόξευσε το ρόβερ Perseverance στον Άρη. Μαζί με το το Perseverance ταξίδεψε και το Ingenuity, το πρώτο ελικόπτερο που σχεδιάστηκε για να πετάξει στον Άρη . Ένα μικρό αυτόνομο αεροσκάφος, το Ingenuity έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί τις πρώτες δοκιμές πτήσης με κινητήρα σε έναν άλλο κόσμο. Τους μήνες μετά την προσγείωση του Perseverance, το ελικόπτερο κατέβηκε από την κοιλιά του ρόβερ στην επιφάνεια του Άρη και δοκίμασε την πτήση με κινητήρα στη λεπτή ατμόσφαιρα του πλανήτη.

Το Ingenuity πραγματοποίησε μια σειρά δοκιμαστικών πτήσεων σε ένα παράθυρο 30 ημερών του Άρη και ξεκίνησε την άνοιξη του 2021. (Μια Αρειανή ημέρα, ή sol, είναι 24 ώρες και 37 λεπτά.) Για την πρώτη του πτήση, το Ingenuity αιωρήθηκε λίγα μέτρα πάνω από το έδαφος για περίπου 20 με 30 δευτερόλεπτα και μετά προσγειώθηκε. Αυτό και μόνο ήταν ένα σημαντικό επίτευγμα: η πρώτη πτήση με κινητήρα στην εξαιρετικά λεπτή ατμόσφαιρα του Άρη! Μετά από αυτό, η ομάδα επιχείρησε κι άλλες πειραματικές πτήσεις σε μεγαλύτερη απόσταση και σε μεγαλύτερο ύψος. Η απόδοση του Ingenuity κατά τη διάρκεια αυτών των πειραματικών πτήσεων θα βοηθήσει στη λήψη αποφάσεων σχετικά με τη μελλοντική χρήση μικρών ελικοπτέρων για την εξερεύνηση του Άρη. Τα μελλοντικά ελικόπτερα του Άρη θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως ρομποτικοί ανιχνευτές, να ερευνούν το έδαφος από ψηλά ή να λειτουργούν ως αυτόνομα επιστημονικά σκάφη που μεταφέρουν ωφέλιμα φορτία οργάνων.

Μάθετε πώς οι μηχανικοί της JPL κατασκεύασαν ένα ελικόπτερο που θα μπορούσε να κάνει την πρώτη πτήση με κινητήρα στον Άρη. | Δείτε στο YouTube

Ο σχεδιασμός ενός ελικοπτέρου που θα πετούσε στον Άρη δεν ήταν και μικρό έργο. Η ατμόσφαιρα του Άρη έχει μόνο το 1% της πυκνότητας της ατμόσφαιρας της Γης, επομένως το να πετύχεις αρκετή άντωση για να ξεπεραστεί η βαρύτητα του Άρηείναι μια πρόκληση. Το ελικόπτερο έπρεπε να είναι ελαφρύ με εξαιρετικά γρήγορους κινητήρες για να μπορεί να παράγει αρκετή ανύψωση. Αν και δεν μπορούσε να γίνει στη γη μια πλήρης υπαίθρια δοκιμή , οι μηχανικοί κατάφεραν να προσομοιώσουν τις συνθήκες στον Άρη μέσα σε ένα δοκιμαστικό θάλαμο στο Εργαστήριο Αεριωθούμενης Προώθησης της NASA στη Νότια Καλιφόρνια. Για να γίνει αυτό, αντιστάθμισαν τη βαρύτητα της Γης συνδέοντας με σύρματα το ελικόπτερο που υποστηρίζαν περίπου το 62% του βάρους του. Στη συνέχεια, πραγματοποίησαν πτητικές δοκιμές μέσα σε έναν θάλαμο κενού που αντλούσε περίπου το 99% του αέρα, αφήνοντας μια πολύ λεπτή ατμόσφαιρα. Μήνες σχεδιασμού, δοκιμών, επανασχεδιασμού και επαναληπτικών δοκιμών οδήγησαν στην ανάπτυξη του ελικοπτέρου Ingenuity Mars. Αν και οι μηχανικοί βρήκαν τον καλύτερο σχεδιασμό που λειτούργησε καλά μέσα στο θάλαμο δοκιμών, η πραγματική δοκιμή έγινε όταν το ρόβερ Perseverance προσγειώθηκε στην επιφάνεια του Άρη.

Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές σας θα πειραματιστούν με απλά χάρτινα σχέδια ελικοπτέρων, συμμετέχοντας στη διαδικασία μηχανικού σχεδιασμού που χρησιμοποιούν καθημερινά οι μηχανικοί της NASA.

Διαδικασίες

1. Ζητήστε από τους μαθητές να περιγράψουν πώς πετά ένα ελικόπτερο. Τα στοιχεία της περιγραφής τους θα πρέπει να περιλαμβάνουν έννοιες όπως τα γρήγορα κινούμενα, οριζόντια, περιστροφικά πτερύγια.
2. Εξηγήστε ότι οι περιστρεφόμενες λεπίδες είναι ελαφρώς λοξές, ώστε να μπορούν να σπρώξουν τον αέρα και να σηκώσουν το ελικόπτερο από το έδαφος.
3. Ρωτήστε τους μαθητές τι άλλο περιστρέφεται και πιέζει τον αέρα (π.χ. ένας ανεμιστήρας). Ζητήστε τους να συγκρίνουν και να αντιπαραβάλουν έναν ανεμιστήρα με ένα ελικόπτερο. Για παράδειγμα, και οι δύο σπρώχνουν τον αέρα με παρόμοιους τρόπους, αλλά το ελικόπτερο μετακινεί μεγάλο όγκο αέρα προς τα κάτω, ενώ ένας ανεμιστήρας συνήθως μετακινεί μικρότερο όγκο αέρα προς το μέρος μας.
4. Εξηγήστε ότι ένα ελικόπτερο μετακινεί τόσο πολύ αέρα με τις μεγάλες, ταχέως κινούμενες λεπίδες του, που η δύναμη των λεπίδων ενάντια στον αέρα μπορεί να υπερνικήσει το βάρος του ελικοπτέρου και να το ωθήσει προς τα επάνω. Το ελικόπτερο λειτουργεί ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας –η οποία το τραβά συνεχώς προς τα κάτω προς το έδαφος– και δημιουργεί μια ανοδική δύναμη που ονομάζεται «άντωση» περιστρέφοντας τις λεπίδες του στον αέρα. Όταν η δύναμη της άντωσης είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη της βαρύτητας, το ελικόπτερο σηκώνεται από το έδαφος και πετάει.
5. Ρωτήστε τους μαθητές εάν ένα ελικόπτερο μπορεί να πετάξει διαφορετικά στη Σελήνη ή στον Άρη και γιατί. Σημείωση: Η Σελήνη δεν έχει ατμόσφαιρα για να δημιουργήσει αρκετή άντωση για την πτήση. Ο Άρης έχει μια πολύ λεπτή ατμόσφαιρα που μπορεί να μπορεί να υποστηρίξει ένα μικρό ελικόπτερο με πολύ γρήγορα κινούμενα πτερύγια. Το ελικόπτερο Mars Ingenuity της NASA απέδειξε ότι αυτό είναι εφικτό.
6. Δείξτε στους μαθητές αυτό το βίντεο σχετικά με το ελικόπτερο Mars Ingenuity της NASA :

   Αυτό το ελικοπτεράκι ήταν μια επίδειξη τεχνολογίας. Με άλλα λόγια, ο στόχος του ήταν να δούμε αν μπορεί να πετάξει στον Κόκκινο Πλανήτη και να μελετήσουμε πώς θα μπορούσε να βελτιωθεί ο σχεδιασμός για ένα μελλοντικό ελικόπτερο του Άρη.

7. Εξηγήστε στους μαθητές ότι οι μηχανικοί έπρεπε να κάνουν πολλές δοκιμές για να καταλάβουν ποιος σχεδιασμός λειτουργούσε καλύτερα. Δείξτε τους αυτό το βίντεο σχετικά με τη δοκιμή της συσκευής στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA: Εξηγήστε τους ότι τώρα θα πειραματιστούν με την κατασκευή ενός χάρτινου ελικοπτέρου και θα προσπαθήσουν να δημιουργήσουν το καλύτερο σχέδιο.
8. Για να βάλετε τους μαθητές να κατασκευάσουν τα ελικόπτερα τους ως ανεξάρτητο έργο, ζητήστε τους να ακολουθήσουν τις οδηγίες. Οι οδηγίες που κατευθύνονται από τον δάσκαλο συνεχίζονται παρακάτω.

   

   Κόψτε το ελικόπτερο.

   

   Διπλώστε κατά μήκος των συμπαγών γραμμών.

   

   Δοκιμαστική πτήση.

   

   Σύγκριση αντίστασης.

   

   Καταμέτρηση περιστροφών. Πίστωση εικόνας: NASA/JPL-Caltech | + Αναπτύξτε την εικόνα

9. Ζητήστε από τους μαθητές να κόψουν τις διακεκομμένες γραμμές του προτύπου του ελικοπτέρου.
10. Ζητήστε από τους μαθητές να διπλώσουν τα πτερύγια της φτερωτής, Α και Β, σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος των συμπαγών γραμμών. Τα τμήματα X και Y διπλώνουν προς το κέντρο και το Z αναδιπλώνεται προς τα πάνω για να δώσει στο σώμα του ελικοπτέρου ακαμψία και να χαμηλώσει το κέντρο βάρους του για πιο σταθερή πτήση.
11. Ζητήστε από τους μαθητές να κάνουν μια δοκιμαστική πτήση όρθιοι, κρατώντας το ελικόπτερο από το σώμα του, σηκώνοντάς το όσο πιο ψηλά μπορούν στον αέρα και ρίχνοντάς το. Ρωτήστε τους: Τι παρατηρείτε; Σε ποια κατεύθυνση στρίβουν οι λεπίδες; Ρίξτε το ελικόπτερο από ψηλότερο σημείο. (Ας ανέβουν σε μια σκάλα ή ένα σκαμπό. ) Πώς αλλάζει η απόδοση;
12. Ρωτήστε τους μαθητές τι θα μπορούσαν να αλλάξουν στο ελικόπτερο τους για να επηρεάσουν την απόδοσή του. Ενθαρρύνετέ τους να κάνουν μια αλλαγή και να πργαματοποιήσουν άλλη μια πτώση. Εάν οι μαθητές δυσκολεύονται να σκεφτούν αλλαγές, προτείνετε να δοκιμάσουν να κάνουν ένα ακόμη δίπλωμα στο κάτω μέρος του ελικοπτέρου τους ή να προσπαθήσουν να κοντύνουν ή να αλλάξουν το σχήμα των λεπίδων. Πώς αλλάζει η απόδοση; Γιατί η επιλεγμένη αλλαγή έχει αυτό το αποτέλεσμα; Ζητήστε τους να μοιραστούν τις αλλαγές και τα αποτελέσματά τους.
13. Ρωτήστε τους μαθητές αν μπορούν να καταλάβουν τι κάνει τα πτερύγια να γυρίζουν πιο γρήγορα ή πιο αργά. Ζητήστε τους να καταλάβουν πώς θα μπορούσαν τα πτερύγια να γυρίσουν προς την αντίθετη κατεύθυνση.
14. Ζητήστε από τους μαθητές να σκεφτούν πώς θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση του ελικοπτέρου τους και να φτιάξουν ένα άλλο διαφορετικό από το πρώτο τους. Ζητήστε τους να χρησιμοποιήσουν διαφορετικό είδος χαρτιού ή να φτιάξουν ένα πολύ μικρότερο ή πολύ μεγαλύτερο. Πόσο μεγάλο ελικόπτερο μπορείτε να φτιάξετε που θα εξακολουθεί να λειτουργεί; Πόσο μικρό ελικόπτερο μπορείτε να φτιάξετε; Πώς συγκρίνονται σε απόδοση ελικόπτερα με διαφορετικά μεγέθη πτερυγίων; Ποιο μέγεθος λειτουργεί καλύτερα; Πώς ορίζετε την «καλύτερη απόδοση»;
15. Ρωτήστε τους μαθητές τι συμβαίνει με το ελικόπτερο όταν το ρίχνουν από μεγαλύτερα ύψη. Οι περισσότεροι μαθητές θα πρέπει να πουν ότι οι λεπίδες περιστρέφονται για περισσότερο χρόνο.
16. Ζητήστε από τους μαθητές να ρίξουν ένα από τα ελικόπτερα τους και προσπαθήστε να μετρήσετε πόσες φορές περιστρέφονται τα πτερύγια. Είναι αδύνατο! Ρωτήστε πώς θα μπορούσαν να λύσουν το πρόβλημα της μέτρησης των περιστροφών. Οι μεγαλύτεροι μαθητές μπορεί να έχουν smartphone και να μπορούν να εγγράψουν ένα βίντεο αργής κίνησης. Οι νεότεροι μαθητές μπορεί να παραξενευτούν από την πρόκληση.
17. Ζητήστε από μαθητές με πρόσβαση σε βίντεο αργής κίνησης να προχωρήσουν προς αυτή την κατεύθυνση. Ζητήστε από άλλους μαθητές να κολλήσουν μια κορδέλα στο κάτω μέρος του ελικοπτέρου τους, να πιάσουν την άκρη της κορδέλας για να την κρατήσουν σταθερά στο πάτωμα και να ρίξουν το ελικόπτερο όπως πριν. Μόλις το ελικόπτερο ακουμπήσει στο έδαφος, ζητήστε τους να μετρήσουν πόσες φορές τυλίχτηκε η κορδέλα για να καθορίσουν πόσες περιστροφές έκανε το ελικόπτερο τους.
18. Ζητήστε από τους μαθητές να σχεδιάσουν ένα πείραμα που θα τους επιτρέψει να προβλέψουν τον αριθμό των περιστροφών που θα πραγματοποιήσει το ελικόπτερο τους από άγνωστο ύψος. Ζητήστε τους πραγματοποιήσουν ρίψεις από διαφορετικά ύψη, χρησιμοποιώντας μια μεζούρα ή μια μη τυπική μονάδα μέτρησης. Ζητήστε τους να αρχίσουν να το ρίχνουν από το χαμηλότερο δυνατό σημείο – συνήθως περίπου μισό μέτρο από το έδαφος – και να καταγράφουν τον αριθμό των στροφών. Ζητήστε τους να φτιάξουν ένα διάγραμμα t για να καταγράψουν την απόσταση από την οποία το έριξαν και τον αριθμό των στροφών.

Πίνακας Τ, καταμέτρησης αριθμού περιστροφών από διαφορετικά ύψη

Ύψος (σε εκατοστά)	Αριθμός περιστροφών

19. Ζητήστε από τους μαθητές να επαναλάβουν μετρήσεις για διάφορα ύψη που μπορούν εύκολα να φτάσουν.
20. Ζητήστε από τους μαθητές να σχηματίσουν γραφικά τα αποτελέσματά τους σε ένα επίπεδο xy.
21. Ζητήστε από τους μαθητές να προσθέσουν το ύψος ενός σκαμνιού ή της σκάλας στο ύψος που μπορούν να φτάσουν και να χρησιμοποιήσουν το γράφημά τους για να υπολογίσουν τον αριθμό των στροφών που θα επιτύχει το ελικόπτερο σε μια πτώση από αυτό το ύψος. Ζητήστε από τους μεγαλύτερους μαθητές να δημιουργήσουν έναν κανόνα ή φόρμουλα για τον υπολογισμό του αριθμού των στροφών από ένα δεδομένο ύψος.
22. Αφού καταγράψουν την εκτίμησή τους, ζητήστε από τους μαθητές να ανέβουν στο σκαμπό ή τις σκάλες και να ρίξουν το ελικόπτερο. Θα χρειαστούν ένα συμμαθητή τους ή μέλος της οικογένειας για να κρατήσει το κάτω μέρος της κορδέλας σταθερό στο πάτωμα.
23. Όσο το επιτρέπει ο χρόνος, ζητήστε από τους μαθητές να πειραματιστούν με διαφορετικά σχέδια ελικοπτέρων και να μετρήσουν και να περιστρέψουν γραφήματα. Ποια σχέδια περιστρέφονται πιο αργά και ποια πιο γρήγορα;

Συζήτηση

• Ποια ελικόπτερα φτάνουν νωρίτερα στο έδαφος: αυτά που περιστρέφονται πιο γρήγορα ή πιο αργά;
• Πώς επηρεάζει η ταχύτητα περιστροφής την πτήση ενός πραγματικού ελικοπτέρου; Πόσο σημαντικό μπορεί να είναι αυτό κατά τον σχεδιασμό ενός ελικοπτέρου για τον Άρη;
• Πώς ήταν η εμπειρία σας στο σχεδιασμό και τη δοκιμή ενός χάρτινου ελικοπτέρου παρόμοια με τον τρόπο που οι μηχανικοί της NASA σχεδίασαν και δοκίμασαν το ελικόπτερο Ingenuity Mars;

Εκτίμηση

• Οι μαθητές θα πρέπει να μπορούν να πειραματιστούν με το σχεδιασμό του ελικοπτέρου τους για να αλλάξουν την απόδοση.
• Οι μαθητές θα πρέπει να είναι σε θέση να επιδείξουν την ικανότητα πρόβλεψης περιστροφών με βάση πειραματικά δεδομένα.

Επεκτάσεις

• 

  Κωδικοποιήστε ένα βιντεοπαιχνίδι με ελικόπτερο για τον Άρη

  Δημιουργήστε ένα βιντεοπαιχνίδι που επιτρέπει στους παίκτες να εξερευνήσουν τον Κόκκινο Πλανήτη με ένα ελικόπτερο όπως αυτό που πήγε στον Άρη με το ρόβερ Perseverance της NASA!