Jato francês AOK Spacejet (design de asa fechada) no Paris Air Show 2013.
Foto cortesia de Tangopaso. Domínio público.
- Comprimento: Variável
- Objetivos e Padrões
- Materiais e
- Procedimento e
- Apostilas e
Do que se trata
Esta atividade apresenta aos alunos a prática da engenharia e os incentiva a pensar como engenheiros. Os alunos aprenderão sobre os fatores que afetam o voo ao projetar e construir dois tipos de cilindros voadores. Em seguida, eles usarão a página “Abordagem de um engenheiro” para testar e melhorar seus planadores.
Os aviões vêm em vários tamanhos e formatos. A maioria tem corpo, um ou mais conjuntos de asas, cauda e um ou mais motores. Desde que o avião consiga voar, vale quase tudo!
Os engenheiros aeronáuticos devem levar em conta vários fatores ao projetar um novo avião: sustentação, peso, empuxo e arrasto. Estas são chamadas de quatro forças de fuga.
A sustentação é o que tira um avião do chão. Na maioria dos aviões, a sustentação é gerada pelo formato das asas. À medida que um avião avança, suas asas empurram o ar para baixo. O impulso para baixo é conhecido como “força de ação”. Simultaneamente, o avião experimenta uma “força de reação” igual e oposta que o empurra para cima. Os engenheiros aeronáuticos chamam essa força de reação de “elevação”.
A maioria das asas dos aviões são curvas na parte superior, planas na parte inferior e ligeiramente inclinadas para baixo em direção à parte traseira. A borda dianteira da superfície superior é arredondada, enquanto a borda traseira da asa de um avião é suavemente inclinada. À medida que um avião avança, parte do ar se move acima de suas asas e parte flui sob elas. Como a superfície superior é curva, a pressão do ar sobre a asa é reduzida pelo fluxo de ar. Isso faz com que o ar se curve para baixo ao passar pela borda de fuga da asa, produzindo uma força descendente. Ao mesmo tempo, o ar abaixo da asa também é empurrado para baixo pela parte inferior ligeiramente inclinada. A força descendente produzida pelas superfícies superior e inferior da asa cria a força oposta e igual que levanta o avião do solo (ver ilustração, PDF).
Quanto mais rápido o avião avança, maior será a sustentação produzida. É por isso que um avião acelera na pista. Quando a velocidade e a sustentação aumentarem para níveis suficientes, o avião decolará. Por outro lado, um avião chegando para pousar deve ser desacelerado para reduzir a sustentação. Para compensar a menor velocidade do ar, o piloto inclina segmentos das asas para baixo, empurrando assim mais ar sob as asas e mantendo sustentação suficiente para evitar que o avião caia do céu.
Uma segunda força, o peso, se opõe à sustentação. Peso é a medida do efeito da gravidade na massa do avião. A gravidade da Terra “puxa” o avião em direção ao solo. Para superar a força da gravidade e conseguir voar, um avião deve gerar mais sustentação do que o peso total do avião, seu combustível e todo o seu conteúdo. Se um avião perder sustentação, o peso (gravidade) fará com que ele caia.
As outras duas forças de voo são o impulso e o arrasto (ver ilustração, PDF). Empuxo é a força de avanço criada pelas hélices ou motores a jato ou foguete à medida que sopram o ar ou o escapamento para trás para impulsionar o avião. Arrastar – fricção com o ar enquanto um avião avança – funciona na direção oposta. Para voar para frente, um avião deve produzir um empuxo maior do que as forças de arrasto que o impedem. Os engenheiros aeronáuticos tentam simplificar os projetos de seus aviões para que os aviões cortem o ar suavemente. Um avião com muito arrasto não será muito eficiente. Contanto que a sustentação seja maior que o peso e o empuxo seja maior que o arrasto, qualquer formato de avião voará.
Nesta atividade, os alunos farão e testarão tubos voadores, chamados planadores de asas anelares. A força muscular dos alunos fornecerá impulso e a sustentação virá do formato de seus planadores.
Objetivos e Padrões
Materiais e configuração
Computador com projetor e acesso à Internet
Vídeo: Projete sua vida
Materiais por dupla de alunos
10 pequenos clipes de papel
5 centavos, arruelas e outros pesos pequenos
Tesoura
Várias folhas de papel em diferentes tamanhos e gramaturas (por exemplo, jornal, papel vegetal, cartolina, etc.; consulte a etapa 6)
Cópia das páginas “Ring Wing Glider 1” e “Ring Wing Glider 2”
Materiais por aluno
2 folhas de papel de cópia colorido (8,5 pol. x 11 pol.)
Cópia da página “A abordagem de um engenheiro”
Faça amostras dos dois planadores. Pratique arremessar planadores
Faça 24 cópias da página “A abordagem de um engenheiro” (uma por aluno).
Procedimento e Extensões
Qual é a questão?
Você pode trabalhar como um engenheiro?
Tempo: 1–2 sessões
O que fazer
Pergunte aos alunos se eles sabem o que os engenheiros fazem. Escreva suas ideias no quadro. Em seguida, peça-lhes que identifiquem semelhanças entre os empregos listados. Explique que os engenheiros trabalham com materiais para resolver problemas. Alguns constroem pontes sobre rios. Outros projetam estruturas para suportar cargas pesadas sob muitas condições diferentes. Outros ainda criam estradas sobre passagens nas montanhas e túneis através das montanhas. Mas os engenheiros fazem mais do que construir coisas; eles aplicam todos os tipos de ciência para resolver uma ampla variedade de problemas. Não é de surpreender que existam muitos tipos de engenheiros: engenheiros civis, biológicos, estruturais, geomecânicos, municipais, de biomateriais, mecânicos, químicos, de informática, agrícolas, climáticos e até mesmo portadores de laptop.
Distribua cópias de “A abordagem de um engenheiro” aos alunos e discuta o processo. Em seguida, mostre aos alunos o vídeo de Judy Lee, engenheira mecânica e designer de produtos. Ela explica como é ser engenheira e o processo que ela e seus colegas seguem para projetar um novo produto. Depois de assistir ao vídeo, Engineer Your Life, peça aos alunos que compartilhem o que aprenderam sobre a Sra. Lee e seu trabalho.
Explique aos alunos que eles começarão a investigar o mundo da engenharia aprendendo como as coisas funcionam. Usando as instruções passo a passo na página “Ring Wing Glider 1”, peça aos alunos que sigam enquanto você modela o processo para transformar o papel em um planador. Não diga a eles o que estão fazendo. Quando o planador estiver concluído, pergunte: O que é isso? Os alunos terão uma variedade de respostas. Depois que eles tiverem a oportunidade de examinar o cilindro e apresentar todas as suas ideias, jogue o planador pela sala. A melhor maneira de conseguir um “bom” voo é lançá-lo como se fosse uma bola de futebol – mas não compartilhe essa técnica com os alunos ainda.
Peça aos alunos que joguem seus cilindros. Não lhes dê conselhos ou instruções; em vez disso, deixe-os experimentar diferentes técnicas. Depois que os alunos tiverem tempo suficiente para testar diferentes estilos de arremesso, reagrupem-se e peça-lhes que compartilhem suas observações. Pergunte: Como você jogou o cilindro para fazê-lo voar mais longe ou permanecer no ar por mais tempo? Os alunos descobrirão que, para obter melhores resultados, o cilindro deve ser lançado com a extremidade pesada voltada para frente. Você pode demonstrar o porquê segurando uma folha de papel horizontalmente e deixando-a cair. Os alunos observarão que o papel balança ao cair no chão. Adicione alguns clipes de papel grandes em uma das extremidades e a folha de papel começará a deslizar ao cair. Peça aos alunos que testem seus cilindros novamente com essas novas informações.
Peça aos alunos que façam e testem um segundo planador com um design diferente, usando o conjunto de instruções na página “Ring Wing Glider 2”.
Depois que os alunos testarem e explorarem o voo de cada cilindro, pergunte: Você poderia modificar seus cilindros para fazê-los voar mais longe ou permanecer no ar por mais tempo? Peça aos alunos que façam um brainstorming e discutam maneiras de melhorar o desempenho de seus planadores. Eles podem sugerir adicionar peso à frente, alterar formas, usar diferentes tipos de papel ou outras modificações.
Deixe os alunos trabalharem em pares para projetar um novo cilindro que voe mais longe e/ou por mais tempo. Cada equipe deve desenhar um diagrama de seu novo cilindro, rotular as peças e considerar possíveis modificações que possam fazer após os testes para melhorar seu voo. Em seguida, peça aos alunos que escolham os materiais disponíveis (cartolina, jornal, clipes de papel, etc.) para construir seus novos planadores.
As equipes devem testar seus novos panfletos, registrar os resultados e ajustar seus designs, conforme necessário.
Para fazer o balanço, peça a cada equipe que apresente seus resultados e explique os motivos de quaisquer ajustes em seu design. Peça aos alunos que descrevam os desafios encontrados ao conceberem os seus panfletos e como abordaram esses desafios. Consulte novamente as quatro forças de fuga. Pergunte: Como sua equipe melhorou a sustentação, diminuiu o peso, melhorou o empuxo e reduziu o arrasto em seu panfleto? Peça a cada equipe que compare seu processo de projeto e teste com a lista criada para a etapa 1. Pergunte: Quais trabalhos de engenharia você realizou?
Promova uma discussão em classe sobre o potencial das asas circulares para futuros aviões. Pergunte: quais são as vantagens e desvantagens deste design? Como seriam os aviões? Você gostaria de voar em um?
Desafie os alunos a construir planadores de asas anelares a partir de outros materiais (por exemplo, folha de alumínio) e/ou fazer planadores em diferentes tamanhos e formas (ver ilustrações, PDF).
Reproduza o vídeo Aeronautical Oddities, que mostra coleções de cinejornais de aviões incomuns, incluindo uma versão de uma asa circular que realmente voa.
Apostilas e downloads
Número da concessão: DRL-1028771