núm 17 
Primavera 2016
Societat Catalana de Física

Inici

Sumari      5/8 


El gravitomòbil
Joan Sánchez Marín
La idea fonamental és que l'alumnat entengui que l'energia no és res màgic, sinó que, l'energia és una magnitud física que es pot expressar numèricament, a diferència del que passa en les pseudociències, en les quals la paraula «energia» s'usa sense miraments per referir-se a tot una colla de conceptes de difícil concreció, quan no a simples invencions sense cap fonament. Expressions com: «energia vital», «energia positiva o negativa» o «energia mental» no tenen sentit des del punt de vista de la ciència. Aquesta activitat ens ha d'ajudar a identificar l'energia com una magnitud més.
Amb aquesta intenció l'alumnat ha de construir un petit cotxe que es mogui amb energia gravitatòria. La caiguda d'una massa lligada a una politja farà moure un dels eixos de les rodes del vehicle.
Amb aquesta excusa també es poden treballar altres conceptes com per exemple: la velocitat mitjana, la potència, el fregament, la degradació de l'energia, la dispersió en les mesures, la transmissió del moviment i algunes normes del dibuix tècnic.


Construcció

La joguina que hem de construir és un cotxe el qual es mourà gràcies a una pesa que penja d'un fil que passa per una politja. El fil es troba enrotllat a l'eix d'una de les rodes. La caiguda de la pesa farà moure les rodes del cotxe. L'alumnat, per començar l'experiència, ha d'observar un vídeo o un dibuix explicatiu com a la figura 1.

Fig. 1: Esquema de gravitomòbil.

Materials suggerits

  • Brik.
  • Fil de cosir.
  • Palets de fusta o filferro rígid (per als eixos).
  • Taps de suro.
  • Cartolina.
  • Canyetes de plàstic de beure suc.
  • Monedes de cèntim, cargols o clips.
  • Paper.
  • Taps de plàstic (per a les rodes).
  • Cinta adhesiva.

 




Orientacions per al professorat

Temporització

El temps recomanat és de 4 sessions d'una hora, encara que aquest temps es podria modificar bàsicament en funció del nombre alumnes, de la seva autonomia, dels coneixements previs i del suport familiar.

Sessió

Temps
(min)

Activitat

Comentari

1

15

Presentació d'objectius

Se suposa que aquest projecte és l'aplicació després d'haver treballat l'energia potencial gravitatòria i com es calcula. Si no fos així, s'hauria de dedicar més temps a reflexionar sobre aquest concepte i, tanmateix, més temps al control i l'avaluació. S'han de fer els grups. No haurien de ser superiors a 3 alumnes, ja que el projecte no té gaire complexitat.

1

30

Planificació

És important deixar clar la importància de la "repetibilitat" dels experiments o dels projectes científics, atès que això dóna validesa i credibilitat als resultats obtinguts.

1

15

Decidir

En aquesta fase el professorat passarà per cada taula donant suport a la feina que s'està desenvolupant. El temps és orientatiu, depènà del grup.

2

60

Realització

L'estratègia de treball és de prova i error, ja que només es demana que el gravitomòbil funcioni (que es mogui el cotxe). Quedaria per a altres projectes estudiar la relació entre diferents variables. Si algun grup ho proposa, quedaria com a feina d'ampliació per a grups avançats però,en tot cas, fora d'horari de classe.Si no ho han acabat l'han de finalitzar a casa. A la sessió de control, si algun grup té dificultats, es poden fer modificacions per tal que funcioni.

3

60

Control

En aquesta sessió es revisen si s'han assolit els objectius del projecte i si cal tornar al principi ("replanificar").

4

60

Avaluació

En aquesta última sessió es pot fer una exposició ràpida omplint una taula comuna a la pissarra amb les dades següents: nom del cotxe, massa, alçada, energia, desplaçament i velocitat mitjana. Una altra opció és fer un petita exposició o concurs no competitiu per mostrar els projectes.

 

Alumnat al qual s’adreça l’experiència

En aquesta proposta el nivell més adient és el de 2n d'ESO. No obstant això, es poden plantejar problemes més ambiciosos en cursos posteriors com ara: calcular els diferents tipus de fregaments, realitzar les gràfiques d'espai, velocitat i acceleració en funció del temps, trobar l'eficiència del gravitomòbil, etc.

Metodologia

Es proposa la metodologia de treball per projectes. L'alumnat ha d'aplicar l'estratègia d'assaig i error; no obstant això, s'ha de desenvolupar la competència científica pel fet que:

  • Les conclusions s'han de basar en les dades experimentals.
  • S'ha de ser conscient de la repetibilitat de l'experiment.
  • S'han de fer mesures i fer una estimació del seu error.
  • S'han d'emetre hipòtesis que donarien peu a nous experiments.

Orientacions tècniques

Es pot demanar que els alumnes facin una taula amb tres columnes: problema, proposta de solució i avaluació. Els problemes típics que s'han de resoldre són la reducció dels fregaments, la selecció de la massa i de les transmissions adients i el fregament o adherència de la roda a terra (això no obstant, tot plegat ho poden resoldre per prova i error).




Full de l’alumnat

Objectiu

El treball s'hauria de realitzar en grups de no més de 3 alumnes. Serà obligatori fer una llibreta o diari de laboratori.

Com a producte final, cada grup ha de lliurar el següent:

 

1) Gravitomòbil construït amb el màxim de material reciclat.

2) Un informe, redactat a partir del diari de laboratori, amb els apartats següents:

  • Procés de construcció amb foto i croquis amb mides (repetibilitat d'un projecte científic).
  • Càlcul de l'energia potencial gravitatòria (en joules).
  • Càlcul del desplaçament total.
  • Càlcul de la velocitat mitjana.
  • Llista de les dificultats trobades i com s'han pogut resoldre.
  • Hipòtesis sobre per què dos cotxes amb la mateixa energia fan desplaçaments diferents.
  • Conclusions.

Introducció

Què és l'energia?

L'energia és la capacitat de produir un treball. Habitualment costa d'entendre que l'energia sigui una magnitud física ja que, en un principi, no es pot mesurar directament.

Un cotxe de gasolina té energia acumulada en forma química. Aquesta es pot transformar en calor en el pistó i convertir-la posteriorment en energia mecànica. El moviment del pistó es transmet a les rodes per la qual cosa es realitzarà finalment un treball en desplaçar el vehicle d'un lloc a un altre.

En un cotxe elèctric tenim l'energia acumulada en unes bateries. L'energia de la reacció química a les bateries es transforma en energia elèctrica. En el motor es transformarà l'energia elèctrica en energia cinètica que aprofitarem per a moure el nostre vehicle. Finalment, haurem realitzat el treball que volíem: desplaçar el cotxe.

Dit d'una altra manera: sempre partim d'una energia acumulada per tal de produir el treball que volem.

Sabem que l'energia hidroelèctrica es fonamenta en el fet de tenir aigua acumulada en un embassament a les muntanyes. Quan l'aigua surt de la presa fa moure uns generadors que transformen el moviment de l'aigua en electricitat. A l'energia acumulada a l'embassament se l'anomena energia potencial gravitatòria.

Com podríem construir un cotxe que es mogui a partir de l' energia gravitatòria?

Fig. 2: Esquema de construcció

La proposta consisteix a aplicar la idea següent : a un cotxe li pengem un pes d'un fil que passa per una politja. Aquest fil alhora ha d'estar enrotllat en l'eix d'una de les rodes. Quan caigui el pes per acció de la gravetat, aquest, a través del fil, farà moure les rodes. En podeu veure un exemple a la figura 2.

Material suggerit

  • Brik
  • Fil de cosir
  • Palets de fusta o filferro rígid (per als eixos)
  • Taps de suro
  • Cartolina
  • Canyetes de plàstic de beure suc
  • Monedes de cèntim, cargols o clips
  • Paper
  • Taps de plàstic (per a les rodes)
  • Cinta adhesiva

Realització

1. Fase: Planificar

Fig. 3: Model de gravitomòbil

En aquesta fase, el grup haurà de redactar una llista de tasques previstes per tal d'arribar als objectius plantejats. Podrà haver-hi més d'una planificació. Sigui com sigui, tot ha de quedar reflectit al quadern de laboratori.

2. Fase: Decidir

Les alternatives definides a la fase de planificació s'han d'avaluar. Per fer-ho podeu, per exemple, puntuar-les o també votar-les. Comenteu-ho amb el professor; només així podreu passar a la fase de realització.

NOTA: Al diari deixeu prou espai entre línies per tal de retocar-les en el futur. Mai esborreu ni utilitzeu el Tipp-Ex i, si escau, ratlleu-les. Només feu servir el llapis si heu de fer un croquis.

3. Fase: Realitzar

Recordeu que heu d'anotar al diari de laboratori qualsevol acció que sigui important respecte al projecte i també com us organitzareu.

Apunteu especialment les dificultats que us aneu trobant i les estratègies per a resoldre-les.

4. Fase Controlar/avaluar

Heu d'anotar la taula d'avaluació (rúbrica) i revisar-la periòdicament. El professorat farà una ullada a aquesta taula i us donarà suport per a aconseguir els objectius.

Anàlisi i tractament de les dades

Les mesures s'han de repetir com a mínim 3 vegades. Calculeu l'error amb la dispersió (la major menys la menor) dividida per 2 i com a valor doneu la mitjana (dels tres valors) arrodonida en funció de la primera xifra significativa de la dispersió.

Rúbrica d'avaluació

Criteri

No fet

S'ha de millorar

Fet

A les conclusions faig servir la definició qualitativa d'energia

 

 

 

Calculo l'energia potencial gravitatòria

 

 

 

Faig les mesures com a mínim tres vegades i, calculo la mitjana i la dispersió

 

 

 

Calculo la velocitat mitjana

 

 

 

Faig hipòtesis sobre l'eficiència energètica

 

 

 

Faig hipòtesis sobre l'existència del fregament com a força

 

 

 

Faig conclusions respecte a la degradació i estalvi de l'energia

 

 

 

La informació donada permet repetir el projecte i obtenir així les mateixes conclusions

 

 

 

Calculo el fregament global (ampliació)

 

 

 

 

 




Fitxa (model per al'alumnat)

1. Mesura del recorregut del pes

Fent servir un regle, mesura la distància màxima que pot recórrer el pes.

Mesura

1

2

3

Distància (m)

 

 

 

 

Instrument de mesura  

Error de l'instrument (m)

 

Estimació de l'error de dispersió [(major – menor)/2] (m)

Recorregut del pes (m)

 

2. Mesura de la massa del pes

Instrument de mesura: marca i model

 

Error de l'instrument (kg)

 

Mesura de la massa del pes (kg)

Massa del pes (kg)

 

3. Mesura del recorregut del cotxe

Mesura

1

2

3

Distància (m)

 

 

 

 

Instrument de mesura  

Error de l'instrument (m)

 

Estimació de l'error de dispersió [(major – menor)/2] (m)

Distància recorreguda (8m)

 

4. Mesura del temps mitjà

Aquesta mesura es pot realitzar amb un cronòmetre manual; no obstant això, es pot suggerir de fer una gravació en vídeo i fer servir el cronòmetre d'un editor de vídeo.

Mesura

1

2

3

Distància (m)

 

 

 

 

Error de l'instrument (m)

 

Estimació de l'error de dispersió [(major – menor)/2] (m)

Temps recorregut (s)

 

 

5. Càlcul de la velocitat mitjana (m/s)

 

 

6. Càlcul de l'energia

 

 

On és la massa que cau en , és l'acceleració de la gravetat en i és el recorregut màxim del pes en .

7. Com definiries l'energia?

 

 

 

 

8. De què pot dependre que el cotxe arribi més lluny?

 

 

 

 

9. On és l'energia abans, durant i després del desplaçament?

 

 

 

 

 


Solucions


Fitxa (model per a l'alumnat)

1. Mesura del recorregut del pes

Fent servir un regle, mesura la distància màxima que pot recórrer el pes.

Mesura

1

2

3

Distància (m)

 

Instrument de mesura Marca i model

Error de l'instrument (m)

Estimació de l'error de dispersió [(major – menor)/2] (m)

Recorregut del pes (m)




2. Mesura de la massa del pes

Instrument de mesura: marca i model

Marca i model

Error de l'instrument (kg)

Mesura de la massa del pes (kg)

Massa del pes (kg)

3. Mesura del recorregut del cotxe

Mesura

1

2

3

Distància (m)

 

 

 

 

Instrument de mesura Marca i model

Error de l'instrument (m)

 

Estimació de l'error de dispersió [(major – menor)/2] (m)

Distància recorreguda (8m)

 

4. Mesura del temps mitjà

Aquesta mesura es pot realitzar a un cronòmetre manual; no obstant això, es pot suggerir de fer una gravació en vídeo i fer servir el cronòmetre d'un editor de vídeo.

Mesura

1

2

3

Distància (m)

 

 

 

 

Error de l'instrument (m)

 

Estimació de l'error de dispersió [(major – menor)/2] (m)

Temps recorregut (s)

 

 

5. Càlcul de la velocitat mitjana (m/s)

 

 

6. Càlcul de l'energia

 

 

On és la massa que cau en , és l'acceleració de la gravetat en i és el recorregut màxim del pes en .

7. Com definiries l'energia?

Si és possible, s'espera que l'alumnat expressi la definició qualitativa d'energia amb les seves paraules. També hauria d'explicar com es calcula l'energia gravitatòria en particular.

 

 

 

8. De què pot dependre que el cotxe arribi més lluny?

S'ha d'apreciar que s'elaboren hipòtesis en les quals apareguin la màxima quantitat de variables que hi puguin influir. S'ha de valorar també la imaginació sempre que sigui versemblant.

 

 

 

9. On és l'energia abans, durant i després del desplaçament?

S'ha de veure una explicació de com es transformen les energies: potencial gravitatòria, cinètica i calorífica.

 

 

 

 




Sumari  5/8 

Inici

ISSN: 1988-7930 DL:  B-31773-2012   Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Octavi Plana, Jaume Pont i Santi Vilchez
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona

     
Programació web:
Xavier Jaén i Daniel Zaragoza.

Correcció lingüística:
Serveis Linguïstics de la Universitat Politècnica de Catalunya.
Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons
Creative Commons License

Recursos de Física col·labora amb la baldufa i també amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)