אתגר 10 שניות, אתגר מסלול גולה - פרויקט STEAM

אתגר ה-10 שניות הוא אתגר מסלול גולה עם דגשים מדעיים ברורים (יסודי)

קהל יעד: כיתות ה'-ו' | זמן מומלץ: 3-4 שעות אקדמיות תחום תוכן: מדעי הפיזיקה - כוחות ותנועה, עולם הטכנולוגיה - תהליך התיכון.

התלמידים יתכננו ויבנו מסלול להעברת גולה על גבי לוח אנכי, המבוסס על עקרון מכונות פשוטות. האתגר המדעי הוא להפוך את כוח הכובד (שמושך למטה) למסלול ממושך ככל הניתן על ידי שימוש בחיכוך ובמנגנונים מכניים (מנופים). התוצר ההנדסי הוא "מסלול השהיה" פונקציונלי.

---

העוגן הקוריקולרי

מבוסס תוכנית הלימודים

• מדעי הפיזיקה (כוחות ותנועה):

  • הבנת כוחות הפועלים על גופים: כוח הכובד (ככוח מניע) וכוח החיכוך (ככוח מתנגד).

  • שינוי מצב תנועה: השפעת כוח על המהירות ועל כיוון התנועה.

  • אנרגיה: המרת אנרגיית גובה (פוטנציאלית) לאנרגיית תנועה (קינטית).

• טכנולוגיה (תהליך התיכון):

  • אפיון דרישות ואילוצים: תכנון לפי יעד זמן (10 שניות) ומידות (גובה הלוח).

  • בניית דגם (אב-טיפוס): שימוש בחומרים נגישים (Low-tech) לבחינת פתרונות הנדסיים.

  • הערכה ושיפור: ביצוע מדידות זמן (אוריינות נתונים) ואופטימיזציה של המבנה.

---

1. האתגר

• סיפור מסגרת: זהו אתגר הנדסה טהור: גובה הלוח הוא 100 ס"מ. בנפילה חופשית, הגולה תגיע לרצפה תוך פחות מחצי שנייה. המשימה שלכם היא "להאט את הזמן" באמצעים מכניים בלבד.

• המשימה: בנו מסלול המעביר גולה מראש הלוח לבסיסו במינימום זמן של 10 שניות, תוך שימוש במנגנון מכונות פשוטות.

• אילוצים קשיחים:

  • חובת מנגנון: המסלול חייב לכלול לפחות מנוף אחד שמופעל על ידי משקל הגולה ומשנה את נתיבה.

  • חומרים וחיכוך: חובה להשתמש בלפחות שני סוגי משטחים בעלי רמת חספוס שונה (למשל: קרטון חלק מול לבד/נייר זכוכית).

  • רציפות: אסור לגולה להיעצר ליותר מ-1 שניה. היא חייבת להיות בתנועה (גם אם איטית) לאורך כל הדרך.

2. פירוק - STEAM

מדעים (S)

הבנה שזווית השיפוע קובעת איזה חלק מכוח הכובד יפעל על הגולה ואיזה חלק יילחץ אל המשטח (כוח נורמלי) ויגדיל את החיכוך.

טכנולוגיה (T)

אופטימיזציה של חומרים. בחירת משטחים להגדלת הגרר והחיכוך.

הנדסה (E)

תכנון ציר הסיבוב (נקודת משען) במנוף כך שיפעל במומנט הנכון ביחס למשקל הגולה.

אומנות (A)

עיצוב פונקציונלי - תכנון המסלול בצורה שמאפשרת בקרה ויזואלית נוחה על הגולה במהלך הנסיונות החוזרים.

מתמטיקה (M)

חישוב זוויות / שיפועים ואוריינות נתונים.

---

3. אבולוציה של הפרויקט

אתגר 10 שניות - מסלול גולה הוא פרויקט שיכול להכיל מנגנונים שונים המשפיעים על הזמן הנדרש עבור המהלך

• בסיסי: מסלול זיג-זג פשוט המבוסס על שיפועים בלבד.

• מתקדם: הוספת מנוף המעביר את הגולה בין שני לוחות נפרדים.

• מייקרי-הנדסי: יצירת מסלול "סלאלום" שבו הגולה עוברת דרך חומרים צמיגיים או מברשות שמגדילות משמעותית את החיכוך.

4. דף עבודה לתלמיד

קישור להורדה

5. שאלות למדידת הבנה (למורה)

1. הבנת כוחות: "מדוע הגולה נעה לאט יותר על משטח לבד מאשר על קרטון חלק? ציין את שם הכוח הפועל כאן."

2. עקרון המנוף: "אם הגולה לא הצליחה להוריד את המנוף שבנית, לאן עליך להזיז את נקודת המשען (הציר) – קרוב יותר לצד של הגולה או רחוק ממנו? נמק."

3. המרת אנרגיה: "באיזה שלב במסלול הייתה לגולה את כמות האנרגיה הפוטנציאלית (אנרגיית גובה) הגדולה ביותר? מתי היא הפכה לאנרגיה קינטית (תנועה)?"

4. תהליך התיכון: "מה היה המכשול ההנדסי הכי משמעותי שמנע ממך להגיע ל-10 שניות בשימוש הראשון? איזה פתרון טכנולוגי יישמת כדי להתגבר עליו?"

5. אוריינות מידע: "הבט בתוצאות המדידה שלך. האם יש קשר בין זווית המישור המשופע לבין הזמן שנמדד? נסה להגדיר חוק פיזיקלי פשוט הנובע מהניסוי."