Nohy v teple Zimní boty

Nohy v teple Zimní boty Materiálové inženýrství Materiály, přenos tepla, izolace a vědecké metody Určeno pro žáky ve věku 9 až 12 let

Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

Obsah Obsah ............................................................................................................................................ 2 Přehled projektu ........................................................................................................................... 3 Potřeby .......................................................................................................................................... 4 Lekce 1 – Jaké je zadání? Seznámení s úkolem ........................................................................ 8 Lekce 2 – Co potřebujeme vědět? .............................................................................................. 12 Lekce 3 – Začínáme stavět! ......................................................................................................... 20 Lekce 4 – Co jsme udělali? Splnili jsme zadání? Vyhodnocení pracovních metod a výsledků .........................................................................…..24 Pracovní listy ................................................................................................................................ 26 Žákovský pracovní list 1.1 – Konstrukční proces ........................................................................... 27 Žákovský pracovní list 1. 2 – Pohled na podrážky ...................................................................….. 28 Žákovský pracovní list 2. 1 – Co se stane sněhulákovi? ……........................................................ 29 Žákovský pracovní list 2.2: Jak uchovat kostky ledu zmrzlé .......................................................... 30 Žákovský pracovní list 2.3: Vnímání a měření světa ...................................................................... 31 Žákovský pracovní list 2.4 – Dobré a špatné vodiče tepla ............................................................. 32 Žákovský pracovní list 2.5: Testování izolačních materiálů ............................................................ 33 Žákovský pracovní list 2.5: Testování izolačních materiálů – strana 2 ........................................... 34 Pracovní list 3.1 – ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK ..................................................................... 35 Pracovní list 3.2 – PŘEMÝŠLENÍ ................................................................................................... 36 Pracovní list 3.3 – PLÁNOVÁNÍ ..................................................................................................... 37 Pracovní list 3. 4 – ZKONSTRUOVÁNÍ ….......................................................................................38 Pracovní list 3. 5 – TESTOVÁNÍ ……............................................................................................. 39 Pracovní list 3.6 – VYLEPŠOVÁNÍ ................................................................................................. 40 Pracovní list 3.7 – DRUHÝ TEST ................................................................................................... 41 Pracovní list 4.1 – Co jsme udělali? ............................................................................................... 42 Vědecké poznámky pro učitele, které se týkají izolantů ........................................................... 43 Některé z představ žáků o principech izolace ........................................................................... 46 Základní informace pro učitele .................................................................................................... 47


2

Přehled projektu Potřebná doba: 370 minut (6 hodin 10 minut) Cílová skupina: žáci ve věku 9 až 12 let Popis: V tomto projektu budou žáci v rolích materiálových inženýrů hledat řešení úkolu vyvinout a vyrobit izolační podrážku pro boty. Zadání je představeno v kontextu školního výletu do Grónska. Po příjezdu do Grónska žáci zjistí, že kufry s veškerou zimní výbavou zmizely. Protože mají na příští den naplánovaný výlet se psím spřežením, musejí si sami vyrobit takové podrážky pro boty, které udrží jejich nohy po celou dobu v teple. Rámcově vzdělávací program: • člověk a svět práce – konstrukční činnosti – práce s návodem, předlohou, jednoduchým náčrtkem • člověk a svět práce – konstrukční činnosti – stavebnice (plošné, prostorové, konstrukční), sestavování modelů • člověk a jeho svět - místo, kde žijeme – Evropa a svět • člověk a jeho svět - rozmanitost přírody – životní podmínky • člověk a svět práce – práce s drobným materiálem – vlastnosti materiálu (přírodniny, modelovací hmota, papír a karton, textil, drát, folie aj.) Technický obor: Tento projekt představuje oblast materiálového inženýrství. Cíle: V tomto projektu se žáci naučí: • jaké jsou principy izolace, • jaké jsou schopnosti různých materiálů izolovat přenos tepla a další jejich vlastnosti, • využít znalosti získané při zkoumání izolačních a tepelně vodivých vlastností materiálů při vývoji a výrobě podrážky pro boty, • pracovat s vlastními nápady a rozvíjet je, řešit zadání v rámci konstrukčního procesu. Lekce v tomto projektu: Přípravná lekce je zaměřená na zlepšení povědomí žáků o tom, jak se inženýrství podílí na našem každodenním životě, i když to není na první pohled patrné. Lekce 1 představuje konstrukční zadání, jeho kontext a konstrukční proces. Třída se vypravila do Grónska, ale jejich zavazadla se zimní výbavou se ztratila, a žáci tak jako konstruktéři musejí navrhnout a vyrobit nové izolační podrážky pro své boty. V této lekci žáci využijí své dříve získané znalosti o izolačních vlastnostech materiálů a výrobě podrážek pro boty. Jako pracovní metoda je představen pětifázový konstrukční proces. V lekci 2 ve fázi „zadání a pokládání otázek“ se žáci seznámí s vědeckými základy přenosu tepla a izolačních vlastností různých materiálů. Lekce 3 provede žáky uplatněním jednotlivých fází konstrukčního procesu při řešení zadání výroby izolační podrážky pro boty. Žáci aplikují své znalosti o izolaci tak, aby jejich podrážka splnila všechny požadavky zadání. Na základě výsledků testování svých návrhů žáci provedou vyhodnocení a vylepšení. V lekci 4 budou vyhodnoceny výsledky a způsob práce žáků.


3

Potřeby Seznam všech materiálů a jejich množství potřebných pro 30 žáků.

Seznam materiálu

Celkový počet

Staré boty pro úpravu

15

Kostky ledu

50

50

Polystyrenové termokelímky

10

10

10 10 10

10 10

10 10 10

10 10 10

1

1

Tyčky z různých materiálů (10 cm × 0,5 cm): Železo Měď Hliník Dřevo Plast Sklo

Rychlovarná konvice

Lekce 0

Lekce 1

Lekce 2

Lekce 3

Lekce 4

15


4

Nástroje pro zhotovení otvorů (například hřebíky)

10

10

Digitální teploměr (s přesností 0,1 stupně)

10

10

10

Stopky

10

10

10

Chladicí vložky

10

10

10

Nůžky

10

10

10


5

10

10

10

Kuchyňské utěrky (pro vrchní a 20 spodní část podrážky)

10

10

Středně velké krabičky zápalek (se zápalkami)

12

12

12

Igelitové sáčky, 2 l

20

20

20

Pěnové utěrky

1 balení

1 balení

1 balení

Vlna (např. ponožky)

4 páry

4 páry

4 páry

Pravítka


6

200

200

200

Noviny

4

4

4

Brčka

100

100

100

Lepidlo – nejlépe tavná pistole nebo sešívačka

10

10

Lepicí páska

15 m

15 m

Široké gumové pásky


7

Lekce 1 – Jaké je zadání? Seznámení s úkolem Potřebná doba: 60 minut

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • zahájit konstrukční proces pro vyřešení zadání, • vyzkoušet návrh výrobku (bot) pro ověření izolačních vlastností.

Potřeby (pro 30 žáků) • 15 párů starých bot pro výměnu podrážek, • pilka nebo pracovní nůž, • interaktivní obrazovka nebo počítač s projektorem.

Příprava • Vyzvěte žáky, aby přinesli nějaké staré boty, které bude možné rozebrat. • Přečtěte si vysvětlující informace (viz příloha). • Vyrobte kopie pracovních listů 1.1 a 1.2.

Způsob práce • Diskuse v celé třídě, • skupinová práce.

Hlavní myšlenky této lekce • Vývoj a konstrukce je řešitelský přístup k problémům. • Konstrukční proces zahrnuje získávání důležitých poznatků. • Konstrukční proces zahrnuje i sledování toho, co dokázali ostatní.

Kontext a pozadí Je představen konstrukční cyklus. V této části fáze „zadání a pokládání otázek“ se žáci seznamují s arktickými podmínkami a připomenou si své dříve nabyté znalosti o konstrukci podrážky a izolaci.


8

1.1

Úvodní aktivita – Výlet do Grónska – diskuse v celé třídě – 15 minut Prezentace informací o Grónsku je na vašem rozhodnutí. Můžete nechat žáky, aby si přečetli text „Informace o Grónsku“ sami, nebo jim můžete dané informace přednést vy.

Příprava scény pro konstrukční zadání může být provedena několika způsoby. Jedním z nich je uspořádat všechny židle ve třídě stejně, jako jsou uspořádána sedadla v letadle. Lekci zahajte sdělením, že se třída právě nachází na školním výletu do Grónska. Cílem výletu je město Ilulissat, třetí největší město Grónska s 5 000 obyvateli. Žáky čeká výlet na psích spřeženích, během kterého spatří ledovce různých barev, ochutnají tulení maso a užijí si spoustu zábavy.

Během „letu do Grónska“ můžete probrat následující otázky: • Kde je Grónsko? • Jak vypadá jeho krajina? • Kolik má obyvatel? • Jak je velké? • Jaké druhy zvířat tam žijí? • Jaké jsou tam teploty? Co noc a den? • Co je to polární kruh? • Kde se v tomto ročním období nachází Slunce?

Pokračování příběhu… Bohužel, po přistání letadla v Grónsku zjistíte, že se vaše zavazadla ztratila. Omylem byla naložena do letadla směřujícího do Ruska a za vámi dorazí nejdříve pozítří. Ovšem váš výlet se psími spřeženími je naplánován už na zítra. Zimní oblečení mají děti na sobě, takže v tomto ohledu je všechno v pořádku, ale jejich boty jsou pro takový výlet příliš tenké. Co budete dělat?

1.2

Konstrukční proces a zadání – diskuse v celé třídě – 10 minut

Žáci budou muset při řešení problému přemýšlet a pracovat jako konstruktéři pracující na zadání úkolu. Mít studené nohy není zrovna v Grónsku žádná legrace. Protože ale žáci na svůj výlet se psími spřeženími chtějí, mají jen jednu možnost: navrhnout a vyrobit pro své boty podrážky, které jejich nohy udrží v teple. Jak by to mohli udělat? Připomeňte žákům konstrukční proces. Požádejte žáky, aby se podívali na pracovní list 1.1 lekce 1 a začněte diskutovat, jak by mohli konstrukční proces aplikovat na svůj problém. V tomto bodě projektu se zaměřte na fázi „zadání“ s cílem povzbudit je v přemýšlení o otázkách, které se budou snažit vyřešit. Nejvhodnější bude diskuse v rámci celé třídy, která podpoří myšlení a odhodlání žáků úkol vyřešit.

1.3

Fáze „ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK“ – prohlídka podrážek bot – práce ve skupinách/dvojicích – 25 minut

V této části lekce se žáci seznámí s různými druhy podrážek a pohovoří si o použitých materiálech, účelu obuvi a jejich konstrukci. Žáci začínají ve fázi „ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK“ a zkoumají konstrukci podrážek bot. Požádejte každou skupinu nebo pár, aby „rozebraly“ podrážku boty a odpověděly na tyto otázky: Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

9

• Co je účelem boty? (Různé účely mohou být například chůze na dlouhé vzdálenosti, běh, boty pro velmi teplé počasí, pro větrání nohy, na koupání, k tanci atd.) • Z jakého materiálu je podrážka boty vyrobená? • Jaký účel konkrétní materiál plní? (Například aby byla bota měkká, nepromokavá, pohyblivá atd.) • Jak je podrážka zkonstruovaná? (Z kolika vrstev, jak do sebe jednotlivé části zapadají, zda jsou spojené lepidlem, sešité, svařené atd.) Svá zjištění si žáci zaznamenají do pracovního listu 1.2 lekce 1. Tip: Žáci možná budou potřebovat při rozřezávání podrážky pomoc.

Zaznamenejte zjištění žáků na tabuli. Požádejte je, aby: • doplnili informace o typu obuvi a použitých materiálech, • se pokusili vysvětlit účel jednotlivých materiálů, • věnovali pozornost konstrukci a spojení.

V tabulce jsou uvedeny příklady toho, co lze nalézt v podrážkách různých bot. Materiály

Typ boty Běžecké boty

Kůže Pryž Molitan Plast Dřevo Plátno … Konstrukce 1 vrstva 2 vrstvy 3 vrstvy Otvory uvnitř Vzduchové kanálky v patě Spoje Lepené Šité Svařované …

Turistické boty

Sandály

II

Účel materiálu Zimní boty

Tenisové boty

I I

III

IIII I

II I III

I III

I II II

I

IIII IIII

II

Pokud se vám nepodaří sehnat staré boty, ať žáci použijí boty, které mají na sobě. Tyto boty však nemohou rozebírat a řezat. Proto bude v takovém případě obtížné odpovědět na otázky týkající se konstrukce podrážky. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

10

1.4

Závěr – celá třída – 10 minut

Co je důležité na botách, které mají udržovat naše nohy v teple? Prozkoumáním konstrukce podrážek bot by měli žáci získat dostatek informací k tomu, aby mohli poukázat na určité věci, které fungují při navrhování bot udržujících naše nohy v teple. Shromážděte všechny výsledky jejich pozorování a zapište je na tabuli tak, aby je měla celá třída stále na očích. Zeptejte se: „Co ještě bychom měli vědět?“ Vysvětlete jim, že před zahájením výroby nové podrážky ještě budou muset prozkoumat hodně věcí a zjistit mnoho informací, aby jimi vyrobené podrážky během výletu na psích spřeženích správně odolávaly chladu a zimě.


11

Lekce 2 – Co potřebujeme vědět? Seznámení se s procesem přenosu tepla a izolačními materiály Potřebná doba: 170 minut

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • postupovat při řešení zadání podle jednotlivých fází konstrukčního procesu, • pracovat na požadovaných vlastnostech výsledného výrobku, • jak vědecké koncepty, týkající se tepelných vlastností materiálů a izolace, umožňují úspěšný vývoj a výrobu produktů. Potřeby (pro 30 žáků) • 10 digitálních teploměrů (s přesností 0,1 stupně), • 50 kostek ledu, • 10 termokelímků, • rychlovarná konvice, • 10 tyček z různých materiálů o stejné délce a průměru (např. 10 cm × 0,5 cm): například železo, hliník, měď, sklo, plast a dřevo, • 10 ostrých nástrojů pro zhotovení otvorů v termokelímcích, například šídla, • 12 velkých krabiček zápalek (se zápalkami),

• • • • • • • • • • •

1 balení utěrek na nádobí, houbiček, 4 noviny, 200 širokých gumových pásků, 4 páry vlněných ponožek, 100 brček, 20 igelitových sáčků o objemu 2 litry, 10 chladicích vložek, 10 pravítek, 10 stopek, lepicí páska, 15 m, 10 nůžek.

Příprava • Požádejte žáky, aby z domova přinesli potřeby používané k uchování potravin teplých nebo studených. • Vyrobte kostky ledu. • Nechte zmrazit chladicí vložky. • Připravte pro každou skupinu materiály k testování. • Vyrobte kopie pracovních listů 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 a 2.5 (viz stranu 2). Způsob práce • Práce ve skupinách, • diskuse v celé třídě. Hlavní myšlenky této lekce • K přenosu tepla dochází vždy z teplejšího prostředí na chladnější. Aktivity z této lekce však tento fakt nedemonstrují, a proto ho musíte žákům vysvětlit. • Při měření teploty pomocí teploměru je důležité být přesný a měření provádět stále stejným způsobem. Kontext a pozadí Ve fázi „zadání a pokládání otázek“ nyní prozkoumáte princip izolace. Žáci se seznámí s pojmy teplý a studený, s přenosem tepla a s izolačními vlastnostmi různých materiálů. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

12

2.1

Úvodní aktivita – Co se stane se sněhulákem? – práce ve skupinách / diskuse v celé třídě – 20 minut

Žáci by měli pracovat ve skupinách po dvou až čtyřech. Každá skupina obdrží kopii pracovního listu 2.1 lekce 2 nebo namalujte sněhuláka na tabuli. Nezapomeňte na slunce, kabát a tři možnosti. Požádejte žáky, aby diskutovali nad obrázkem. Co se stane se sněhulákem, oblečeme-li mu kabát? Jsou tři možnosti: 1. Nestane se nic. 2. Rozpustí se rychleji. 3. Rozpustí se pomaleji.

Concepts Cartoons © Millgate House Education Ltd.

Ponechte žákům 4 až 5 minut na diskusi. Poté pro každou z odpovědí vyčleňte jeden roh místnosti a požádejte žáky, aby se postavili do rohů podle toho, jakou zvolí odpověď. Poté žáky požádejte, aby svá rozhodnutí vysvětlili. Veďte diskusi zejména k těmto otázkám: • Kabát/izolace zadrží chlad uvnitř. • Kabát/izolace udrží teplo venku. • Kabát/izolace sněhuláka zahřívá a rozpustí ho. Někteří z žáků možná věří, že kabát bude sněhuláka zahřívat, a on tak rychleji roztaje. Jejich zkušenosti jim napoví, že když je zima, oblečou se, aby se zahřáli. Ve skutečnosti však teplo, které si tělo vyrábí, uchováme uvnitř díky izolačním schopnostem materiálů, ze kterých je oblečení vyrobené, a naše tělesné teplo tak neunikne do okolí.

Sněhulák je chladnější než jeho okolí. Proto potřebujeme zamezit teplu z okolního prostředí, aby sněhuláka rozpouštělo. Čím větší je rozdíl mezi teplotou sněhuláka a vnějšího prostředí, tím rychleji bude sněhulák tát. Dobrý kabát zhotovený z dobře izolujících materiálů s mnoha vzduchovými komůrkami sněhuláka ochrání nejlépe. Je-li teplota okolí stejná, jako teplota sněhuláka (0 °C nebo nižší), nebude mít kabát žádný vliv. Teplo se přenáší vždy z teplejšího prostředí na chladnější. Tip: S vyhodnocením odpovědí vyčkejte do další aktivity.

Nyní je čas představit žákům princip izolace. Proč chceme, aby některé věci zůstaly teplé nebo studené? A jak toho dosáhneme? V této aktivitě budou žáci mluvit o věcech, které se používají pro zachování jiných věcí v teple/chladu, včetně našich těl. Porovnáním těchto věcí zjistí, že pro udržování věcí v teple nebo chladu používáme stejné materiály, kterým se říká tepelné izolanty. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

13

2.2

Jak zastavíme tání kostky ledu? – práce ve skupině – 15 minut

Jak udržíme věci v chladu? V tomto pokusu se žáci pokusí zabránit tomu, aby kostka ledu roztála. Je to podobné jako ochrana sněhuláka před táním, avšak nyní budou testovat různé materiály a budou se snažit zjistit, které z nich fungují jako izolátory nejlépe.

Každé ze skupin (po přibližně třech žácích) dejte jednu kostku ledu. Poté jim dejte tři minuty na to, aby rozhodli, jak tuto kostku pomocí dostupných materiálů nejlépe ochránit před rozpuštěním. Musejí zůstat ve třídě, ale mohou použít vše, co je k dispozici, vyjma mrazáku nebo chladničky. S kostkou ledu mohou podniknout cokoli, avšak mohou si zvolit pouze jeden materiál. Po třech minutách musejí od kostky ledu ustoupit a vyčkat 15 minut. Aby bylo možné postup tání porovnat, umístěte jednu kostku ledu na talíř, aby bylo dobře patrné, nakolik roztaje bez použití izolačních materiálů. Kostka ledu je obvykle chladnější než její okolí. Výsledky žáků se budou lišit podle toho, jaké izolační materiály se k ochraně své ledové kostky rozhodli použít. Jejich hlavním cílem je zabránit teplu z okolního prostředí, aby jejich ledovou kostku rozpustilo. Dobrý „kabát“ zhotovený z izolantu obsahujícího co nejvíc vzduchových bublinek (například pěnový polystyren, šamot, staré vlněné ponožky) poslouží kostce ledu nejlépe! Například voda je špatným tepelným izolantem. Voda předává energii (teplo) kostce ledu, a led tak bude rychleji tát. Žáci, kteří svou kostku ledu pouze jednoduše položí na talíř, zjistí, že taje pomaleji, než kostka vložená do vody, avšak rychleji než zabalená kostka. Je to proto, že voda je dobrý vodič tepla (a špatný izolant), zatímco vzduch je špatný vodič tepla (ale dobrý izolant). Poznámka: Zatímco běží stanovených 15 minut, mohou se žáci věnovat další aktivitě.

2.3

Více o izolantech – práce ve skupině / diskuse v celé třídě – 20 minut

Požádejte žáky, aby se podívali ve svých skupinách na kostky ledu a dokončili pracovní list 2.2 lekce 2. • Jak dobře byla kostka chráněna? (Ohodnoťte na stupnici od jedné do pěti.) • Jak se rozhodli svou kostku ledu ochránit? • Proč se rozhodli pro toto řešení? • Vzhledem k výsledkům celé třídy, jaký byl nejlepší způsob ochrany ledové kostky? Pomozte žákům s diskusí o řešeních, která zvolili, a o dobrých a špatných způsobech uchování kostky ledu. Mohlo by být zajímavé porovnat to, co si žáci mysleli o ochraně sněhuláka, s tím, co se rozhodli udělat s kostkami ledu. Nakonec spojte všechny znalosti žáků o izolantech dohromady. Sněhuláka, kostky ledu a věci, které slouží k uchování věcí v teple nebo chladu přinesené žáky z domova: • Čím se navzájem podobají materiály vhodné k zachování kostky ledu a materiály, které slouží pro udržování věcí v teple nebo chladu? • Vraťte se ke sněhulákovi a zeptejte se žáků, zda změnili svůj původní názor. • Diskutujte o řešení a o tom, jak kabát funguje jako izolant udržující chlad uvnitř. Otázka navíc: • Co se stane, má-li sněhulák stejnou teplotu jako okolní vzduch? Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

14

2.4

Přenos tepla – vnímání a měření světa – práce ve skupinách / diskuse v celé třídě – 25 minut Tip: Pokud žáci nemají žádné zkušenosti s používáním digitálních teploměrů, je důležité naučit je v tuto chvíli s těmito teploměry pracovat, aby výsledky jejich měření byly přesné.

Žáky nechte ve skupinách po dvou až třech chodit po třídě a sahat na různé věci: nohy od židlí (kov?), opěradla židlí (plast nebo dřevo?), okna, sedáky židlí, školní tašky a různé další věci. Vodítkem může být seznam uvedený v tabulce níže.

Každý žák zapíše svá hodnocení teploty věcí (ohodnocení na stupnici od jedné do pěti) do pracovního listu 2.3. Porovnejte jejich odpovědi na tabuli. Diskutujte o tom, co jednotlivá zjištění znamenají. Shodli se všichni na tom, co je teplé a co je studené? Nyní požádejte žáky, aby teplotu právě prozkoumaných věcí změřili digitálním teploměrem. Příklad výsledků pokusu: Název materiálu Pocitová teplota materiálu Studené nebo teplé? Ohodnoťte na stupnici od 1 (nejchladnější) do 5 (nejteplejší)

Naměřené teploty Zapište teplotu daného materiálu

Dřevo

123 45

21 stupňů

Plast

123 45

21 stupňů

Voda

123 45

21 stupňů

Železo

123 45

21 stupňů

Hliník

123 45

21 stupňů

Sklo

123 45

21 stupňů

Vzduch

123 45

21 stupňů

123 45 123 45 123 45 Diskutujte s žáky jejich pozorování: • Co ukázala jednotlivá měření v první a druhé části jejich pokusu? • Překvapilo je něco? • Které materiály byly na pocit stejné? • Jaké jsou vlastnosti těchto materiálů? (vodič nebo izolant?) • Co se stalo, pokud jste na daném materiálu ponechali ruku delší dobu? Proč k tomu došlo? Žáci pravděpodobně nebudou umět vysvětlit, proč jsou mezi pociťovanou a naměřenou teplotou rozdíly. Možná bude nutné jim vysvětlit, že: • Byli svědky přenosu tepla. • Schopnost materiálů přenášet teplo se liší. • Jejich ruce byly pravděpodobně teplejší než daný materiál, proto materiály s dobrou schopností přenášet teplo z jejich rukou byly vnímány jako studenější, protože teplo z jejich rukou bylo odváděno daným materiálem rychleji. • Některé materiály teplo přenášejí rychleji, některé zase pomaleji. Ty s pomalejším přenosem tepla nazýváme izolanty. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

15

Porovnejte dobré izolanty s těmi, které jste používali v předchozí aktivitě k izolaci kostky ledu a k uchování věcí v teple nebo v chladu. Mluvíme-li o „teplotě“ materiálu jako o relativní zkušenosti, zdůrazňuje to rozdíl mezi vašimi pocity například ze dřeva a z kovu. Oba materiály měly stejnou pokojovou teplotu, tedy 21 °C, avšak kov jste vnímali jako chladnější než dřevo. To je způsobeno tím, že kov je lepší vodič tepla než dřevo, a proto i rychleji odvádí teplo z vaší ruky. Dřevo je špatný vodič tepla, a tak vaši ruku neochlazuje tak rychle.

2.5

Volitelná doplňková činnost – dobré a špatné vodiče tepla – práce ve skupině / diskuse v celé třídě – 15 minut

Ve skupinách po dvou až třech žácích si žáci otestují schopnost tyček vyrobených z různých materiálů přenášet teplo a chlad. Nejprve je třeba vytvořit do termokelímků otvory. Šídlem vytvořte 6 malých otvorů asi 1,5 cm od horního okraje kelímku. Otvory umístěte rovnoměrně po obvodu kelímku. Otvory opatrně prostrčte tyčky z různých materiálů (viz obrázek).

Poté kelímky naplňte vodou a kostkami ledu. Tyčky uvnitř kelímku musejí být zcela ponořené. Po několika minutách nechte žáky sáhnout na každou z tyček a seřadit je od nejstudenější po nejteplejší. Svá zjištění žáci zapíší do pracovního listu 2.4. Žáci rovněž mohou změřit teplotu jednotlivých tyček digitálním teploměrem.

Pokud povolíte práci s horkou vodou: Vylejte z kelímku studenou vodu a naplňte ho horkou vodou o teplotě 60 °C. Tyčky uvnitř kelímku musejí být opět zcela ponořené. Počkejte tři minuty a poté nechte žáky znovu vyzkoušet teplotu jednotlivých tyček. Žáci pak znovu seřadí tyčky od nejstudenější po nejteplejší. Svá zjištění zaznamenají do pracovních listů.

Tip: Je důležité, aby žáci zcela porozuměli mechanizmu přenosu tepla. Diskutujte o jejich zjištění z předchozí aktivity a porovnejte je s výsledky z této aktivity. Nejdůležitější je pochopit, že izolanty nazýváme materiály, které špatně přenášejí teplo.


16

2.6

Zkoumání izolačních materiálů – práce ve skupinách / diskuse v celé třídě – 30 minut

V této aktivitě žáci provedou objektivní zkoušky dostupných materiálů vhodných pro výrobu podrážky. Rovněž se pokusí zlepšit izolační vlastnosti materiálů tím, že se více dozvědí o pěti klíčových vlastnostech, na kterých doopravdy záleží, mluvíme-li o izolantech.

5 klíčových vlastností: 1. izolační vlastnosti materiálu, 2. velikost vzduchové mezery (vzdálenost mezi materiály), 3. množství materiálu (tloušťka a velikost materiálu), 4. vlhkost materiálu, 5. čas.

Rozdělte třídu do skupin tak, aby jednotlivé skupiny mohly testovat 7 různých materiálů. Některé materiály můžete případně vyřadit nebo použít jiné (jsou-li součástí tohoto pokusu). Doporučujeme tři skupiny žáků, z nichž každá bude testovat jeden z těchto materiálů: 1. noviny, 2. zápalky, 3. utěrky, 4. vlněné ponožky, 5. igelitové sáčky, 6. gumové pásky, 7. brčka.

Každá skupina bude také potřebovat digitální teploměr, žínku, chladicí polštářek, pravítko, igelitový sáček a stopky. Začněte tím, že znovu představíte situaci. Jsou v Grónsku, sedí v hotelovém pokoji a hledají vhodný materiál, ze kterého by mohli vyrobit vhodné podrážky pro své boty. Žáci musejí prozkoumat izolační vlastnosti jednotlivých materiálů. Aby bylo možné porovnat výsledky, je třeba provést objektivní srovnávací zkoušky. Zdůrazněte, že „objektivní“ test znamená testování pouze jedné změny současně, tedy že všechny ostatní parametry a okolnosti testu, které by mohly ovlivnit výsledek, musejí zůstat beze změny. Toto jsou některé z proměnných, které musejí během testů zůstat beze změny. Zeptejte se žáků, proč je nezbytné, aby tyto parametry zůstaly konstantní: • začátek měření za pokojové teploty, • doba měření (v tomto případě 5 minut), • zakrytí materiálu látkou (aby byl vzduch pouze nad místem měření teploty; v opačném případě by teplota vzduchu v místnosti příliš ovlivnila měření), • držet teploměr na materiálu stejným způsobem (netlačit na něj příliš silně / nezvedat ho), • měření na stejném místě materiálů (nejlépe uprostřed vzorku materiálu).


17

Požádejte žáky, aby pracovali s pracovním listem 2.5, kde jsou uvedené instrukce a kam žáci zaznamenají výsledky měření.

Všechny skupiny budou testovat různé materiály, jejichž vzorky budou stejné, například 1 cm silné. Je důležité, aby byly vzorky v igelitových sáčcích, protože by jinak mohly navlhnout od chladicí vložky. Ještě důležitější je, aby byl při měření vzduch bez pohybu. Nejprve žáci vyzkouší účinek izolace o tloušťce 1 cm bosýma nohama: 1. Vzorek materiálu o tloušťce 1 cm vložte do igelitového sáčku. 2. Položte ho na chladicí vložku. 3. Stoupněte si na vzorek o tloušťce 1 cm bosou nohou na dobu jedné minuty. 4. Otázka: Je tato izolace dostatečná?

Nyní žáci provedou měření: 1. Materiál na dobu 5 minut zakryjí látkou. 2. Změří teplotu vzduchu v místnosti. 3. Do látky udělají otvor. Vloží do něj sondu teploměru a po dobu 5 minut budou měřit teplotu materiálu. Teploměr drží stabilně (netlačí na něj ani ho nevytahují z materiálu). 4. Zapíší výsledky měření.

Příklady měření teploty vzorků materiálu o tloušťce 1 cm: Název materiálu

Množství

Počáteční teplota

Teplota po 5 minutách

Rozdíl teplot

Noviny

1 cm silný

23,5

14

9,5

Zápalky

1 cm silný

22,6

15,5

7,1

Utěrky

1 cm silný

22,5

16

6,5

Vlněné ponožky

1 cm silný

23

17,3

5,7

Igelitové sáčky

1 cm silný

23,4

12,6

10,8

Gumové pásky

1 cm silný

22,3

15,3

7

Brčka

1 cm silný

23

18,8

4,2

Naměřené údaje napište na tabuli, aby je viděla celá třída. Požádejte žáky o vyhodnocení výsledků a nechte je diskutovat příčiny rozdílů v teplotách. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

18

2.7

Vylepšení izolační schopnosti – diskuse v celé třídě – 15 minut

Zeptejte se žáků: • Jak mohou zlepšit izolační schopnost každého materiálu použitého v předchozím pokusu? • Mohou použít více materiálu, avšak izolační schopnost musí být vyšší. Nechte žáky diskutovat možnosti, proveďte nové testování a dokončete stranu 2 pracovního listu 2.6.

2.8

Závěr – přehled – diskuse v celé třídě – 10 minut

Diskutujte v rámci celé třídy výsledky měření: • Co udělali? • Jaké mají vysvětlení? • Co podle nich způsobilo rozdíl? (Více materiálu, silnější materiál, více vzduchu…)

Pomozte žákům formulovat jejich závěry s použitím této věty: ........................., lepší izolační vlastnosti! Silnější materiál, lepší izolační vlastnosti!

Zapište všechny závěry na tabuli. Veďte diskusi směrem k pěti klíčovým parametrům izolantů: 1. izolační vlastnosti materiálu, 2. velikost vzduchové mezery (vzdálenost mezi materiály), 3. množství materiálu (tloušťka a velikost materiálu), 4. vlhkost, 5. čas. Porovnejte těchto 5 parametrů se závěry žáků.


19

Lekce 3 – Začínáme stavět! Návrh a výroba vaší vlastní izolační podrážky Potřebná doba: 110 minut

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • zjišťovat požadavky na výrobek před zahájením jeho vývoje, • navrhnout výrobek pro konkrétní účel, • testovat a vylepšovat své výrobky. Potřeby (pro 30 žáků) • Pro návrh podrážky: ▫ 10 kuchyňských utěrek, ▫ 12 velkých krabiček zápalek (se zápalkami), ▫ 1 balení žínek, molitan, ▫ 4 noviny, ▫ 200 širokých gumových pásků, ▫ 4 páry vlněných ponožek, ▫ 100 brček, ▫ 20 igelitových sáčků 2 l, ▫ lepicí páska, 15 m, ▫ 10 párů nůžek.

• ▫

• ▫ ▫ ▫ ▫ ▫

Upevňovací a spojovací materiál: 10 lepidel – nejlépe tavná pistole nebo sešívačka. Materiál pro testování: 10 digitálních teploměrů, 10 chladicích vložek, 10 pravítek, 10 kuchyňských utěrek, 10 stopek.

Příprava • Nechte zmrazit chladicí vložky. • Připravte výrobní materiál. • Připravte vybavení a nástroje pro každou skupinu. • Vytiskněte pracovní listy a nakopírujte konstrukční cyklus. Způsob práce • Práce ve skupinách, • diskuse v celé třídě. Kontext a pozadí V této lekci budou žáci pracovat ve fázích „přemýšlení“, „plánování“, „zkonstruování“ a „vylepšování“ konstrukčního procesu. Své vědecké znalosti a poznatky aplikují na návrh izolační podrážky pro své boty.


20

3.1

Úvodní aktivita – konstrukční zadání a proces návrhu – diskuse v celé třídě – 5 minut

Začněte představením konstrukčního zadání: návrh podrážky pro obuv, která dokáže ochránit před chladem.

Tip: Žákům je třeba zdůraznit, že mají navrhnout a vyrobit pouze podrážku, nikoli celou botu.

Použijte pracovní list 1.1 popisující pracovní postup, který by žáci měli používat. Znovu žákům připomeňte fáze „zadání a pokládání otázek“, „přemýšlení“, „plánování“, „zkonstruování“ a „vylepšování“. Objasněte žákům, že při práci je důležité sledovat čas. V každé fázi procesu jim stanovte konečný termín a naučte je současně i organizovat a dodržovat čas na práci.

3.2

„Zadání a pokládání otázek“ – práce ve skupinách a diskuse v celé třídě – 15 minut

S fází „zadání a pokládání otázek“ již žáci pracovali v lekcích 1 a 2, kdy zkoumali různé aspekty problému (Grónsko, návrhy podrážek pro boty a izolační vlastnosti materiálů). Před vypracováním návrhu jejich vlastní podrážky pracují žáci se stejným „zadáním“ jako konstruktéři: jaké jsou požadavky? Ve skupinách po třech s pomocí pracovního listu 3.1 budou žáci diskutovat o požadavcích na podrážku boty a sestaví jejich seznam. Žáci mohou například říci, že podrážka musí být: dobře izolující, voděodolná, příjemná na nošení, hezká, odolná proti opotřebení… V diskusi v rámci celé třídy se shodněte na požadavcích. Stanovte počet. Pokud žáci stanoví své vlastní požadavky, musejí také říci, jakým způsobem vyhodnotí jejich splnění. Možná, že všechny vlastnosti nebude možné testovat exaktními metodami. V takovém případě se musíte dohodnout: • Jak poznáme, že je podrážka „příjemná na nošení“? • Jak to ověříme a vyzkoušíme?

Finální seznam požadavků by měl vypadat asi takto: Požadavky na podrážku: 1. Podrážka je vyrobena z maximálně dvou druhů materiálů (lepicí páska a materiál stávající podrážky se nepočítá). 2. Podrážka musí vydržet chůzi na vzdálenost minimálně 10 metrů. 3. Podrážka musí být maximálně 2 cm silná. 4. Izolační schopnost musí být minimálně na stupni „dobrá“ na stupnici „velmi dobrá“, „dobrá“, „špatná“. Tuto vlastnost stanovíte testem podrážky ve třídě.

Poznámka: Tyto požadavky jsou uvedené v pracovních listech 3.4 a 3.5. Pracovní listy si můžete upravit, pokud se v rámci třídy dohodnete na jiných požadavcích.


21

3.3

„Přemýšlení“ – práce ve skupině – 10 minut

Druhou fází je fáze „přemýšlení“. Pomozte žákům prodiskutovat možná řešení ve skupinách po třech. Připomeňte jim, jaké materiály mají k dispozici. Diskutovat by mohli například o následujících problémech: • Jaká by měla být dobrá podrážka? • Jaké materiály by byly dobré pro izolaci? • Jaké materiály budou vhodné pro konstrukci?

Žáci své myšlenky popíší, nakreslí nebo vytvoří myšlenkovou mapu svých představ v pracovním listu 3.2. Každá skupina se rozhodne pro svůj nejlepší nápad. V další aktivitě budou pracovat na plánování návrhu.

3.4

„Plánování“ – práce ve skupině – 15 minut

Sepište na tabuli materiály pro výrobu podrážky. Žáci ve skupinách po třech rozpracují své myšlenky z fáze „přemýšlení“, aby získali konkrétní podobu. V tuto chvíli už mohou vědět, jaké materiály mají pro návrh k dispozici. Jde o dobré cvičení, jak aplikovat své vědecké poznatky na daný úkol. Pro některé může být tento úkol příliš abstraktní a budou potřebovat pomoc, aby se správně zaměřili před zahájením výroby na tuto fázi plánování.

V pracovním listu 3.3 „Plánování“ žáci při plánování odpovídají na otázky: 1. Co musí podrážka obsahovat, aby vyhověla zadání? 2. Jaké dva druhy materiálů použijete na výrobu podrážky? 3. Nakreslete návrh vaší podrážky.

3.5

„Zkonstruování a testování“ – práce ve skupině – 35 minut

Ve skupinách po třech nyní žáci podle plánu vyrobí a otestují své podrážky. Rozdělte materiál do kategorií. Izolační materiály: noviny, zápalky, igelitové sáčky, vlna, gumové pásky a brčka. Upevňovací a spojovací materiály: lepidlo, 50 cm lepicí pásky, igelitové sáčky.

Horní a spodní strana podrážky: Vyřízněte z utěrky dvě stejné podrážky. Ponechte 1 cm široký okraj pro přehnutí. Vznikne tak horní a spodní strana podrážky. Tyto dvě vrstvy se nebudou počítat k izolačnímu materiálu. Dostatečně tento fakt zdůrazněte. Rovněž je důležité, aby žáci věděli, že množství tohoto materiálu je omezené.


22

Poté podle návodu v pracovním listu 3.4 vyrobí izolační podrážku. Na výrobu ponechte 15 minut.

Testování podrážky: Skupiny potřebují své podrážky vyzkoušet. Rozdejte pracovní listy 3.5 „Test“, kde jsou uvedeny instrukce, jak mohou své podrážky otestovat, zda vyhovují požadavkům. Po dokončení testování nechte žáky své výrobky ohodnotit jako velmi dobré, dobré nebo nevyhovující.

3.6

„Vylepšování“ – práce ve skupinách – 25 minut

Žáci nadále pracují ve svých skupinách. Zvažují, jak vylepšit své podrážky. Podporu a pokyny naleznou v pracovním listu 3.6. V souladu s ním budou diskutovat výběr materiálů, návrh, výsledky testů a to, co je možné zlepšit: • Jaké materiály použili a proč? • Proč zvolili tento návrh podrážky? • Vyhověla podrážka požadavkům zadání? Co testy ukázaly? • Jak mohou svou podrážku vylepšit? Vylepšení a vyzkoušení podrážky: Na základě vyhodnocení se mohou žáci pokusit své podrážky vylepšit. Nyní dostanou deset minut na vylepšení a poté dalších 10 minut na vyzkoušení svých vylepšení. Výsledky zkoušek a závěry žáci zapíší do pracovního listu 3.7.

3.7

Závěr – v celé třídě – 5 minut

V příští lekci žáci představí své výrobky před celou třídou. Proveďte krátkou přípravu prostřednictvím diskuse o tom, jak pracovali podle jednotlivých fází konstrukčního procesu. Povedlo se jim vyhovět požadavkům zadání a vylepšit svůj výrobek? Ujistěte se, že jsou „boty“ před poslední lekcí bezpečně uskladněné.


23

Lekce 4 – Co jsme udělali? Splnili jsme zadání? Vyhodnocení pracovních metod a výsledků Potřebná doba: 40 minut

Cíle: V této lekci se žáci naučí: • jaký je význam důkladného vyhodnocení své práce coby důležité součásti konstrukčního procesu, • úspěšně prezentovat svou práci. Příprava • Vyrobte kopie pracovního listu 4.1.

Způsob práce • Práce ve skupinách, • prezentace žáků, • diskuse v celé třídě.

Kontext a pozadí V této lekci žáci vyhodnotí proces návrhu a výroby. Jak jim jednotlivé fáze konstrukčního procesu a jejich nové vědecké znalosti pomohly vyhovět požadavkům zadání?


24

4.1

Úvodní aktivita – práce ve skupině – 20 minut

Požádejte žáky, aby vyhodnotili svou práci s pomocí pracovního listu 4.1 „Co jsme dokázali“. Přiveďte je k tomu, aby ve svých skupinách diskutovali o těchto bodech: • Byla to zábava? • Celý proces proběhl v pěti fázích. Jak se tyto fáze nazývají? • Která fáze se jim líbila nejvíc? • Co během procesu dobře fungovalo? • Co nefungovalo moc dobře? • Co nejlepšího se naučili? • Získali nějaké nové dovednosti? • Jaké největší výzvě museli čelit? Sdělte všem skupinám, aby připravily krátké prezentace (maximálně 5 minut včetně otázek) svých podrážek a nově nabytých dovedností. Při prezentaci by měli žáci čerpat ze svých znalostí nabytých během předchozích lekcí.

4.2

Prezentace – 45 minut

Učitel zahájí prezentace. Je třeba zdůraznit význam této příležitosti ke kolektivnímu vyhodnocení projektu a jeho úspěšnosti. Návrháři jsou zodpovědní za funkčnost svých výrobků, a proto je role posluchačů důležitá. Pokud by rodiče čekali na své děti po návratu z výletu na letišti, dokázaly by je děti přesvědčit, že jejich nohy byly při jízdě se psími spřeženími opravdu v teple?

Každá skupina představí své podrážky, na kterých předvede, jak jim klíčové vědecké principy týkající se izolace a izolantů při jejich úkolu pomohly.

4.3

Vedení učitelem – v celé třídě – 5 minut

Učitel shrne celý projekt a připomene žákům, jakým způsobem při práci využívali jednotlivé fáze konstrukčního procesu, pochválí děti za jejich zapojení a vyjádří přesvědčení, že jejich nohy zůstaly opravdu v teple.


25

Pracovní a odpovědní listy


26

Žákovský pracovní list 1.1 – Konstrukční proces

Zadání a pokládání otázek • • • •

Jaký je problém? Co zvládli jiní? Jak může pomoci věda? Jaké jsou požadavky?

Přemýšlení • Společná diskuse o nápadech • Výběr nejlepšího nápadu

Plánování • Načrtnutí návrhu • Volba materiálů

Zkonstruování • Postup podle plánu • Testování výrobku

Vylepšování • Vylepšení vlastního návrhu Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

27

Žákovský pracovní list 1.2 – Pohled na podrážky Jména: Datum:

Rozřízněte podrážku a prozkoumejte její konstrukci.

Napište výsledky svých pozorování do tabulky:

• Z jakých druhů materiálů je podrážka vyrobena? • Popište konstrukci podrážky: počet vrstev, vzory a další charakteristiky? • Popište, jak jsou materiály spojeny: lepidlem, šitím, svařováním, jinak?

Typ boty

………………………………………….

Z jakých druhů materiálů je podrážka vyrobena?

Účel použití materiálu

Popište způsoby konstrukce

Účel konstrukce

Popište způsob spojení materiálů


28

Žákovský pracovní list 2.1 – Co se stane sněhulákovi? Jméno: Datum:

Co myslíte, že se stane se sněhulákem?

Neoblékej sněhulákovi ten kabát. Rozpustí se.

Udrží ho v chladu a přestane se rozpouštět.

Nemyslím si, že by s kabátem či bez kabátu byl nějaký rozdíl.

Concepts Cartoons

© Millgate House Education Ltd.


29

Žákovský pracovní list 2.2: Jak uchovat kostky ledu zmrzlé Jména: Datum:

Proč ledová kostka roztaje? Najděte nejlepší způsob, jak zachovat ledovou kostku zmrzlou.

Co budete potřebovat? • 1 kostku ledu, • materiál, o kterém se domníváte, že ledovou kostku nejlépe ochrání. Do práce! Určete, jak nejlépe ochránit kostku ledu tak, aby roztála co nejpomaleji. Pravidla: Můžete použít cokoli v místnosti. Můžete použít pouze jeden druh materiálu. Po 3 minutách musíte skončit. Máte 3 minuty na rozhodnutí, co dělat.

Otázky: 1.

Co jste s ledovou kostkou udělali?

2.

Proč jste zvolili tento materiál?

3.

Jaké materiály byly dobrými izolanty?


30

Žákovský pracovní list 2.3: Vnímání a měření světa Jména: Datum:

Teplotu nemusíme vnímat vždy přesně. Podívejte se, co máte kolem sebe, a zjistěte, proč se některé věci mohou zdát teplejší než jiné.

Co budete potřebovat? • Jeden digitální teploměr.

Do práce! 1. Najděte různé materiály v místnosti. Sáhněte si na ně a řekněte, zda jsou teplé nebo studené. Seřaďte je na stupnici od 1 (nejstudenější) do 6 (nejteplejší).

2. Změřte teplotu těchto materiálů digitálním teploměrem a naměřené hodnoty zapište do tabulky. Název materiálu

Pocit teploty

Naměřená teplota

Jak je studený/teplý? Označte na stupnici od 1 (studený) do 6 (teplý)

Zapište naměřenou teplotu materiálů

12 3456 12 3456 12 3456 123 456 123 456 123 456

Vodivost: 4. Proč se některé materiály zdají teplejší než jiné? .............................................................................................................................................................


31

Žákovský pracovní list 2.4 – Dobré a špatné vodiče tepla Jména: Datum:

Některé materiály jsou dobré izolanty, jiné nikoli. Tuto vlastnost můžete ověřit tak, že různé materiály vložíte do horké a studené vody a vyzkoušíte, co se stane.

Co budete potřebovat? • 1 digitální teploměr, • 1 termokelímek, • 6 tyček z různého materiálu: železo, měď, hliník, plast, dřevo a sklo, • 1 jehlu, • studenou a teplou vodu. Do práce! 1. Do kelímku vytvořte jehlou 6 malých otvorů (viz obrázek). Do otvorů zasuňte jednotlivé tyčky z různých materiálů. 2. Do kelímku nalijte ledovou vodu tak, aby konce tyček byly zcela ponořené pod vodou. 3. Vyčkejte 1 minutu a poté hmatem zkontrolujte jejich teplotu. Ohodnoťte ji na stupnici od 1 do 6 pro každý materiál (1 je nejstudenější). Výsledky zapište do tabulky. 4. Teplotu tyček změřte teploměrem. Sondu teploměru podržte na každém materiálu po dobu jedné až dvou minut a poté odečtěte naměřenou teplotu. 5. Kelímek vyprázdněte a naplňte ho horkou vodou. Pozor, abyste se neopařili. Znovu hmatem vyzkoušejte teplotu jednotlivých tyček. Znovu ji vyhodnoťte na stupnici od 1 do 6 a poté ji změřte teploměrem. Který materiál je nejstudenější/nejteplejší? ………………………………………………………………………..

Materiál

Dřevo Sklo Železo Měď Plast Hliník

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2

Nejstudenější/ nejteplejší

Naměřená teplota

Studená voda 3 456 3 456 3 456 3 456 3 456 3 456

Studená voda

Nejstudenější/ nejteplejší

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2

Horká voda 3 456 3 456 3 456 3 456 3 456 3 456

Naměřená teplota

Horká voda


32

Žákovský pracovní list 2.5: Testování izolačních materiálů Jména: Datum:

V tomto pokusu provedete objektivní test materiálů dostupných při výrobě podrážky. Poté se pokusíte vylepšit jejich izolační vlastnosti.

Co budete potřebovat? • Digitální teploměr, • chladicí vložku, • pravítko, • stopky, • žínku, • igelitový sáček, • jeden druh materiálu pro výrobu podrážky. Do práce! 1. Vyberte si, který z materiálů budete testovat. 2. • • • •

3.

Testujte materiál o tloušťce 1 cm bosou nohou. Zabalte vzorek materiálu o tloušťce 1 cm do igelitového sáčku. Položte ho na chladicí vložku. Na dobu jedné minuty si na materiál stoupněte bosou nohou. Jde o vhodné izolační řešení? ................................................

Testování vzorků o tloušťce 1 cm • Materiál na 5 minut zakryjte žínkou. • Změřte teplotu v místnosti. • Do utěrky udělejte otvor a tímto otvorem změřte teplotu vzorku. Teplotu měřte po dobu 5 minut. (Teploměr držte stále stejnou silou, netlačte na něj ani ho nevytahujte.) • Zapište výsledky. Název materiálu:

1 cm

Výchozí teplota (teplota v místnosti) Teplota po 5 minutách Rozdíl:


33

Žákovský pracovní list 2.5: Testování izolačních materiálů – strana 2 1. Zlepšení izolačních vlastností Hovořte o tom, jak byste mohli zlepšit izolační vlastnosti za použití stejného druhu materiálu. Můžete použít větší vrstvu materiálu, avšak izolační kapacita musí být větší. • To znamená: bude rozdíl teplot větší nebo menší? ...................................................................................... 2.

Opakování testu Vložte vylepšenou izolaci do igelitového sáčku. Materiál na 5 minut zakryjte žínkou. Změřte teplotu v místnosti. Po dobu 5 minut měřte teplotu materiálu (teploměr držte rovnoměrně, netlačte na něj, ani ho nevytahujte). • Zapište výsledky. • • • •

Název materiálu:

Popište, co jste udělali.

Výchozí teplota (teplota v místnosti) Teplota po 5 minutách Rozdíl:

3. Závěr Co myslíte, že způsobilo rozdílné výsledky v druhém pokusu? Zapište svou hypotézu pomocí této věty: ...................................................................................................................., tím lepší izolace!

4. 5 vlastností pro izolaci Zapište vlastnosti

1. .................................................................................................................... 2. .................................................................................................................... 3. .................................................................................................................... 4. .................................................................................................................... 5. .................................................................................................................... Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

34

Pracovní list 3.1 – ZADÁNÍ A POKLÁDÁNÍ OTÁZEK Jména: Datum:

Před zahájením projektování si konstruktér musí vždy položit mnoho otázek týkajících se produktu, který hodlá vytvořit. Nyní je tedy ten správný čas zeptat se sami sebe – kdy mohu říci, že jsem uspěl? Jaké jsou požadavky?

1.

Sepište seznam všech hlavních požadavků na podrážku vašich bot

……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………

2.

Jaké jsou konečné požadavky?

……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………


35

Pracovní list 3.2 – PŘEMÝŠLENÍ Jména: Datum:

Nyní je čas vytvořit si seznam všech hlavních myšlenek pro návrh vaší vlastní podrážky.

Co budete potřebovat? • Tužku.

Do práce! Prodiskutujte a nakreslete nebo zapište všechny myšlenky, které by mohlo být dobré vyzkoušet. Pamatujte na to, že návrh musí vyhovovat požadavkům.

Pomoci vám mohou tyto otázky:

• Jaká je dobrá podrážka? • Jaké materiály by mohly být dobrými izolanty? • Jaké materiály by mohly být vhodné pro konstrukci?


36

Pracovní list 3.3 – PLÁNOVÁNÍ Jména: Datum:

Zvažte návrh vaší podrážky.

1.

Co by měla podrážka obsahovat, aby vyhověla požadavkům?

.........................................................................

.........................................................................

.........................................................................

.........................................................................

.........................................................................

.........................................................................

2.

Jaké dva druhy materiálů použijete na výrobu podrážky?

……….……………………………….……………………………….……………………………….……… ……….……………………………….……………………………….……………………………….………

3.

Nakreslete podrážku boty


37

Pracovní list 3.4 – ZKONSTRUOVÁNÍ Jména: Datum:

Nyní je čas vyrobit podrážku podle vašeho návrhu.

Co budete potřebovat? • Utěrku (pro zhotovení horní a spodní vrstvy), • tužku, • nůžky, • lepidlo nebo svorky, • lepicí pásku 50 cm, • igelitový sáček, • materiál pro výrobu.

Do práce! Začněte vystřižením vnějšího obalu podrážky: 1. Položte nohu na utěrku. 2. Obkreslete obrys vaší nohy. 3. Po obvodu ponechte navíc pruh o šířce 1 cm (po zahnutí). 4. Vystřihněte tvar podrážky.

Výroba podrážky 1. Zvolte svůj izolační materiál. 2. Vyrobte podrážku.

Požadavky na podrážku: • Podrážka musí být vyrobena z maximálně dvou druhů materiálů. • Podrážka musí vydržet chůzi na vzdálenost minimálně 10 metrů. • Podrážka musí mít tloušťku maximálně 2 cm. • Izolační vlastnosti musejí být ohodnocené minimálně stupněm „dobré“.


38

Pracovní list 3.5 – TESTOVÁNÍ Datum: Jména:

Nyní je čas vaši podrážku vyzkoušet. Postupujte podle kroků 1 až 4 z návodu pro testování a výsledky zapište do tabulky. Co budete potřebovat? • Vaši podrážku, • chladicí vložku, • digitální teploměr, • pravítko, • stopky, • 2 gumové pásky. Do práce! 1. Zapište, jaké izolační materiály podrážka obsahuje. 1. …………………………………………………………………………………… 2. ……………………………………………………………………………………

2.

Změřte tloušťku podrážky. ……….…… cm

3.

Vyzkoušejte na podrážce chůzi na vzdálenost 10 metrů. Zůstává uvnitř podrážky vzduch? Ano .................

4.

Ne .................

Vyzkoušejte hmatem a změřte pokles teploty. 1. Podrážku umístěte na chladicí vložku. 2. Pomocí gumových pásků ji upevněte na místě. 3. Na jednu minutu na podrážku položte bosou nohu. Cítíte chlad? ...................................... 4. Podrážku na 5 minut zakryjte žínkou. 5. Změřte teplotu v místnosti (výchozí teplotu) .................................. 6. Do utěrky udělejte otvor a tímto otvorem změřte teplotu podrážky digitálním teploměrem. Teplotu měřte po dobu 5 minut: ................................... Spočítejte rozdíl teplot od začátku do konce. ....................................................

4. Porovnejte výsledky se zbytkem třídy. Jak dobře vaše podrážka izoluje: velmi dobře

dobře

špatně


39

Pracovní list 3.6 – VYLEPŠOVÁNÍ Jména: Datum:

Vylepšování je velmi důležitou fází konstrukčního procesu. Poskytuje vám možnost vyhodnotit výsledky a příležitost svůj výrobek vylepšit.

Diskutujte ve skupinách o těchto otázkách a zapište odpovědi.

1.

Jaké druhy materiálů jste pro svou podrážku zvolili?

……….………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………

2.

Proč jste zvolili právě tyto materiály?

……….………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………

3. Hovořili jsme o pěti vlastnostech dobrých izolantů. Využívá vaše podrážka některou z těchto vlastností? ……….………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………

4.

Splňuje podrážka požadavky? Co ukázaly testy?

……….………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………


40

Pracovní list 3.7 – DRUHÝ TEST Datum: Jména:

Po vylepšení vaší podrážky je třeba zjistit, zda se její izolační vlastnosti zlepšily. Zopakujte proto testování.

Co budete potřebovat? • Vaši podrážku, • chladicí vložku, • digitální teploměr, • stopky, • 2 gumové pásky.

Do práce! 1. Změřte pokles teploty 1. Podrážku umístěte na chladicí vložku. 2. Pomocí gumových pásků ji upevněte na místě. 3. Na jednu minutu na podrážku položte bosou nohu. Cítíte chlad? ........................................................... 4. Podrážku na 5 minut zakryjte žínkou. 5. Změřte teplotu v místnosti (výchozí teplotu) ................................................. 6. Do utěrky udělejte otvor a tímto otvorem změřte teplotu podrážky digitálním teploměrem. Teplotu měřte po dobu 5 minut: .................................................................... Spočítejte rozdíl teplot od začátku do konce. ...............................................

2.

Jaké jsou nyní izolační vlastnosti podrážky:

velmi dobré dobré špatné


41

Pracovní list 4.1 – Co jsme udělali? Jména: Datum:

Nyní je čas přemýšlet o tom, jak jste pracovali a co se vám podařilo.

Diskutujte tyto otázky a zapište odpovědi:

1.

S čím byly dobré zkušenosti? Proč?

2.

Konstrukční proces má pět fází. Jaké to jsou?

3.

Kterou z fází jste měli nejraději?

4.

Co během práce nejlépe fungovalo?

5.

Co nefungovalo moc dobře?

6.

Co nejlepšího jste se naučili?

7.

Získali jste nějaké nové dovednosti?

8.

Jaké největší výzvě jste čelili?


42

Vědecké poznámky pro učitele, které se týkají izolantů Některé klíčové vědecké poznatky obsažené v lekci 2 • Teplo se přenáší z teplého na studené prostředí. • Různé materiály mají různé tepelné vlastnosti a přenášejí teplo různým způsobem a intenzitou. • Izolanty zpomalují přenos tepla. • Tepelné vodiče přenos tepla urychlují. • Rychlost přenosu tepla závisí na rozdílu teplot mezi dvěma předměty/materiály. • Čím větší tloušťka materiálu, tím lepší izolační kapacita. • Teplota je ukazatel toho, jak teplý nebo studený daný předmět je. Co je to teplo? Abychom pochopili, co to je teplo (nebo tepelná energie), musíme si uvědomit, z čeho je tvořena hmota. Hmota se skládá z atomů a molekul v neustálém pohybu (tyto částice vibrují, a pokud je jim dodána dostatečná energie, mohou do sebe při pohybu navzájem narážet). V tomto pohybu molekul je obsažena kinetická (pohybová) energie. I v nejhlubším vesmíru, kde jsou teploty nižší než -240° C, je stále přítomno malé množství energie. Veškerý pohyb ustává až při dosažení teploty „absolutní nuly“, tedy -273° C. Teplo souvisí s energií pohybujících se atomů a molekul. Termodynamika Energie může nabývat mnoha různých podob (například mechanická energie, světelná energie, chemická energie, zvuková energie). Mnoho různých druhů energie se může transformovat v tepelnou energii. Příkladem může být například tření rukou o sebe, abychom si je zahřáli. Pokud do systému dodáme energii, systém se zahřeje. Odebráním energie pak systém zchladne. Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá vztahy mezi tepelnou energií a jinými formami energie. Termodynamika vytváří předpoklady pro technické obory, a tím i pro technický vývoj velkého historického významu. Během průmyslové revoluce v 19. století bylo zjištěno, že stroje nespotřebovávají energii, ale převádějí ji z jedné formy do jiné, například parní stroj převádí chemickou energii obsaženou v uhlí na energii kinetickou (pohybovou). Bylo také zjištěno, že bez ohledu na to, jak pečlivě a dobře byl stroj zkonstruován, dochází vždy k tření mezi jednotlivými částmi stroje, čímž vzniká teplo unikající do okolního prostředí. Sen o věčně se pohybujícím stroji (perpetuum mobile) byl tak navždy zničen. Totéž platí i o všech přírodních systémech, kde energie vždy nakonec skončí ve formě tepla. Živé organizmy fungují pouze v určitém teplotním rozmezí, a tak nám příroda poskytuje mnoho příkladů zachování tepla v chladném prostředí a naopak odvádění tepla v horkém podnebí. Některé příklady izolace jsou uvedeny na konci této části. Hlavním principem termodynamiky je, velmi zjednodušeně řečeno: • Energie může být transformována z jedné formy do jiné, avšak nemůže být „stvořena“ nebo „zničena“. Množství energie v uzavřeném systému je konstantní. Neboli ještě jednodušeji řečeno: „Nemůžete získat víc, než kolik můžete vložit.“ • Teplo je velmi zvláštní forma energie. Všechny ostatní formy energie je možné přeměnit na teplo, avšak obráceně to neplatí. Není možné teplo zcela a beze zbytku přeměnit na tu formu energie, ze které vzniklo. Jinak řečeno, teplo je kvalitativně nižší forma energie. Pro tento jev se používá také řecké slovo „entropie“ vyjadřující „nemožnost“ tuto energii využít. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

43

Teplo, chlad a teplota Teplé a studené jsou vyjádřením rozdílné teploty. Objeví-li se rozdíl v teplotách, začne se teplo přenášet z teplého na studené prostředí až do vyrovnání teplot. Pokud něco zahřejete, bude se teplo přenášet směrem k chladnějšímu materiálu, stejně, jako když něco jiného ochladíte. Teplota je změřená hodnota průměrné kinetické (pohybové) energie atomů a molekul vyjádřená ve stupních nebo jednotkách stanovených jako standardní stupnice (obvykle stupně Celsia nebo Fahrenheita). Běžné kapalinové teploměry jsou tvořeny skleněnými trubicemi naplněnými kapalným alkoholem (dříve se používala i rtuť, avšak ta již dnes není tak obvyklá z důvodu ochrany zdraví a bezpečnosti). Kapalinové teploměry pracují na principu tepelné roztažnosti. Jak se kapalina zahřívá, teplejší molekuly se budou pohybovat více a kapalina se bude roztahovat. Díky tomu bude stoupat ve skleněné trubici. Bude-li se kapalina ochlazovat, pohyb jejích molekul se bude zpomalovat a kapalina se bude smršťovat (a tedy klesat ve skleněné trubici). Skleněná trubice je kalibrována, a tak lze změny v objemu kapaliny přesně měřit. Vodiče Vodivost deﬁnuje schopnost materiálu přenášet tepelnou energii. Některé materiály, zejména kovy, jsou dobrými tepelnými vodiči. Pokud je teplota dvou předmětů nebo materiálů rozdílná, začne přenos tepla ve směru od teplejšího ke studenějšímu prostředí. Tento proces pokračuje, dokud se teploty obou prostředí nevyrovnají. Izolanty Izolanty zpomalují přenos tepla mezi materiály. Díky tomu ten samý materiál dokáže udržet teplo nebo chlad, protože v obou případech zamezuje pronikání nebo unikání tepla. Dřevo a plasty jsou špatné tepelné vodiče, a nazýváme je proto tepelnými izolanty. Izolanty mají několik vlastností, které rozhodují o tom, jak dobré budou jejich izolační vlastnosti: Tepelná vodivost: stanovuje, jak snadno se teplo bude přenášet prostřednictvím daného materiálu na jiný materiál. Měrná tepelná kapacita: stanovuje, kolik energie je potřeba k zvýšení teploty daného materiálu o jeden stupeň Celsia. Kromě toho jsou izolační vlastnosti materiálu určeny i jeho tloušťkou a tvarem. Čím silnější materiál, tím pomalejší bude zahřívání nebo ochlazování. Na tvaru také velmi záleží, protože teplo může unikat lépe díky velké ploše povrchu a naopak. Dobré izolanty Dobrý izolant je obvykle materiál obsahující velké množství vzduchu zabraňujícího přenosu tepla. Vzduch uvnitř materiálu je dobrý izolant, protože jeho molekuly jsou daleko od sebe a nemůže tak mezi nimi docházet k snadnému přenosu energie. Čím více vzduchu, tím lepší je izolace. Dobré izolační materiály obsahují 94 % až 99 % vzduchu. Kovy jsou proto relativně špatné izolanty, ale dobré vodiče tepla. Rozdíl mezi pociťovanou teplotou a naměřenou teplotou. Někdy se naše vnímání teploty ukáže ve srovnání s měřením nepřesné. Tento fakt tvoří hlavní obsah lekce 2.5. Mají-li předměty stejnou teplotu jako vzduch v místnosti, budeme některé vnímat jako chladnější (například kovovou lžíci). Další budeme vnímat jako teplejší (například vlněný svetr). Pro pochopení, proč tomu tak je, je třeba zaměřit pozornost na teplotu v místnosti v porovnání s teplotou našich rukou a izolačním vlastnostem materiálů, jichž jsme se dotýkali. Pokud je teplota v místnosti nižší, než je teplota našich rukou, budeme materiály s lepší tepelnou vodivostí vnímat jako chladnější (kovy jsou špatné izolanty, ale dobré tepelné vodiče). Naproti tomu materiály přenášející teplo pomaleji budeme vnímat jako teplejší (vlněné svetry jsou dobrými izolanty a špatnými vodiči tepla).


44

Bota: Teplo v botě je výsledkem přeměny chemické energie na teplo. Tělesné buňky spalují glukózu z potravy za pomoci kyslíku, který vdechujeme při dýchání. Tento proces způsobuje přenos tepla, díky kterému naše tělo udržuje tělesnou teplotu přibližně 37° C. Udržování tepla v botě vyžaduje energii, jinak by se postupně teplota naší nohy vyrovnala s teplotou ledu pod podrážkou. Naším úkolem je co nejvíce zpomalit přenos tepla z chodidla za použití všech vědomostí, které jsme získali o izolantech.


45

Některé z představ žáků o principech izolace Představy dětí o tom, jak funguje příroda, mají základ v jejich každodenních zkušenostech. Ty nemusejí odpovídat aktuálním vědeckým poznatkům, ale obvykle je děti umí rozumně zdůvodnit na základě svých vlastních pozorování a zkušeností. Mají-li děti možnost ověřit si své představy pomocí vhodných praktických pokusů, přijmou nový názor spíše, než když je jim nový poznatek pouze teoreticky vysvětlen. To je hlavním úkolem učitele. Pro studenty a žáky všech věkových kategorií je velmi náročné přijmout za své nové poznatky o určitém jevu, zejména pokud o něm měli již zažitou představu. Díky různým průzkumům máme sice určité informace o tom, jaké představy mají studenti a žáci o základních fyzikálních jevech a principech, avšak žáci často své názory jen obtížně formulují, takže je třeba při vyhodnocování úrovně jejich znalostí dbát opatrnosti. Proto je důležité poskytovat dětem příležitosti o svých představách diskutovat. Průzkum ukázal, že teplo, teplota a energie jsou pro žáky obtížně pochopitelné pojmy (1). Několik běžně rozšířených omylů zahrnuje představu, že některé předměty, například deky, produkují své vlastní teplo. Děti takové představě mohou věřit, protože na vlastní kůži zažily pocit tepla, když se přikryly dekou nebo si oblékly svetr. Mohou si myslet, že některé látky, třeba mouka nebo vzduch, se nemohou zahřát, nebo že teplota závisí na velikosti objektu. Další oblastí častých omylů jsou pojmy „teplé“ a „studené“. Žáci se často domnívají, že teplo a chlad jsou rozdílné věci a že jde spíše o nějaké druhy látky než o subjektivní pocit teploty. Žáci také mohou věřit tomu, že „chlad“ se může přenášet mezi jednotlivými předměty. Napoví jim to zkušenost s chladničkami nebo chladiči. Stejně jako v mnoha dalších oblastech vědeckého poznání je i zde potenciál pro každodenní používání běžného jazyka a výrazů v rozporu se skutečnými významy daných pojmů. Více o představách žáků o této problematice: Zdroj: http://beyondpenguins.ehe.osu.edu/issue/keeping-warm/common-misconceptionsabout-heat-and-insulation Správné chápání tepla (tepelné energie) závisí na pochopení pohybu atomů a molekul. Tyto abstraktní pojmy mohou být pro některé žáky účastnící se tohoto projektu nepochopitelné. Učitelé se budou muset spolehnout na svůj odborný úsudek při rozhodování o tom, zda, a případně jak podrobně, vysvětlit žákům fakt, že teplo je důsledkem pohybu atomů a molekul. Pro účely tohoto projektu je třeba, aby žáci pochopili směr přenosu tepla (z teplejšího na chladnější) a že důsledkem takového přenosu je skutečnost, že se teplejší předmět ochlazuje a studenější zahřívá, dokud oba nedosáhnou stejné teploty. V této fázi musí učitel žákům sdělit, že teplo se přesunuje z teplejšího prostředí na chladnější, protože neexistuje jednoduchý způsob, jak žákům tento fakt dokázat. Je proto důležité tuto skutečnost během práce na projektu stále zdůrazňovat. Učitelé by se měli vyhnout tomu, aby o „chladu“ mluvili jako o subjektu (k čemuž při běžných rozhovorech často dochází). Měli by podporovat žáky v tom, aby přemýšleli v intencích přenosu tepla. V lekci 2 budou žáci rozvíjet své znalosti o různých tepelných vlastnostech rozličných materiálů a dozvědí se, že tepelné izolanty zpomalují přenos tepla, zatímco tepelné vodiče jeho přenos urychlují. Získají také praktické znalosti díky reálným pokusům s teplotními rozdíly mezi jednotlivými předměty nebo materiály a také se naučí, že na rychlost přenosu tepla má vliv i tloušťka materiálu. Lekce 2 žákům rovněž pomůže pochopit, že teplota je vyjádřením toho, jak teplé nebo chladné věci jsou. Při měření měnící se teploty materiálů nebo předmětů mohou učitelé využít příležitosti a zaměřit se společně s žáky na mylnou představu, že teplota je vlastnost daného objektu. V lekci 2 budou žáci rovněž seznámeni s faktem, že naše smysly nás mohou klamat v odhadu, zda je nějaký předmět teplý nebo studený (kovy působí studeněji) a že při měření teploty je potřebná přesnost. Odkazy (1) Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood-Robinson, V. (1994) Making sense of secondary science. Reserach into children’s ideas. London: Routledge.


46

Základní informace pro učitele Izolanty v přírodě Tato část je určena pro učitele, avšak jednotlivé příklady mohou být přizpůsobeny i pro žáky. Jak lední medvědi udržují teplo Srst ledního medvěda dobře chrání proti chladu. Principem je skutečnost, že srst dobře zachycuje a zadržuje vzduch a vzduch je dobrý izolant. Kožešina ledního medvěda je složena ze dvou vrstev: z krátké podsady, která dobře zadržuje vzduch, a z krycí srsti složené z dlouhých chlupů. Tyto dlouhé chlupy zajistí, že vzduch nebude z podsady unikat. Medvědí chlupy jsou duté a naplněné vzduchem, a tak rovněž pomáhají udržovat medvěda v teple. Kožich ledního medvěda je tak účinný, že umožní lednímu medvědovi udržet si svou tělesnou teplotu i při teplotách nižších než -30° C. Izolační vlastnosti medvědího kožichu se však zhoršují, pokud se namočí. Proto medvěd poté, co vyleze z vody, ihned vodu ze své srsti vytřásá. Eskymáci ledního medvěda napodobují při výrobě svého oblečení. Z medvědí kůže dělají oblečení, které nepřichází do styku s vodou, zatímco pro výrobu mnoha dalších součástí svého oděvu využívají tulení kůže. Vědci prováděli fotografování ledních medvědů pomocí infračervených kamer, které umožňují detekovat teplo produkované živými organizmy nebo předměty. Lední medvědi byli na těchto záběrech „neviditelní“, protože jejich srst je tak dobře izoluje, že neztrácí prakticky žádné teplo. Pižmoň zůstává v teple i při mrazu pod -40° C Pižmoň je znám jako zvíře s nejteplejším kabátem na světě. I jeho srst je složena ze dvou vrstev. Krycí vrstva je tvořena hustými dlouhými chlupy a podsada je z izolační vlny. Vlna pižmoně je osmkrát teplejší než ovčí vlna. Nejsilnější a nejdelší srst má pižmoň na zadní části těla, a proto se ke studeným polárním větrům otáčí zády. Sněžná sova má peří i na nohách a v obličejové části hlavy Sněžná sova je jedním z mála ptáků, kteří dokážou přežít v nejchladnějších polárních oblastech. Její peří ji před chladem dobře ochrání. Dlouhým peřím má pokryté dokonce i nohy a pařáty, stejně jako obličejovou část hlavy. Tuleni mají tlustou vrstvu podkožního tuku Tuleni tráví většinu času pod vodou, kde by je srst před chladem dostatečně neochránila. Z tohoto důvodu je tulení kůže vodotěsná a spojená se silnou vrstvou podkožního tuku, která proti chladu dobře izoluje. Tulení tuk je rovněž označován slovem lůj. V ploutvích tuleň žádný tuk nemá, avšak i ty zůstávají v teple, a to díky principu tepelné výměny, kdy je studená krev v ploutvích ohřívána teplou krví z těla. Stejného principu se využívá i v budovách, kde se horká voda z vytápění používá i pro ohřev studené vody ve vodovodu. Toho je dosaženo tím, že je vodovodní potrubí umístěno do blízkosti trubek s teplou vodou pro vytápění. Podsada a peří udržují kachny v teple a suchu Možná jste už spali pod peřinou. Pokud ano, tak víte, že prachové peří velmi dobře zadržuje teplo. Kachní peří je velmi účinné a udržuje kachnu v teple a suchu. Peří je složeno ze dvou vrstev: podsady z prachového peří a krycího peří. Spodní vrstva velmi dobře tepelně izoluje, protože mezi svá jemná vlákna dokáže zachytit velké množství vzduchu, a vzduch je, jak známo, dobrý izolant. Tato spodní vrstva však nedokáže kachnu ochránit před vodou nebo větrem, a proto je překrytá ještě vrstvou krycího peří. Krycí peří dobře odvádí vodu a chrání před větrem, a pomáhá tak udržet vzduch zachycený ve vrstvě prachového peří. Jednotlivá pera krycí vrstvy jsou silná, pevná a dutá. Díky dutinám v perech je peří velmi lehké a současně objemné. Když je zima, ptáci si své peří „načechrají“, a zachytí tak v peří ještě více vzduchu, který dobře izoluje a chrání před zimou. V zimě mají ptáci více peří, aby byli dobře chráněni před chladem. Některé z těch nejkvalitnějších a nejteplejších přikrývek jsou naplněné prachovým peřím. Tento dokument byl připraven na základě smlouvy č. 288989. Toto dílo podléhá licenci Creative Commons: Uveďte autora – Nepoužívejte dílo komerčně – Mezinárodní licence 4.0

47

Oblečení Eskymáků Inuité (nebo Eskymáci) žijí ve velmi chladném podnebí blízko polárního kruhu. Jejich tradiční oblečení je tvořeno minimálně dvěma vrstvami kožešin se vzduchovou vrstvou mezi nimi. Objevy izolace V tomto projektu žáci vyzkouší a vylepší své výrobky. Stejně to funguje i v reálném světě, kdy vynálezce není vždy tím, kdo svou představu předá do výroby. Někdo další, kdo dokáže rychleji nebo lépe rozpoznat potenciál určitého nápadu, může původní myšlenku vynálezci ukrást. Minerální vata – vata z kamene Minerální vata se používá pro izolaci stěn. Původní nápad pochází z Havajských ostrovů. Havajské souostroví je sopečného původu a některé ze sopek jsou stále aktivní. Když sopka vyvrhuje lávu, mohou se z lávy vytvořit dlouhá tenká kamenná vlákna, která je pak možné nalézt na plážích ve formě jakési kamenné vaty. Za starých časů si domorodci představovali, že to jsou vlasy jejich bohyně Pele, které si je ve zlosti servala z hlavy. Tento jev inspiroval umělou výrobu takové minerální vaty, která se dnes celosvětově používá při izolaci budov. Minerální vata je pevný a odolný materiál, který dokáže zachytit velké množství vzduchu a dobře tak izolovat před chladem. Termoska je starý vynález Některé vynálezy začínají svůj život jako řešení jednoho konkrétního problému. Později je pak stejný princip využit i v jiných souvislostech. Stejně tomu bylo i s dobře známou termoskou. Vědec James Dewar vynalezl termosku v roce 1892. Pracoval mimo jiné s plyny v kapalném skupenství a dostal nápad, že by je mohl uchovávat v jakési dvojité baňce tvořené vnější a vnitřní vrstvou, které bude oddělovat vakuum. Zjistil, že vakuum je při udržování tepla velmi efektivní a dobře zajistí, aby se teplota uvnitř baňky neměnila. I když dnes víme, že šlo o velmi dobrý a užitečný nápad, trvalo mnoho let, než tato myšlenka opustila Dewarovu laboratoř. A Dewar nebyl tím, kdo na tomto vynálezu vydělal. Byli to dva němečtí skláři, které napadlo použít princip Dewarových izolačních baněk a vyrobit produkt užitečný pro širokou veřejnost, tedy termosku. Dlouho byly termosky křehké a snadno se rozbily, protože byly vyrobené ze skla. V 80. letech 20. století se však začaly vyrábět z oceli, takže jsou mnohem odolnější. Syntetická vlákna kopírují srst ledních medvědů V dřívějších dobách se oblečení často vyrábělo ze zvířecích kůží a kožešin. Dnes jsou široce využívány syntetické materiály a při navrhování, výrobě a konstrukci různých materiálů jsou kopírována přírodní řešení. Například kožešina ledních medvědů inspirovala vývoj dutých syntetických vláken, takže vznikl lehký a teplý materiál. Informace o Grónsku Grónsko je největší ostrov na světě s celkovou rozlohou 2 166 000 km² (přibližně padesátkrát větší, než je rozloha Dánska). Žije na něm přibližně 56 000 obyvatel. Grónsko bylo do roku 1953 dánskou kolonií, avšak dnes má svou vlastní samosprávu. Grónsko se nachází v polárním klimatickém pásu. Teplota v zimě často klesá i pod -50° C a v létě zřídka překračuje 10 až 15° C. Téměř 80 % plochy ostrova je celoročně pokryto ledem. V letních měsících se ledová pokrývka na pobřeží rozpouští, a právě v těchto oblastech žijí obyvatelé Grónska. Už odedávna byly hlavním dopravním prostředkem na souši psí spřežení. Grónští psi tahající saně jsou zcela přizpůsobeni chladnému podnebí a žijí celoročně venku. Grónskem prochází polární kruh. Polární kruh je hranice mezi oblastmi, kde můžete a nemůžete vidět slunce o půlnoci. Přesněji řečeno právě na polárním kruhu svítí v době letního slunovratu slunce po celých 24 hodin, a čím dále na sever budete cestovat, tím déle bude slunce svítit.


48

Ilulissat, nacházející se kousek na sever od polárního kruhu, má polární den od 19. května do 22. července. Severně od polárního kruhu slunce v tomto období nezapadá pod obzor, a je proto světlo ve dne i v noci. V zimě je tomu obráceně. Slunce nevystupuje nad obzor, a je proto tma ve dne i v noci. I když je slunce během polárního dne stále nad obzorem, teplo není, protože je slunce stále nízko. Rozdíl mezi denními a nočními teplotami je jen velmi malý. Čím blíže budete putovat směrem k rovníku, tím výš bude slunce nad obzorem a tím větší bude teplo. Největší ostrov na světě obývá mnoho zajímavých živočišných druhů přizpůsobených arktickému klimatu, a to jak na souši, tak v moři. Lední medvěd je největším suchozemským dravcem a je symbolem oblasti, ve které žijí i další zajímavá zvířata, jako jsou pižmoni, narvalové nebo mroži. Spolu se sobem je pižmoň jedním ze zvířat žijících na souši, která mohou turisté vidět nejčastěji. Žijí zde také vlci, polární lišky, zajíci a další menší zvířata, ta se však v blízkosti lidí nezdržují. V Grónsku žije asi 60 druhů ptáků, mezi nimi i orel mořský. Velryby je možné pozorovat v celém Grónsku, zejména v letním období. Často jsou vidět plejtváci obrovští, plejtváci malí a keporkaci. Ve vodách okolo Grónska jsou také často vidět velryby grónské, velryby modré a vorvani.


49

Nohy v teple Zimní boty

Recommend Documents