Cohetes de botella de agua - Actividad - Enseñar Ingeniería

Objetivos de aprendizaje

Después de esta actividad, los estudiantes deberían poder:

Diseña y construye un cohete de botella de agua que vuela en línea recta y en la dirección deseada. Explica el centro de arrastre y el centro de masa, y dibuja sus relaciones entre sí para un cohete que vuela en línea recta. Explica por qué el agua es más efectiva que el aire para propulsar. cohetes de botella. Explique los pasos en el proceso de diseño a medida que crearon sus cohetes, destacando los éxitos y fracasos y sugiriendo mejoras adicionales.

Estándares educativos

Cada lección o actividad de TeachEngineering está correlacionada con uno o más estándares educativos de ciencia, tecnología, ingeniería o matemáticas (STEM) de K-12.

Todos los 100,000+ estándares STEM K-12 cubiertos en TeachEngineering son recopilados, mantenidos y empaquetados por Achievement Standards Network (ASN), un proyecto de D2L (www.achievementstandards.org).

En la ASN, los estándares están estructurados jerárquicamente: primero por fuente; por ejemplo, por estado; dentro de la fuente por tipo; por ejemplo, ciencias o matemáticas; dentro de tipo por subtipo, luego por grado, etc.

Sugerir una alineación que no se encuentre en la lista anterior

Lista de materiales

Para compartir con toda la clase:

equipo y acceso a Internet para mostrar a la clase un video en línea (opcional) premios para los equipos ganadores, como obsequios o privilegios

Materiales de miniactividad para usar con toda la clase:

Aparato de veleta (construido por el maestro de antemano para la miniactividad n. ° 1 del Centro de arrastre) 2 piezas idénticas de cartulina corrugada delgada, cada una de ~ 2 x 5 pulgadas de tamaño dos longitudes de 6 pulgadas de alambre de acero rígido, como una bandera horizontal existencias; el alambre debe ser más delgado que el grosor del cartón de 12 pulgadas de largo de 2 x 4 piezas de taladro para madera y una broca pequeña del mismo diámetro que el alambre de acero rígido pasador eléctrico con peso de abanico (construido por el maestro con anticipación para la miniactividad del Centro de Masa # 2) 3 pies de largo de ½-1 pulgada de diámetro (madera) pasador / barra o varilla (material de aluminio liviano), etc. , borradores, objetos de forma irregular, etc .; uno por pareja de estudiantes (opcional) una regla con un rollo de monedas de un centavo para pegar en varias posiciones2 sillas con ruedas (para Momentum and Impulse Mini-Activity # 3); las sillas de oficina con ruedas funcionan bien Lanzador de cohetes de botella de agua, como el Lanzador de botella Aquapod, bomba de bicicleta con manómetro, necesaria para el lanzador de botella; nota: ¡no utilice aire comprimido mecánicamente con lanzadores construidos con tubería de PVC! cinta de embalaje transparente, al menos 2 rollos de cinta adhesiva, al menos 2 rollos 5-7 cuartos; también pueden funcionar otras monedas (opcional) varios materiales de paracaídas (como bolsas de plástico) y materiales de línea (como hilo, hilo, cuerda, cinta para rizar de 3/16 de pulgada) cronómetro medidas de cinta anteojos de seguridad, al menos dos pares

Cada grupo necesita:

dos botellas de refresco de 2 litros; una botella sirve como recipiente a presión para el cohete; (opcional) el otro como cono de nariz para un paracaídas; Para un mejor ajuste en el lanzacohetes, use botellas de productos de Pepsi y Coca-Cola 2 carpetas de manila o cartón, a partir de las cuales se construya el conducto de aleta o cinta de embalaje 1 bolsa de basura de plástico grande, que se usará para la cuerda del paracaídas, para sujetar la bolsa de plástico al marcador de tijera del cohete que escribe en pisapapeles para ajustar el centro de masa (5-7 cuartos, arcilla, papel enrollado, etc.) papel (o cuadernos de ciencias) y lápices para notas, predicciones, hipótesis, explicaciones, bocetos Hoja de trabajo de diseño inicial, una por estudiante Hoja de trabajo de diseño revisada , uno por estudiante Reglas de la competencia a distancia Water Rockets o Reglas de la competencia Water Rockets Hang Time, una por grupo

Hojas de trabajo y archivos adjuntos

Visite [www.teachengineering.org/activities/view/ucd_bottlerockets_activity1] para imprimir o descargar.

Más currículo como este

Conocimientos previos

Un conocimiento básico de la energía y la transferencia de energía; fuerzas, masa y leyes de movimiento, velocidad y aceleración de Newton; arrastre (resistencia al aire); y palancas.

Introducción / Motivación

¿Quién quiere lanzar un cohete? (Espere las respuestas de los estudiantes levantando la mano o respondiendo verbalmente).

¿Preferirías tener un cohete de alto vuelo y tiro directo o un cohete que vuele de un extremo a otro, de cualquier manera, y se estrella contra el suelo justo después de que lo lanzas? La NASA ciertamente no quiere que sus cohetes caigan antes de lo previsto, pero a veces lo hacen.

Vamos a mirar. (Muestre a la clase un video de 5: 40 minutos, Numerous US Launch Failures, sobre desastres de cohetes en https://www.youtube.com/watch?v=CEFNjL86y9c. No es necesario que reproduzca el video completo).

¿Qué notaste? ¿Viste cómo algunos de esos cohetes volaron torcidos y fuera de control antes de explotar? En la historia de la humanidad, tomó algún tiempo y muchas pruebas comprender realmente cómo vuelan los cohetes.

Durante los próximos días, vamos a construir algunos cohetes sencillos usando botellas de refresco de dos litros y, al igual que los ingenieros de la NASA, queremos que vuelen directamente y lejos.

¿A quién le gusta hacer las cosas bien la primera vez? (Observe las respuestas de los estudiantes). La mayoría de la gente lo hace.

Algunos de los primeros cohetes que diseñaremos y construiremos van a parecer "fallas", pero no son fallas. Son solo pasos en el camino hacia el éxito. Eso es lo mejor de la ingeniería. Los errores son solo parte del proceso de aprendizaje y vamos a aprender sobre este proceso, que se llama proceso de diseño de ingeniería. Vamos a hacer cohetes, probarlos, ver si fallan, aprender lo que podamos y rediseñarlos. Vamos a cometer muchos "errores" y eso es parte de la diversión. ¡El único error real es no aprender de ellos!

Procedimiento

Visión general

Los estudiantes tienen el desafío de usar botellas plásticas de refresco de dos litros para construir cohetes de botellas de agua que viajen la distancia más lejana o que puedan permanecer en el aire por más tiempo (tiempo de suspensión). Siguen los pasos del proceso de diseño de ingeniería a medida que crean cohetes utilizando botellas de plástico, papel o material en láminas de plástico para las aletas y cinta. Durante las fases de diseño, construcción y rediseño, los estudiantes prueban sus cohetes tantas veces como sea necesario para refinarlos para que puedan viajar la distancia más lejana o permanecer en el aire por más tiempo.

Durante la competencia, las parejas de estudiantes eligen la cantidad de agua y el ángulo de lanzamiento, por distancia o altura (tiempo de suspensión). Para la competición, los cohetes se lanzan y juzgan una vez. Los tiempos de suspensión se miden desde el momento en que se lanza el cohete hasta que la primera parte (posiblemente desprendida) del cohete toca el suelo. Las distancias se miden desde el lanzador hasta la parte más cercana (posiblemente separada) del cohete completamente en reposo. Los criterios para romper los lazos de distancia y tiempo son (en orden): calidad de construcción, peso del cohete (se prefiere un cohete más ligero) y estilo. Ver más detalles en las Reglas de la competencia de distancia de Water Rockets y las Reglas de la competencia de tiempo de suspensión de Water Rockets.

Fondo

En esta actividad, los estudiantes aprenden los conceptos básicos de aerodinámica y vuelo diseñando, construyendo y lanzando cohetes de botella de agua (sin / con paracaídas) con el desafío de competir para ver qué diseño vuela la mayor distancia o permanece en el aire la mayor cantidad de tiempo. Esta actividad se divide en varios días e incluye tres miniactividades para enseñar los tres conceptos principales necesarios para diseñar cohetes de botella de agua: centro de arrastre, centro de masa y momento e impulso. El enfoque principal de la actividad es doble:

¿Qué hace que un cohete vuele derecho? a través de la exploración del centro de masa, el centro de arrastre y la relación entre ellos ¿Qué hace que un cohete vuele lejos? explorando la pregunta, "¿Por qué usar agua para hacer volar el cohete?"

A través del trabajo preparatorio de miniactividad y las observaciones y su propio diseño y pruebas, los estudiantes obtienen experiencia de primera mano con el impulso y el impulso, y refuerzan su comprensión de las leyes, fuerzas, energía y conceptos relacionados de Newton. Espere que los diseños de cohetes sean casi idénticos en cuanto a distancia y tiempo de espera, a excepción de los cohetes de tiempo de suspensión que agregan paracaídas.

La clave para la estabilidad del vuelo del cohete de botella de agua es la separación física, a lo largo del cohete, del centro de arrastre (COD) y el centro de masa (COM). El COD es el punto en el que se coloca un pivote sobre una veleta para evitar que gire en un sentido u otro. Una veleta que funciona normalmente NO tiene su punto de pivote en el centro de la resistencia, por lo que indica la dirección del viento. La acción de la palanca empuja hacia atrás el lado de la veleta que experimenta más resistencia al viento con mayor fuerza que el lado con menos resistencia. El COM es el punto en el que un objeto se balancea en un dedo y también es el punto sobre el cual el objeto gira si se lanza de un lado a otro. Observe que tanto el COD como el COM son el punto de equilibrio de las fuerzas: la fuerza de la resistencia del aire y la fuerza de la gravedad, respectivamente.

Claramente, un cohete volador estable tiene su centro de arrastre detrás de su punto de pivote, manteniendo la cola del cohete hacia atrás (piense en las plumas de una flecha). El problema es, ¿cómo establecemos el punto de pivote si no podemos unirlo a un objeto fijo (como un pivote de veleta unido a un techo)? Aquí es cuando la COM se vuelve importante. En un objeto que vuela libremente, el COM actúa como el punto natural de rotación y, por lo tanto, es un punto de pivote. Colocar el COM hacia el frente (agregando peso a la nariz) y colocando el COD hacia atrás (agregando aletas a la cola) crea la separación necesaria.

Una vez que se construye un cohete estable, la siguiente preocupación es cómo generar mejor el empuje para que el cohete vuele lejos. La energía se almacena en el recipiente a presión y el empuje se genera al lanzar el cohete. Según la ley de conservación de la cantidad de movimiento, la cantidad de movimiento de un sistema independiente no cambia. El cohete + propulsor son el sistema independiente. Inicialmente, dado que el cohete no tiene velocidad, su impulso es cero. Después del lanzamiento, el impulso total del cohete y el propulsor expulsado deben seguir siendo cero. El momento se define como: momento = masa x velocidad. A medida que el propulsor se expulsa con cierta velocidad, su impulso ya no es cero. El impulso neto cero del sistema, sin embargo, es mantenido por el cohete que vuela en la dirección opuesta con un impulso igual y opuesto. Dado que cuanto mayor sea la masa del propulsor y más ligera sea la masa del cohete, mayor será la velocidad del cohete. El agua, al ser mucho más densa que el aire, genera un mayor empuje en el cohete que con el mismo cohete lleno solo de aire.

Antes de la actividad

Reúna los materiales y haga copias de la hoja de trabajo de diseño inicial y la hoja de trabajo de diseño revisada. También haga copias de las reglas de la competencia de distancia de los cohetes de agua y las reglas de la competencia de tiempo de suspensión de los cohetes de agua; antes de imprimir, modifique estas reglas según sea necesario para que coincidan con sus planes finales de competencia.Siga las instrucciones a continuación para construir un pequeño aparato de veleta para el Centro de actividad de arrastre # 1 (ver Figura 1) y una clavija ponderada para el Centro de masa Miniactividad n. ° 2 (consulte la Figura 2). (Opcional) Como elemento adicional para la miniactividad n. ° 2, considere la posibilidad de hacer un objeto de peso más pequeño que pueda lanzarse al aire con fines de demostración, como una regla con un rollo de monedas de un centavo que se pueden pegar en varias posiciones. Obtenga (preste) dos sillas con ruedas para la miniactividad Momentum and Impulse # 3. Siga las instrucciones a continuación para construir un cohete mínimo, una botella de dos litros con tres aletas, que puede ser variable ponderado para usar en las pruebas de cohetes (ver la sección Con los estudiantes: Día 2). El Día 1, prepárese para mostrarle a la clase un video en línea como parte del contenido de Introducción / Motivación.

Instrucciones para el maestro: Construya un aparato de veleta para el centro de arrastre Miniactividad # 1

Obtenga dos piezas idénticas de cartulina corrugada delgada, cada una de ~ 2 x 5 pulgadas de tamaño. Marque una pieza con una línea vertical en el centro de arrastre del cartón y marque la otra pieza con una línea vertical a 1 pulgada del borde. (desplazamiento desde el centro de arrastre). Vea la Figura 1: En cada pieza de cartón, empuje un pedazo de alambre de acero rígido de ~ 6 pulgadas entre las capas de cartón sin empujarlo hasta el final. suficiente para insertar los cables de pivote que se encuentran a 1 pulgada del borde del bloque. Taladre un segundo orificio a 2½ pulgadas del otro borde del bloque. Vea la Figura 1. Inserte la pieza de cartón (con el alambre en el centro del arrastre) en el orificio hecho a 2½ pulgadas del borde. Coloque la otra pieza de cartón (con el alambre desplazado desde el centro de arrastre) en el orificio que está a 1 pulgada del borde del bloque de madera. Asegúrese de que las dos paletas (piezas de cartón) no interfieran entre sí cuando giran. actividad, coloque el bloque de madera con paletas frente a un ventilador eléctrico. Figura 1. Montaje del aparato de veleta para la Mini-Actividad # 1 del Centro de Arrastre.

Instrucciones para el maestro: Construya una clavija ponderada para la miniactividad 2 del centro de masa

Obtenga una varilla liviana o una clavija de madera que tenga ~ ½-1 pulgada de diámetro y al menos 3 pies de largo. Pese la varilla en un extremo pegando con cinta adhesiva cuatro rollos de monedas de un centavo a la varilla. Al pegar los pesos, deje aproximadamente ½-1 pulgada de la varilla que se extiende más allá de los rollos de monedas de modo que la varilla se pueda equilibrar utilizando solo uno o dos dedos, independientemente de la orientación de la varilla (extremo pesado hacia arriba o extremo pesado hacia abajo). Vea la Figura 2. Figura 2. Ensamblaje de la clavija ponderada para la Mini-Actividad # 2 del Centro de Masa.

Instrucciones para el maestro: Construya un cohete mínimo con peso variable para las pruebas de cohetes

De carpetas de manila o cartón, corte tres aletas que sean todas del mismo tamaño y forma. Use cinta adhesiva o de embalaje para unir las aletas a una botella plástica de refresco de dos litros. Distribuya uniformemente las tres aletas alrededor de la circunferencia de la botella y coloque las aletas de manera que queden ubicadas debajo del centro de arrastre; es decir, no coloques las aletas en la parte superior del cohete. RECUERDA: La parte inferior del cohete es la boca de la botella, así que asegúrate de sujetar las aletas al cohete para que no queden boca abajo cuando se lance. (Vea la Figura 6). Use cinta adhesiva para sellar los bordes de las aletas que tocan la botella para asegurarse de que tengan un contacto seguro. Si no está bien sujeto, las aletas pueden salir disparadas del cohete durante el lanzamiento.

Con los estudiantes: Día 1: miniactividades

Introducción y preevaluación

Presente a la clase el contenido de Introducción / Motivación, incluida la visualización de un video en línea.Introduzca la matriz de diseño que se muestra en la Tabla 1 y las cuatro variables básicas de diseño: aire (A) o agua (W) para el propulsor, y alta (H) o bajo (L) para el centro de masa. Escriba la matriz de diseño en la pizarra del aula para que los estudiantes la revisen. (Después de realizar las tres mini actividades, los estudiantes estarán lo suficientemente informados para seleccionar una de las cuatro opciones de diseño presentadas en la matriz para permitir que sus cohetes vuelen lo más recto y más lejos). Tabla 1. Matriz de diseño. Borrador de diseño n. ° 1: antes de comenzar las miniactividades, pida a los estudiantes que completen la hoja de trabajo de diseño inicial para que pueda medir su conocimiento previo del concepto sobre el centro de masa, el diseño de la aleta del cohete y la selección del propulsor correcto para los cohetes de botella de agua.

Miniactividad n. ° 1: Centro de arrastre

Utilice esta miniactividad para presentar a los estudiantes el concepto de arrastre y cómo la colocación del arrastre en un proyectil afecta su vuelo. Comience con una breve discusión sobre el arrastre utilizando indicaciones como: ¿Alguna vez sacó la mano por la ventana de un automóvil en movimiento? ¿Qué notaste? (Respuesta: Su mano se empuja hacia atrás). ¿Qué sucede cuando el automóvil avanza más rápido? (Respuesta: Su mano se empuja hacia atrás con más fuerza). ¿Qué empuja su mano? (Respuesta: Aire). ¿El aire empuja más fuerte si mantiene la palma de la mano hacia adelante o hacia abajo? (Respuesta: palma hacia adelante). ¿Por qué sucede esto? (Respuesta: Resistencia al aire). ¿Cuál es otra palabra para la resistencia al aire que se usa en ciencia e ingeniería? (Respuesta: Arrastre). Sostenga el aparato de veleta para mostrárselo a los estudiantes. Explique el concepto de centro de arrastre, el punto sobre el cual el viento empuja por igual en ambos lados de la veleta. En el caso de un rectángulo, el centro de arrastre está justo en el medio. Coloque el aparato de veleta frente a un ventilador que esté apagado. Asegúrese de que ambas veletas estén colocadas inicialmente de modo que la superficie plana quede perpendicular al ventilador. Haga a los estudiantes las siguientes preguntas: ¿Qué pasará con cada paleta después de que se encienda el ventilador? ¿Cuál paleta será la más estable? (Es decir, ¿cuál encontrará una posición estable y cuál podría revolotear o cambiar de posición con frecuencia?) ¿Cuál es predecible? (Es decir, ¿cuál hará lo MISMO cada vez?) Haga que los estudiantes registren sus predicciones y razonamientos en un papel. Encienda el ventilador y deje que los estudiantes observen. Espere que la mayoría de los estudiantes probablemente predijeron que la paleta de alambre centrado sería la más estable, ya que parece "equilibrada". Sin embargo, esta demostración muestra muy claramente que la paleta con el punto de pivote colocado LEJOS del centro de arrastre es la paleta estable y predecible. La paleta con el pivote colocado en el centro de la resistencia (es decir, directamente en el medio) a menudo revolotea, cambiando de posición rápida y frecuentemente. Haga las siguientes preguntas orientadoras: ¿Qué ubicación de pivote fue mejor para la previsibilidad y estabilidad de la paleta? Si uno de estos fuera un cohete, ¿cuál sería más predecible y volaría más recto contra el viento? ¿Quién ve un problema? Si se supone que un cohete vuela por el aire, no podemos ponerle un cable para que pivote en un lugar en particular; entonces, ¿dónde está el punto de pivote de un cohete? Pida a los estudiantes que escriban sus observaciones e ideas sobre cómo podría hacerlo un cohete. hacerse pivotar en un punto particular. La miniactividad del centro de masa (siguiente) ilustra cómo y dónde pivota un objeto que vuela libremente. Idea central: la estabilidad se produce cuando el centro de arrastre se separa del centro de rotación. El arrastre siempre seguirá el centro de rotación.

Miniactividad n. ° 2: Centro de masa

Utilice las indicaciones y actividades a continuación para presentar a los estudiantes las ideas de "centro de masa" y estabilidad.

¿Has oído hablar del centro de masa? ¿En qué se parece al centro de arrastre? ¿En qué se diferencia? Divida la clase en grupos de dos estudiantes cada uno. Reparta varios objetos del aula como reglas, varas de medir, objetos de formas irregulares, un objeto por par. Vea si los grupos pueden encontrar el centro de masa de sus objetos. Sugerencia: El centro de masa es la ubicación en la que es más fácil equilibrar un objeto. Pida a los estudiantes que definan, en sus propias palabras, el centro de masa. Por ejemplo: “El punto en el que un objeto se balancea en su dedo”. Muestre a los estudiantes el aparato de tacos con peso y pídale a un voluntario que encuentre el centro de masa. (Respuesta: estará lejos del extremo ponderado). ¿De qué manera será más fácil equilibrar la clavija en un extremo? ¿Con el peso hacia abajo o hacia arriba? Reformule la pregunta usando la palabra "estable" para relacionar la estabilidad con la facilidad de equilibrar la clavija. Pregunte: ¿Qué forma hará que la clavija sea más estable mientras está equilibrada en un extremo? (Respuesta esperada: la mayoría de las personas sienten que la posición con el peso en la parte inferior será más estable y, por lo tanto, más fácil de equilibrar.) Haga que los estudiantes registren en papel sus hipótesis iniciales y expliquen por qué. Pida a los voluntarios que intenten equilibrar la clavija utilizando solo uno o dos dedos y comenzando con el lado pesado hacia abajo (vea la Figura 3 a la izquierda). ¡Espere que se haga evidente rápidamente que cuando el centro de masa es alto (peso hacia la parte superior), la clavija es mucho más fácil de equilibrar (vea la Figura 3 a la derecha)! Haga que los estudiantes registren este resultado y expliquen por qué podría ser así.

Figura 3. Usando una clavija ponderada para experimentar con el equilibrio del centro de masa bajo (izquierda) y el centro de masa alto (derecha).

El centro de masa como el punto de pivote de un objeto libre: Gire la clavija o un objeto pesado más pequeño (como una regla con un rollo de monedas de un centavo pegadas en varias posiciones) arrojándolo al aire. Haga que los estudiantes observen atentamente para notar dónde se encuentra el centro de rotación. ¿Cambia a medida que cambia la ubicación del peso? Guíe a los estudiantes para que comprendan que todos los objetos libres tienen un centro de rotación natural en el centro de masa. Luego, pida a los estudiantes que piensen en cómo se relaciona esto con la miniactividad anterior. Tenga en cuenta que la mano actúa de forma análoga al aire en movimiento proporcionado por el ventilador con respecto al efecto que tiene en la veleta. Tanto la mano como el viento son fuerzas que provocan la rotación. Idea central: el centro de rotación de un objeto libre (como una flecha o un cohete) se encuentra en su centro de masa. Dado que el centro de rotación debe LIDERAR la resistencia, un centro de masa hacia adelante aumenta la estabilidad de un objeto libre.

Miniactividad n. ° 3: Momento e impulso

Los cohetes de botella de dos litros que los estudiantes crearán más adelante en la actividad se pueden lanzar con todo el aire o con una mezcla de aire / agua (un poco de agua agregada al recipiente a presión de la botella de dos litros). Esta simple miniactividad ilustra por qué el agua es un propulsor más eficaz que el aire.

Dirija una discusión utilizando las siguientes preguntas: ¿Qué hará un mejor propulsor para nuestros cohetes: agua o aire? (Haga de esto una discusión abierta; no les diga a los estudiantes cuál es mejor; existen muchas buenas razones aparentes que apoyan cualquiera de las opciones). ¿Cómo compararía el aire y el agua? (Por ejemplo, el agua es más densa, más espesa, más pesada, etc.) ¿Los objetos pesados ​​requieren más o menos energía para lanzarse al aire que los objetos livianos? (Más) Si llenamos nuestro cohete con agua, ¿requerirá más o menos energía para lanzarse? (Más) ¿Una botella vacía requerirá más o menos energía para presurizarse a una presión particular? (Más) Entonces, si comparo una botella que está medio llena de agua con una botella SIN agua (todo aire), ¿tendré que bombear más o menos para presurizar la botella con agua a la misma presión (como 30 psi ) como la botella sin agua? (Respuesta: se requieren menos bombas para la botella llena de agua. Nota: la presión generalmente tiene unidades de libras por pulgada cuadrada, pero también puede tener unidades de energía por volumen [julios por pulgada cúbica]. Si se considera como una "energía densidad ”, está claro que para una presión dada [psi], una botella con la mitad del volumen de aire tiene la mitad del contenido de energía). Una botella llena de agua contiene menos energía Y es mucho más pesada que una botella llena de aire, entonces ¿por qué ¿Se llaman cohetes de botella de agua? ¿Por qué la gente los llenaría de agua? (Por ahora, déjelas como preguntas abiertas y sin respuesta). Realice una demostración como se describe a continuación: En un área abierta del aula, coloque dos sillas rodantes. Pida dos estudiantes voluntarios que pesen aproximadamente el mismo peso. Haga que los estudiantes se sienten in the chairs facing each other with their feet are off the ground so that the chairs are free to roll (see Figure 4).Figure 4. Pushing chairs of equal mass.

Direct the students to place their hands together in front of them and then, on the count of three, push the other student's hands.Have the class observe the relative speed of each student in their chair and measure/record the distance that they travel.Have students switch chairs and repeat the process. (Switching chairs is done to account for any differences in each chair's rolling resistance.)Direct students to document what happened, making sketches and noting the distance traveled by each chair.Next, select two students of very different weights (or the teacher participates as the heavier person) and repeat the process, again noting the distances traveled (see Figure 5).Figure 5. Pushing chairs of unequal mass. From the demo, it is very clear that with students of equal masses, the distances they travel are equal, but when the weights differ, the lighter student travels much further and much faster.Ask students to draw an analogy between the participants of this mini-activity and a pressurized bottle with air only versus a bottle filled with water. Why might water be better to make a rocket go far?Central idea: Conservation of momentum shows that if a heavier object is ejected backwards, the forward velocity of the smaller object must increase to maintain total momentum in the system.Design Draft #2: Before handing out the next worksheet, briefly recap the steps of the engineering design process completed thus far.Tell students: We've just completed the first three steps of the engineering design process. We identified the need to make a rocket that flies straight and far using only certain materials. We researched our problem and the science involved by conducting three mini-activities. And, we identified possible solutions to making our rocket.Tell students: Now, you are going to select which solution you think is best, create your rocket, and test it. After you test your rocket, you can redesign any aspect of your rocket to make it fly farther and straighter.Have students fill out the Revised Design Worksheet. Expect them to be able to select which design option from the design matrix will enable their rockets to fly the straightest and furthest. Refer to the Design Worksheet Answer Key.Using what they learned from the mini-activities, have student pairs sketch their rocket designs, indicating 1) if water is in the pressurized bottle, 2) the location of its center of mass, and 2) the fin locations.

With the Students: Day 2—Rocket Trials

After groups have filled out the Revised Design Worksheet and made sketches of their rocket designs, conduct rocket trials to test the four different design ideas (Table 1). Conduct the rocket trials as a class demo using the two-liter bottle rocket created by the teacher in advance. The trials are the testing step of the engineering design process, so expect students to make observations and record the test results.

Adjust the rocket for the propellant (water or air inside the bottle) and the center of mass location (taped coins) to fit the four test designs: air with high center of mass (AH), air with low center of mass (AL), water with high center of mass (WH), and water with low center of mass (WL).

For the air-only rocket, no water is put in the pressure vessel (two-liter bottle).For the low center of mass rocket, tape 5-7 quarters to the rear section of the rocket (Figure 6-left)For the high center of mass rocket, tape 5-7 quarters to the top of the rocket (Figure 6-right).

Once testing is complete, students can answer the sixth question on the worksheet—to identify which tested rocket design was the best, which informs them on how to design their own water bottle rockets.Figure 6. Water bottle rocket with low (left) and high (right) center of mass.

With the Students: Days 3-4---Student-Created Rockets & Competition

Students finalize their water bottle rocket designs with their partners, then build and test their rockets in preparation for a class competition. Make available the competition rules handouts so students are clear on the project constraints.

Design: Direct the groups to revise their rocket designs as necessary to make sure they will travel as far and straight as possible. Advise them to consider what they learned from the rocket trial results (seeing four different design ideas tested) and the three mini-activities.Construction: Then each group constructs a rocket.Use a two-liter plastic bottle as the rocket body and pressure vessel.Make fins from manila folders or cardboard. As a default, suggest that each rocket have three same-size and same-shape fins (or leave this open-ended for student experimentation). Sketch out fin shapes on paper. Get teacher approval for the fin design. Make a template of the fin design. Trace it onto the manila folder three times. Cut out three fins that are exactly the same.To attach the fins to the rocket body, first use a flexible measuring tape to measure the bottle circumference where the fins will be placed. Then, if three fins are to be attached, divide the circumference by three to determine how far apart to place the fins on the rocket. For example, if the circumference is 75 cm, place the three fins 25 cm apart. Mark on the bottle the height to attach the fins and the spacing on the bottle, such as every 25 cm around the bottle circumference. Then securely attach the fins with duct or packing tape.(optional parachute construction) Use a second two-liter bottle to create a nose cone on the top of the rocket (bottom of the first two-liter bottle) that houses a parachute made of plastic bags and string. Adding a parachute is a good strategy to increase hang time. Suggestions:Make a nose cone by cutting off the top portion (cone shape) of the second bottle. This cone fits snugly on the end of the main two-liter bottle rocket but is NOT taped to the rocket bottle because it needs to come off easily during flight back down to the ground.For the parachutes, suggest that students make them any size or shape they want using the provided plastic bags and string, perhaps after some Internet research to learn more about them. Construct the parachute, attach it to the rocket bottle using string and tape, and then roll it up and place it inside the nose cone. Then fit the nose cone snugly on the top of the rocket prior to launching.Testing and Redesign: After groups finish constructing their rockets, have them wear safety goggles and use the rocket launcher to test them. Permit teams to redesign their rockets as many times as they'd like prior to the final competition. Focus them on how the center of mass and stability, center of drag, and momentum affect their design variables in order to increase the distance traveled or time in flight. Another variable to explore is fin designs to see how they affect rocket performance.Competition: Depending on the culminating competition planned for this activity, students either use meter sticks to measure the distance their rockets traveled (refer to the distance rules handout) or use a stopwatch to measure the time their rockets were in flight (refer to the hang time rules handout). Have students record their team results on a classroom data chart so as to be able to compare group results. Award any team prizes.Reflection, Sharing & Discussion: Have students describe in their own words the steps of the design process that they went through in the activity, as well as a summary of their predictions, results and conclusions—as described in the Assessment section.

Vocabulary/Definitions

acceleration: The rate of change of velocity (speed and/or direction).

center of drag: The point about which an object does not rotate due to drag.

center of mass: The gravitational balance point of an object and its natural center of rotation.

drag (physics): A resistive force exerted on an object by the fluid through which it is moving.

inertia: The resistance of any object to any change in its state of motion (that is, change in velocity).

mass: The property of an object that gives it inertia.

momentum: The product of an object's mass and velocity.

pressure: “Force per area” or “energy per volume.” P = F/A

velocity: The rate of change of an object's position with respect to speed and direction of motion.

Evaluación

Pre-Activity Assessment

Concept Baseline: Before they start the activity, have students complete the Initial Design Worksheet. The worksheet asks two short-answer, one multiple choice, and two fill-in-the-blank questions related to the activity's learning objectives. Review students' answers to gauge their prior knowledge about rocket fin function, center of mass for rockets, and selecting propellants.

Activity Embedded Assessment

Concept Check: After completing the three mini-activities, have students complete the Revised Design Worksheet to apply what they learned from the mini-activities. This worksheet has the same five questions as the pre-assessment worksheet, plus a post-rocket testing question. To assess student learning regarding the activity's learning objectives, compare their initial and revised design worksheets to assess changes in comprehension of rocket design variables. The sixth question asks students to identify which tested rocket design was the best. In addition, completing the revised design worksheet informs students on how to design their water bottle rockets. Refer to the Design Worksheet Answer Key.

Post-Activity Assessment

Reflection, Sharing & Discussion: Have students describe in their own words the steps of the design process they experienced through this activity, as well as a summary of their predictions, results and conclusions. Require them to include their ideas for future rocket improvements based on the performance of their final designs and what they learned from the mini-activities. Expect students to be able to share their designs and achieved results (furthest distance traveled or longest time in flight) with the class, and be able to explain—using information they learned during the three mini-activities—why they believe their designs helped them achieve their results.

Making Sense: Have students reflect on the science concepts they explored and/or the science and engineering skills they used by completing the Making Sense Assessment.

Safety Issues

Require all students operating or near the rocket launcher to wear eye protection.Do not pressurize bottles beyond 80 psi. Well-designed rockets can fly more than 100 feet with only 40 psi. Doubling the pressure will NOT double rocket performance.Do not use motorized air-compressors due to oil-PVC incompatibility.

Activity Scaling

For lower grades, focus students on building rockets that can fly straight and far. Have them experiment with the water amount to determine how much helps their rockets achieve farther distances, and with fin design adjustments to improve rocket performance.For higher grades, focus students on how they might lengthen their time in the air by adding parachutes, which increase the drag on rockets as they descend back to Earth. In addition, challenge students to explore how fin size and/or shape affect flight performance.

Copyright

© 2016 by Regents of the University of Colorado; original © 2015 University of California Davis

Contributors

Duff Harrold; Michael Mullen; Sara Pace

Supporting Program

RESOURCE GK-12 Program, College of Engineering, University of California Davis

Acknowledgements

The contents of this digital library curriculum were developed by the Renewable Energy Systems Opportunity for Unified Research Collaboration and Education (RESOURCE) project in the College of Engineering under National Science Foundation GK-12 grant no. DGE 0948021. However, these contents do not necessarily represent the policies of the National Science Foundation, and you should not assume endorsement by the federal government.

Many thanks to RESOURCE fellows Travis Smith and Eric Anderson, and Matsuyama Elementary School sixth-grade MESA students Bobby Horst and Godebo Chapman.

Last modified: September 10, 2021