Oppimateriaalitehtävä- Miksi lentokone lentää?

Tehtävän tavoiteet ja sisällöt

Oppimateriaalitehtävämme tarkoituksena on pohtia, tutkia ja kokeilla lasten kanssa sitä kuinka lentokoneen on mahdollista pysyä ilmassa ja lentää. Tutustumme lentokoneen lentämiseen vaikuttaviin voimiin, kuten nostovoimaan, painovoimaan, työntövoimaan ja ilmanvastukseen. Tunnin tavoitteena on oppia lentokoneen lentämiseen vaikuttavista ominaisuuksista, lentokoneeseen vaikuttavista voimista sekä yhdestä teoriasta, joka selittää lentokoneen lentämistä. Lisäksi tavoittenamme on harjoitella omien pienten tutkimusten tekemistä ja niihin liittyen mittaamista, tulosten raportointia ja tulkitsemista.

OPS2014 Tavoitteet ja sisällöt

T5 ohjata oppilasta suunnittelemaan ja toteuttamaan pieniä tutkimuksia, tekemään havaintoja ja mittauksia monipuolisissa oppimisympäristöissä eri aisteja ja tutkimus- ja mittausvälineitä käyttäen.

T6 ohjata oppilasta tunnistamaan syy-seuraussuhteita, tekemään johtopäätöksiä tuloksistaan sekä esittämään tuloksiaan ja tutkimuksiaan eri tavoin.

T7 ohjata oppilasta ymmärtämään arjen teknologisten sovellusten käyttöä, merkitystä ja toimintaperiaatteita sekä innostaa oppilaita kokeilemaan, keksimään ja luomaan uutta yhdessä toimien.

S2 Arjen tilanteissa ja yhteisöissä toimiminen: Harjoitellaan selittämään arjen tilanteita, ilmiöitä ja teknologiaa eri tiedonalojen käsitteillä ja malleilla. Tutkitaan laitteiden toimintaperiaatteita ja erilaisia rakenteita.

Opettajan taustamateriaali lentokoneen lentämisestä

Lentokoneen lentämiseen vaikuttavat voimat ovat nostovoima ja painovoima sekä työntövoima ja ilmanvastus (NASA). Lisäksi lentämiseen vaikuttaa nopeus ja moottorien teho. Lentokoneen pysyminen ilmassa ja kaikki siihen vaikuttavat tekijät ovat todella monimutkainen yhdistelmä, mutta tähän alle on koottu siitä yksinkertaistetut perusperiaatteet.

Lentokone lentää siipien aiheuttaman nostovoiman ansiosta. Nostovoima syntyy paine-eroista, kun kuperan siiven yläpinnalle muodostuu alipaine ja siiven suoralle alapinnalle ylipaine. Merkittävämpi osa nostovoimasta muodostuu siiven yläpinnalla. (Laakso, 2014.)

Paine-eron on väitetty yleisesti johtuvan siitä, että ilma kulkee siiven yläpinnalla pidemmän matkan kuin alapinnalla, jolloin sen tulee virrata nopeammin ehtiäkseen samaan aikaan siiven takareunaan (Kortelainen 2012). Tämän Bernoullin vakiona tunnetun fysiikan lain mukaan ilma virtaa nopeammin paineen laskiessa, jolloin ilma virtaa lentokoneen siiven yläpinnalla nopeammin kuin alapinnalla. Tämä ei ole kuitenkaan paine-eron syntymisen syy. (Kortelainen 2012.)

Cambridgen yliopiston teknisen tiedekunnan professori Holger Babinskyn mukaan ilmavirran kulkeman matkan pituudella ei kuitenkaan ole mitään tekemistä paine-eron syntymisen kanssa. Hän selittää, että siiven kaareva muoto synnyttää paine-eron, sillä se vetää osan ilmasta ylöspäin vähentäen painetta siiven yläpinnalla ja pakottaa samalla loput alemmas, jolloin paine siiven alapinnalla kasvaa. (Kortelainen 2012.) Lentokoneen siivet ja niiden muoto ovat siis avaintekijöitä lentämisessä.
Babinskyn teoria videolla

Lisätietoa Babinskyn teoriasta https://www.aerosociety.com/media/4841/babinsky-s-demonstration-the-theory-of-flight-and-its-historical.pdf

Painovoima painaa lentokonetta Maan pintaa kohti. Lentokone on suunniteltu ja rakennettu niin, että sen paino jakautuu tasaisesti edestä takaosaan saakka, jolloin se pysyy tasapainossa. (NASA.)

Työntövoima liikuttaa lentokonetta eteenpäin. Moottorit antavat työntövoiman lentokoneisiin. (NASA.) Moottorien voima työntää konetta eteenpäin.

Jotta ilmanvastus olisi mahdollisimman pieni, lentokoneet suunnitellaan mahdollisimman virtaviivaisiksi. Toinen keino, millä ilmanvastusta pyritään vähentämään on lentäminen korkealla yläilmassa, jossa ilma on ohuempaa. (Laakso, 2014)


Lähteet

Kortelainen, K. 2012. Miksi lentokone pysyy ilmassa? - Tiedemies ruttaa yleisen väärän selityksen. 26.1.2012. Tekniikka & Talous. Luettu 10.4.2019. https://www.tekniikkatalous.fi/tiede/2012-01-26/Miksi-lentokone-pysyy-ilmassa---Tiedemies-ruttaa-yleisen-v%C3%A4%C3%A4r%C3%A4n-selityksen-3306823.html

Laakso, S. Mikä pitää lentokoneen ilmassa? 15.6.2014. Finavia. Luettu 10.4.2019 https://www.finavia.fi/fi/uutishuone/2014/mika-pitaa-lentokoneen-ilmassa

NASA. How Do Planes FLy? Luettu 10.4.2019. https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/ames-how-do-planes-fly-text.html

Kysyttyjen ennakkokäsitysten hyödyntäminen oppimateriaalissa

Kyselimme Äänekosken ykkösluokkalaisten ennakkokäsityksiä lentokoneiden lentämisestä. Kysyimme ykkösiltä, miten lentokoneen on heidän mielestään mahdollista lentää.

Vastauksia:
  • Tuuli vie sen ilmaan.
  • Se menee lujaa ja ilmaa tulee alle.
  • Moottorin avulla.
  • Ne potkurit auttaa, kun se menee niin kovaa.
  • Siivet auttaa.
  • Moottorit, siivet ja peräsin.
  • Niillä siivillä.
  • Painovoima.
  • Moottorit ja siivet.
Lasten ennakkokäsitykset olivat yllättävän todenmukaisia pienille oppilaille. He osasivat hyvin nimetä lentämiseen kiinteästi liittyviä lentokoneen osia, kuten siivet ja potkurit. Lisäksi vauhdin huomioiminen ja se, että ilma tulee lentokoneen "alle" olivat tärkeitä huomioita. Lasten mainitsema painovoima oli suoraan yksi lentokoneen lentämiseen vaikuttavista voimista. Potkurit ja moottorit puolestaan aiheuttavat lentoon vaikuttavan työntövoiman ja siivet nostovoiman. Ilmanvastusta ei lasten vastauksissa mainittu, joten sen opettaja voi tuoda keskusteluun esiin. Ilmanvastuksen lapset voivat huomata itse helposti esimerkiksi kulkemalla kovaa tuulta vastaan. Pohdimmekin, että lentokoneen lentämiseen vaikuttavia voimia voi lasten kanssa lähteä helposti käsittelemään heidän alkupohdintojensa pohjalta. Lisäksi lasten alkukäsitysten ymmärtäminen voi auttaa opettajaa teorioiden havainnollistamis-/visuaalistamisvaiheessa, kun hän tietää, miten lapset ovat ajatelleet asian aikaisemmin.

Asiantuntijat

Laitoimme sähköpostia mm. Keski-Suomen ilmailumuseoon sekä Sähkölentokone-yhdistykselle. Emme kuitenkaan saaneet vastauksia kummastakaan paikasta, joten etsimme asiantuntijoiden haastatteluja netistä. Löysimme Finnairin purserin Aile Åströmin haastattelun, jossa hän kertoi lentokoneen toiminnasta.

Åströmin mukaan lentokoneen siipien muoto pitää lentokoneen ilmassa. Tämä vahvisti meidän tulkintaamme lähdekirjallisuudesta. Äströmin mukan kiitoradan pituus ja kosteus vaikuttavat painolaskelmiin. Finnairin lentokoneiden polttoaineeksi Åström mainitsee kerosiinin. Nousuvaiheessa Finnairin vanha ja iso runkokone vie yhtä paljon kerosiinia kuin omakotitalon lämmittäminen vuoden ajaksi. Kuitenkin Finnairin uudet hienot Airbus 350 lentokoneet vievät paljon vähemmän kerosiinia kuin nämä vanhat koneet. Näitä voitaisiin hyödyntää keskustelussa lentokoneista, kun pohditaan, mikä vaikuttaa lentokoneen lentämiseen. Olen itse kuullut monesti lasten pohtivan lentokoneen kulkemista, joten näistä löytynee joihinkin kysymyksiin vastauksia. Lisäksi erityisesti vanhemmat oppilaat voivat olla tietoisia lentokoneiden ilmastovaikutuksista, jolloin nämä vastaukset tuovat vähän lisätietoa asiasta.

Lisäksi käytimme asiantuntijana Tapio Siivolaa, lentäjää, joka oli kuvannut hienoja lentovideoita lentokapteenin ammatistaan YouTubeen. 


Lähteet:
Linkki Åströmin vastauksiin

Oppitunnin kulku (90min)

Koko opetuskokonaisuuden ajan oppilaiden ja opettajan tukena kulkee diaesitys, joka etenee opetuskokonaisuuden kulun mukaisesti.

1. Tehdään lennokit omien tämän hetkisten taitojen pohjalta. (Tässä vaiheessa ei vielä katsota mallia netistä/videoilta.) 

2. Tutkitaan itse taiteltujen lennokkien lentämistä mittanauhan ja sekuntikellon avulla. 

Opettaja kiinnittää lattiaan maalarinteipin lähtöviivaksi, jolta lennokki heitetään. Oppilas heittää lennokkia kolme kertaa ja merkitsee lentomatkan ja lentoajan taulukkoon. Opiskelukaverit voivat auttaa ajanotossa.

3. Pohditaan ennakkokäsityksiä lentokoneiden lentämisestä ja siihen vaikuttavista voimista sekä pohditaan miksi itse taiteltu lennokki lensi hyvin/huonosti ja mikä siihen voisi vaikuttaa.
 
-Mitä käsityksiä/teorioita oppilailla on ennestään, miten lentokone lentää?
-Mitkä asiat oppilaiden mielestä voivat vaikuttaa lentokoneen lentämiseen?
-Osaavatko oppilaat jo nyt nimetä joitakin voimia, jotka vaikuttavat lentokoneen lentämiseen?
-Miksi oppilaiden taittelemat lennokit lensivät/eivät lentäneet hyvin?
-Millä keinoilla oppilaiden lennokit voisi saada lentämään paremmin?
 
4. Katsotaan YouTubesta lentäjä Tapion (Tapio on the move / Tapio Siivola) vlogivideo, jossa selitetään miksi lentokone lentää. Vlogin avulla voidaan lasten kanssa pohtia myös lähdekriittisyyden merkitystä, kun tietoa etsitään internetistä. 

Esimerkkikysymyksiä lähdekritiikkiin:

-Voiko vlogissa esitettyjä tietoja pitää tosina/luotatko itse kerrottuihin tietoihin?
- Miten voisit ottaa selvää ovatko videossa esitetyt asiat todenmukaisia?
- Mistä voisit löytää luotettavampia lähteitä lentokoneen lentämisestä?
-Voisiko kuka tahansa esiintyä lentäjänä ja tehdä samanlaisen videon youtubeen?

Perusteluja sille, että videolla on oikeaa tietoa/sitä voi käyttää:
- Videolla puhuva mies on itse lentäjä --> opiskellut lentokoneen toimintamekanismia itse.
- Mies on oikeasti lentäjä, sillä kun kanavan videoita selaa alaspäin voi havaita esimerkiksi Lentäjän my day - videoita, joilla hän oikeasti lentää toiseen maahan konetta ohjaten.
- Miehen videolla kertomat faktat täsmäävät luotettavista lähteistä, kuten tieteellisistä artikkeleista ja julkaisuista
löydettyyn tietoon lentokoneen toimintamekanismista. 

5. Käydään diaesityksen kautta läpi lentokoneen lentämisen periaatteita.
1) Lentokoneeseen vaikuttavat voimat
- Työntövoima: Moottori / potkurit aiheuttavat lentokoneeseen työntövoiman, joka vie lentokonetta eteenpäin
- Ilmanvastus: Koneesta pyritään tekemään mahdollisimman virtaviivainen, jotta ilmanvastus on mahdollisimman pieni. Ilmanvastuksen voi huomata itse esimerkiksi liikkuessa voimakkaaseen vastatuuleen.
- Nostovoima: Siivet mahdollistavat nostovoiman suuressa nopeudessa. Siipin tulee olla yläpinnalta kuperat ja alapinnalta mahdollisimman suorat.
- Painovoima: Painovoima vetää lentokonetta maanpintaa kohti. Lentokone suunnitellaan ja rakennetaan niin, että paino jakautuu mahdollisimman tasaisesti, jolloin lentokone pysyy tasapainossa.
2) Nostovoiman syntyminen käydään läpi tarkemmin dioissa

6. Pohditaan nyt, mitkä asiat vaikuttavat lennokin lentämiseen ja toisaalta sitä, miksi lennokki ei kuitenkaan pysy ilmassa pitkään niin kuin lentokone.

- Mitkä ovat sellaisia asioita, mitkä vaikuttavat sekä lentokoneen että lennokin pysymiseen ilmassa?
- Mitä eroja lennokeissa ja lentokoneissa on?
- Miten alun lennokkeja voitaisiin muokata paremmiksi näiden oppien myötä?

7. Tehdään uudet lennokit opitun perusteella. Nyt oppilaat saavat etsiä taitteluohjeita netistä/YouTubesta. Pidetään mielessä lentämiseen vaikuttavat tekijät, kuten virtaviivaisuus ja kapea nokka.

Esimerkkivideoita taitteluun:
1.
2.
3.
 
8. Tutkitaan uusien lennokkien lentoa mittanauhan ja sekuntikellon avulla. Kirjataan tulokset taulukoihin ja verrataan aiempiin. Paranivatko vai huononivatko tulokset, miksi? Voidaan myös vertailla koko luokan tuloksia keskenään, minkä mallinen lennokki lensi pisimmän matkan/pisimmän ajan?

Arviointi:

Oppimateriaalitehtävässämme arviointi toteutetaan formatiivisena eli jatkuvana arviointina. Tuntien aikana havainnoidaan oppilaiden intoa tuoda esille omia ajatuksiaan, kokemuksiaan ja kysymyksiään aiheeseen liittyen. Lisäksi havainnoidaan tutkimuksen tekemisen tarkkuutta ja tulosten analysointia yksin ja yhdessä. Myös uusien innovaatioiden keksimistä tulosten ja opitun pohjalta tarkastellaan. Esimerkiksi katsotaan kuinka lapsi hyödyntää tunnilla oppimaansa toisen lennokin taittelukerralla. Koska arviointi tunnilla painottuu pääasiassa havainnointiin, voi opettaja palautteen selkeyttämiseksi ja muistamiseksi laittaa itselleen ylös pieniä muistiinpanoja tai merkkejä lasten työskentelystä omaan päiväkirjaansa. Lisäksi opettaja voi antaa palautetta lapsille suoraan tunnin aikana esimerkiksi tulosten merkitsemisestä, tutkimuksen teosta, muiden auttamisesta, omien ajatusten esille tuomisesta tai lennokkien taittelusta.  

Lähteet

Kortelainen, K. 2012. Miksi lentokone pysyy ilmassa? - Tiedemies ruttaa yleisen väärän selityksen. 26.1.2012. Tekniikka & Talous. Luettu 10.4.2019. https://www.tekniikkatalous.fi/tiede/2012-01-26/Miksi-lentokone-pysyy-ilmassa---Tiedemies-ruttaa-yleisen-v%C3%A4%C3%A4r%C3%A4n-selityksen-3306823.html

Laakso, S. Mikä pitää lentokoneen ilmassa? 15.6.2014. Finavia. Luettu 10.4.2019 https://www.finavia.fi/fi/uutishuone/2014/mika-pitaa-lentokoneen-ilmassa

Länsiharjun 4A-luokan LUMA-projekti. https://luma.uef.fi/wp-content/uploads/sites/11/2018/04/L%C3%A4nsiharju-4_luokka.pdf

NASA. How Do Planes FLy? Luettu 10.4.2019. https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/ames-how-do-planes-fly-text.html

Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet, 2014.

Video Tapio Siivola (Tapio on the move)