Bromssträcka

En intressant och viktig aspekt ur vardagslivet är förhållandet mellan hastighet resp. massa och bromssträcka, exempelvis för en bil och vad det innebär för trafiksäkerheten. Den här övningen ger möjlighet att titta på den här aspekten, och ger även möjlighet till fördjupning. Läraren har möjlighet att styra eleverna ned på djupet eller för att bredda sina diskussioner. Tidsåtgången för övningen kan därför variera, men minst 1,5 h borde elever och lärare ha på sig totalt.  

Pedagogiskt flöde: Diskutera --> Förutsäg ---> Skapa/undersök ----> Utvärdera/diskutera ---> Förbättra ---> Fördjupa/Sammanfatta

Ur fysikkursens centrala innehåll - Fysik i vardagslivet
  • Krafter, rörelser och rörelseförändringar i vardagliga situationer och hur kunskaper om detta kan användas, till exempel i frågor om trafiksäkerhet
Ur fysikkursens centrala innehåll - Metoder och arbetssätt
  • Systematiska undersökningar. Formulering av enkla frågeställningar, planering, utförande och utvärdering
  • Sambandet mellan fysikaliska undersökningar och utvecklingen av begrepp, modeller och 
    teorier
  • Dokumentation av undersökningar med tabeller, diagram, bilder och skriftliga rapporter
Ur teknikkursens centrala innehåll - Tekniska lösningar
  • Styr– och reglersystem i tekniska lösningar för överföring och kontroll av kraft och rörelse
Ur teknikkursens centrala innehåll - Arbetssätt för utveckling av tekniska lösningar
  • Teknikutvecklingsarbetets olika faser: identifiering av behov, undersökning, för­slag till lösningar, konstruktion och utprövning. Hur faserna i arbetsprocessen samverkar
Primära fysikaliska koncept och samband i denna aktivitet
 Sekundära koncept och påbyggnad
Hastighet, acceleration, retardation
Friktionskraft 
Linjärt accelererad rörelse
Grafiska representationer av rörelse, v-x och v-t grafer
Tröghet
Samband mellan hastighet och rörelseenergi
Arbete, koppling arbete/energi-sträcka
Vektorrepresentation av kraft

Primära frågeställningar
  • Hur förändras den sträcka det behövs för att bromsa en bil eller en cykel när man ökar hastigheten? 
  • Hur förändras bromssträckan om bilen har mer packning? 
  • Vad innebär det för säkerheten i trafiken? 
  • Hur kan en säkrare modell konstrueras?
  • Vilka andra faktorer än bromssträcka är viktiga när man tänker på trafikssäkerhet och bilar?
  • Hur förändras hastigheten med tiden under en inbromsning?
Sekundära frågeställningar
  • Hur ändras bromssträckan beroende på vilket underlag bilen kör? 
  • Hur ändras den beroende på vilket material däcken är gjorda av? 
  • Spelar det någon roll om bromsarna sitter på bak- eller framhjulen? Vad kan det bero på?
  • Hur lång sträcka behövs det för att accellerera en bil från stillastående till 50 resp 100 km/h?
    • Varför behövs det längre sträcka för att accellerera bilen från 50-100 km/h? 
Instruktioner för aktivitetens utförande
Börja med att diskutera med, eller låt eleverna diskutera kring frågan om trafiksäkerhet generellt och specifikt hur en bils hastighet och massa/"vikt" påverkar dess bromssträcka. Hur lång sträcka behövs för att bromsa en bil - vad händer exempelvis om bilen kör i 60 km/h i stället för 30 km/h? Vad händer om den väger dubbelt så mycket? Be eleverna skriva ned sina förutsägelser/gissningar.

0. Låt eleverna bygga en egen bil med motor. Bilens sluthastighet ställs in genom att ändra motorns varvtal, massan ändras genom att dubbelklicka på karossen och gå in på "material". Gör bilen några meter lång för att få en relativt naturtrogen skala. Ladda alternativt ned bilen som finns i bilaga längst ned på denna sida. En graf visar där hastigheten på y-axeln och positionen i x-led på x-axeln. Följande instruktioner gäller bilen i bilagan. 

Bilen gasar åt höger när man trycker på f, gasar åt vänster om man trycker på b, och bromsar om man trycker på s.

1. Undersök med hjälp av grafen för olika hastigheter hur bromssträckan ändras. Anteckna resultaten. Illustrera gärna resultatet i form av en tabell och med en graf, exempelvis med hjälp av Google documents eller XL. Vanligt papper går naturligtvis även det bra. Går det att formulera något matematiskt samband, i ord eller med matematiska beteckningar? [3]  Testa att åka både åt höger och vänster och om det blir skillnad - fundera på varför [1].

1b. Ändra i grafen så att den visar hastigheten som funktion av tiden i stället. Låt eleverna beskriva, rita av grafernas utseende eller göra en skärmdump. Jämför för de olika graferna. Diskutera begreppet acceleration och grafens lutning. Hur hastigheten förändras med tiden. Jämför även en inbromsning med broms fram respektive på bakhjulen. Tar det dubbelt så lång tid att bromsa en bil till stillastående från 60 km/h jämfört med en bil som kör i 30 km/h? Diskutera resultatet [4].

2. Undersök för hastigheten 50 km/h hur bromssträckan ändras om bilens massa dubbleras/halveras. Be eleverna diskutera resultatet. Be på samma sätt eleverna variera underlaget till exempelvis is och även byta material på däcken. Vad beror skillnaden på? Introducera begreppet friktion om så ej gjorts tidigare.  

3. Givet det som eleverna har upptäckt, går det att konstruera en säkrare bil? Bilen i exemplet jag bifogar här har enbart bromsar där motorn sitter, vilket är fram. Om en motor läggs till även på bakhjulen, som enbart används för att bromsa (ställ in så att framåtdrift och bakåtdrift styrs med andra knappar, tex. i och o, men med samma knapp för broms som motorn vid framhjulen) så förändras situationen, och övningarna ovan kan med fördel åter gås igenom. I bilaga hittar du även en sådan variant av bil med fyra bromsar. Det är dock en pedagogisk tanke att låta elever fundera kring detta på egen hand. Framförallt om övningen används även som moment i teknikundervisningen där teknikutvecklingens olika faser och ärmed förbättringar är av vikt.

Påbyggnadsmöjligheter
För de lite mer intresserade eleverna, eller om tid finnes kan även frågan om rörelseenergi tas upp. Frågan: "Hur lång sträcka behövs det för att accellerera en bil från stillastående till 50 resp 100 km/h?". Kommer att ge svaret att det krävs fyra gånger så lång sträcka. Givet samma gaspådrag under denna sträcka kan kopplingen mellan sträcka-arbete och energi göras. En bil som rör sig dubbelt så fort har fyra gånger så stor rörelseenergi. Kopplingen mellan accellerationssträckan och inbromsningssträckan kan nu göras klar. Att samma förhållande gäller. Vidare kan man be eleverna att visa friktionskraften på hjulen under inbromsning, respektive den resulterande kraften på bilen under accellerationen. Vid konstant kraft är det sträckan som kraften appliceras över som bestämmer hur mycket energi som tillförs eller omvandlas till värme (vid inbromsning). Som avslutning skulle även Rörelseenergin som funktion av Sträckan respektive Tiden plottas och jämföras med hjälp av algodoo. 

Avslutande diskussioner
Be eleverna sammanfatta sina upptäckter genom att skriva ned svaret på de frågeställningar man gått igenom, och vad man har hittat på egen hand. Stämde deras förutsägelser? Be eleverna jämföra sina resultat och fundera på om modellen som programmet presenterar skiljer sig på någon någon väsentlig punkt ifrån hur en verklig bil fungerar [2]. Uppmana eleverna att använda begreppen: friktion, hastighet, acceleration, massa. Avsluta gärna med diskussion i helklass. 

Praktiska kompletterande övningar 
Eleverna skulle kunna testa modellen genom att skjuta lämpligt föremål (ett paket 1/2kg kaffe fungerar tex bra) över golvet, mäta dess hastighet med fotobågar om skolan har sådana, eller genom att analysera en film över förloppet. Stämmer modellen - dvs ökar bromssträckan med kvadraten på hastigheten?  

Relaterat material
Följande simulerade bilolycka skulle kunna fungera som en lite tankeväckande inledning.

Simulerad bilolycka

 




Noter
[1] Om motorn inte är stark nog att låsa hjulen så kommer den bromsande kraften att bestämmas av motorns styrka. Om frambromsarna används för att bromsa vid färd framåt så blir belastningen/normalkraften från underlaget större än om bakbromsar (enbart) används. I det senare fallet är det möjligt att motorkraften därmed räcker för att låsa hjulen, men då normalkraften blir mindre (bakhjulen "lättar" något) så blir även friktionskraften mindre och bromssträckan längre. 

[2] En riktig bil bromsar inte med motorn, utan med bromsar. I situationen där hjulen inte låses har den simulerade bilen alltså en annan funktion än en riktig bil.

[3] Bromssträckan ökar som kvadraten på hastigheten.

[4] Om rörelseenergi har diskuterats kunde det vara intressant att diskutera det här. I annat fall kan detta exempel användas igen, eller hänvisas till när eleverna kommer upp på gymansienivå.
Č
ċ
ď
Inbromsning-4hjul.phz
(915k)
Mattias Davidsson,
2 aug 2011 02:31
ċ
ď
Inbromsning.phz
(748k)
Mattias Davidsson,
10 aug 2011 06:32
Comments