EDUCATIA STEM ,
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
EDUCATIA STEM ,
A I R E INGE DIENA FACE CU LOR
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
EDUCATIA STEM ,
EDUCATIA STEM ,
E Ț R E MAGIȘAI PRFOO DUC E . M S EDUCATIA NI NTE M, ECASTEM A M R O F PER AR
ză n c ț io n e a l? u f m u c a zi c e r c e t e in g in e r e x c e p ț io n ă s a e r n Ai v ă d e v ii u s i ș e il r lu c r u
EDUCATIA STEM , Desco peră cum să faci testu
l energ iei, cum să const ruieșt i un pod, cum se lanse ază un avion , cum să mește rești un arc, cum pluteș te un subma rin și multe altele !
În a c e a s tă c a rt e p lin ă d e in fo rm a ți i ș i d e re a lit ă ți fa s c in a n te v e i g ă s i 3 0 d e e x p e ri m u im it o a re ș i v e e n te i în v d e p ro ie c ta re a ă ța s ă re z o lv i p ro b le m e le g a te d if e ri to r c o n s tr u c ți i ș i m a ș in ă ri i.
DESCOPE RĂ I NG I NE RI A
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
EDUCATIA STEM , S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
DESCOPERĂ INGINERIA EDUCATIA STEM STRUCTURI,, MAȘINĂRII, CONSTRUCȚII
PREGĂTEȘTE-TE SĂ DESCOPERI
STEM ȘTIINȚĂ
EDUCATIA STEM ,
DESCOPERĂ S, TIINT, A
DESCOPERĂ TEHNOLOGIA
DESCOPERĂ MATEMATICA
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
INFORMAȚII PALPITANTE ȘI PESTE 30 DE EXPERIMENTE!
MATERIALE, SISTEME, ROBOȚI
INFORMAȚII PALPITANTE ȘI PESTE 30 DE EXPERIMENTE!
FABULOUS FIGURES AND COOL CALCUL ATIONS Colin Stuart
UNIVERSUL MATERIEI
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
MATHS
Colin Stuart ASTONISHING ATOMS AND M AT TER M AYHEM
EDUCATIA STEM ,
S CIENCE T ECHNOLOGY E NGINEERING M ATHS
TOOLS , ROBOTICS AND GADGETS GALORE
9 786063 327186
EDUCATIA STEM , TECHNOLOGY
ISBN 978-606-33-2718-6
STEM
INGINERIEI!
ÎN ACEEAȘI SERIE: STEM
DOMENIU AL
NUMERE, CALCULE, RAȚIONAMENTE
INFORMAȚII PALPITANTE ȘI PESTE 30 DE EXPERIMENTE!
Nick Arnold
FASCINANTUL
INFORMAȚII PALPITANTE ȘI PESTE 30 DE EXPERIMENTE!
DESCOPERÄ‚ INGINERIA
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 1
5/2/2018 5:05:14 PM
AUTOR TEXT
Nick Arnold
STEM QUEST. Fantastic Forces and Incredible Machines Nick Arnold Copyright text, design și ilustrații © 2018 Carlton Books Limited Ediție publicată pentru prima dată în 2018 de Carlton Books Limited, o filială a Carlton Publishing Group Toate drepturile rezervate. Această carte nu poate fi reprodusă, stocată într-un sistem de recuperare sau transmisă în orice formă sau prin orice mijloace, electronice, mecanice, prin fotocopiere, înregistrare sau în alt fel fără permisiunea în scris din partea editurii.
Editura Litera O.P. 53, C.P. 212, sector 4, București, România tel.: 021 319 63 90; 031 425 16 19; 0752 548 372 e‑mail: comenzi@litera.ro www.litera.ro
Nick Arnold este autor a numeroase cărți de știință pentru copii, inclusiv al unei serii despre adevăruri științifice cam... dezgustătoare, dar fascinante. Își petrece timpul scriind, dar și ținând prelegeri interactive pentru copii în librării, școli și biblioteci.
CONSULTANT EDITORIAL AL SERIEI
Georgette Yakman Georgette Yakman, licențiată în educație STEM integrată, tehnologie și creație de modă, este cercetător fondator și creator al cadrului integrat STEAM. Este președintele companiei STEAM Education și activează în peste 20 de țări, oferind cursuri de dezvoltare profesională în educație și consultanță în domeniul politicii internaționale.
ILUSTRATOR
Educația STEM. Descoperă ingineria Nick Arnold
Kristyna Baczynski
Copyright © 2018 Grup Media Litera pentru versiunea în limba română Toate drepturile rezervate
Kristyna Baczynski este autoare și ilustratoare de benzi desenate și a fost nominalizată la Premiul Eisner. Creațiile ei au apărut peste tot în lume în diverse reviste și cărți sau ca imprimeuri textile. Dacă n-ar fi ajuns artist plastic, i-ar fi plăcut să fie biochimist, așa că STEM e o temă pasionantă pentru ea.
Traducere din limba engleză: Justina Bandol Editor: Vidrașcu și fiii Redactor: Mihaela Banu Corector: Păunița Ana Copertă: Andreea Apostol Tehnoredactare și prepress: Roxana Ciobanu Descrierea CIP a Bibliotecii Naționale a României ARNOLD, NICK Educația STEM. Descoperă ingineria / Nick Arnold trad.: Justina Bandol – București: Litera, 2018 ISBN: 978-606-33-2718-6 I. Arnold, Nick II. Justina Bandol (trad.) 778.534.6
Editorii țin să mulțumească următorilor pentru permisiunea de a reproduce imagini: p. 9 National Maritime Museum, Greenwich: p. 11 Domeniul public; p. 17 Bachrach/Getty Images; p. 25 Hulton Archive/Getty Images; p. 27 Bettman/Getty Images; p. 39 Keystone-France/Gamma-Keystone prin intermediul Getty Images; p. 41 © Mercedez-Benz; p. 49 și p. 51 Domeniul public; p. 53 Hulton Archive/Getty Images; p. 57 Prin amabilitatea Lehigh University; p. 60 Universal History Archive/UIG prin intermediul Getty Images; p. 63 SSPL/Getty Images; p. 71 Cynthia Johnson/The LIFE Images Collection/Getty Images; p. 75 NASA Editura a depus toate eforturile pentru a recunoaște în mod corect și a lua legătura cu sursa și/sau deținătorul drepturilor de autor în cazul fiecărei imagini și își cere scuze pentru toate erorile sau omisiunile neintenționate, care vor fi corectate în viitoarele ediții ale cărții.
Recomandăm ca toate activitățile să se desfășoare sub supravegherea unui adult.
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 2
5/2/2018 5:05:15 PM
DESCOPERĂ INGINERIA STRUCTURI, MAȘINĂRII, CONSTRUCȚII Nick Arnold
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 3
5/2/2018 5:05:15 PM
Cuprins BUN VENIT ÎN UNIVERSUL STEM! Materie și masă.......................................... 8 Experimentează! Atracție... În viteză Experimentează! Testul energiei
Forme oblice.............................................22 Experimentează! Planul înclinat Experimentează! Înfige o pană!
6
Ridicarea greutății..................................24 Experimentează! Corpuri în balans
Roți și anvelope........................................26 Experimentează! Construiește o mașinuță!
În mișcare..................................... 10 Experimentează! Porniri și opriri Experimentează! Fă o învârteală!
Angrenaje.................................................28 Experimentează! Bagă în viteză! Experimentează! Roți care se îmbină
Bzzz! Electricitatea!.............................12 Experimentează! Cutia însuflețită Experimentează! Agrafe cu superputeri
Lumea materialelor..................................14 Experimentează! Vânătoarea de materiale Experimentează! Rețetă rapidă de plastic
Clădiri și construcții................................ 16 Experimentează! Structuri sub presiune Experimentează! La mare înălțime
Structuri de susținere...........................18
Alte mecanisme care conțin roți........... 30 Experimentează! Roata cu clichet
Arcuri și obiecte elastice......................32 Experimentează! Meșterește un arc! Experimentează! Lansează un avion!
Puterea aburului.......................................34 Experimentează! Secretul motoarelor cu aburi
Trenuri magnetice suspendate.............36
Experimentează! Imită un arc! Experimentează! O problemă cu greutate
Experimentează! Un tren pe șine Experimentează! Câte ceva despre maglev
Poduri și tunele.........................................20
Calcă accelerația!..................................38
Experimentează! Construiește un pod! Experimentează! Munca în subteran
Experimentează! Efectul presiunii
Motoare în mișcare..................................40 Experimentează! Cum prinzi viteză 4
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 4
5/2/2018 5:05:15 PM
Sisteme și mecanică
Materiale și procese
Bio / med / agro / chim
Construcții
Ingineria sistemelor
Construcțiile de nave..............................42
Bioingineria................................................ 60
Experimentează! Cum curge apa Experimentează! Meandre prin apă
Experimentează! Gaz din drojdie
Scufundări și plutiri.................................44
Să sară scântei!......................................62 Experimentează! Construiește un circuit!
Experimentează! Construiește un submarin! Experimentează! Plutește fără grijă!
Ingineria din mine......................................64 Aeronave uimitoare.................................46
Experimentează! Densitatea mineralelor
Experimentează! Zboară cât mai sus!
Energia nucleară..................................... 66 Experimentează! Substanță de protecție
Aripi rotitoare..........................................48 Experimentează! Construiește o morișcă! Experimentează! O elice simplă
Ingineria la fermă..................................... 50 Experimentează! Rețeaua de irigații
Deschide calculatorul!............................68 Coduri bizare............................................ 70 Experimentează! Scrie în limbajul calculatoarelor! Experimentează! Trimite mesaje codate!
Curat și sănătos......................................52 Experimentează! Poluarea din aer Experimentează! E limpede acum?
În largul oceanelor...................................72 Experimentează! Apa sărată
Substanțe utile........................................54 Experimentează! Prepară un ou verde!
Zbor de rachetă......................................74 Experimentează! Construiește o rachetă!
Ingineria medicală....................................56 Experimentează! Aparat de ventilație artificială
Formidabila forță a apei..........................58
Glosar........................................................ 76 Indice.........................................................78
Experimentează! Apa măsoară timpul 5
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 5
5/2/2018 5:05:15 PM
Bun venit în universul STEM! Echipa STEM e gata să-ți prezinte minunatul univers al științei, tehnologiei, ingineriei și matematicii! Seria Educația STEM cuprinde 4 cărți, fiecare dedicată câte unuia din aceste domenii fascinante ale cunoașterii, iar noi îți vom fi călăuze pe tot parcursul lor. Pedagogia stem include exemple din realitate și experimente care te vor ajuta să legi aceste patru domenii de realitatea din jurul tău. Sperăm să-ți dai seama că, indiferent cine ești, poți fi ceea ce-ți dorești să fii: om de știință, inginer, tehnolog sau matematician. Așadar, să începem!...
ȘTIINȚĂ
TEHNOLOGIE
Ca om de știință, cercetezi lumea din jurul tău.
Ca tehnolog, creezi produse și dispozitive care ne îmbunătățesc viața.
Carlos
Ella
Lewis
și
Violet
Carlos este specialist în supernove, gravitație și bacterii. Ella este asistenta lui de laborator. Carlos vrea să plece într-o călătorie prin jungla amazoniană, unde Ella va putea strânge, organiza și arhiva diverse informații!
Lewis visează să se îmbarce pe prima navă spațială , robotul pasionat către Marte. A construit-o pe de gadgeturi, din materiale reciclate.
INGINERIE
MATEMATICĂ
Ca inginer, proiectezi construcții și mașinării formidabile.
Ca matematician, explorezi universul numerelor, formelor și măsurilor.
Olive
6
și
și
Clark
Olive este un foarte bun inginer, care a construit primul ei zgârie-nori (din biscuiți pentru căței) la vârsta de trei ani. Pe Clark l-a găsit într-o excursie la piramidele de la Gizeh.
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 6
Sophie
și
Pierre
Îndrăgostită de matematică, Sophie și-a impresionat colegii calculând raportul dintre amatorii de floricele din clasă și cei de sticksuri. Pierre este programul de backup de pe computerul ei. Se pricepe la calculatoare și o ajută să rezolve misterul numerelor prime.
5/2/2018 5:05:15 PM
Ingineria studiază metodele de a concepe și proiecta produse și mecanisme performante.
Când spui „inginerie“, ce-ți vine în minte? Poate tot felul de scheme, utilaje și șantiere. În cartea aceasta vei găsi cu siguranță și așa ceva, dar vei găsi și oameni – pe inginerii care, cu ajutorul științei, măsoară forțe și cercetează materiale pentru a crea produse și mecanisme mereu mai bune. Ingineria se împarte în mai multe domenii:
Ingineria sistemelor sustenabile Ingineria civilă Spații publice, inclusiv urbanistică și infrastructură
Ingineria mediului Sustenabilitatea ecosistemelor
Ingineria maritimă
Sisteme care funcționează în apele planetei
Bio / med / agro / chim Biotehnologii Folosirea unor părți de organisme vii pentru a crea produse
Ingineria agricolă Metode de a îmbunătăți culturile și șeptelul
Ingineria biochimică Studiul proceselor din organisme
Ingineria chimică
Ingineria hidraulică
Studiul substanțelor care compun materia
Mecanica și forțele fluidelor (lichide, gaze și plasmă) și forțele care acțio nează asupra lor
Ingineria biomedicală
Materiale și procese Ingineria materialelor Crearea de materiale noi
Ingineria minieră Studiul metodelor de extracție a mineralelor
Ingineria nucleară Studiul fisiunii (scindării) și fuziunii (contopirii) nucleelor din atomi
Studiul organismelor pentru a crea pro cedee medicale noi
Toți avem nevoie de inginerie. Avem nevoie de clădiri solide și de pompe și conducte ca să udăm culturile agricole și să ne încălzim locuințele. Avem mașini și trenuri care ne duc la școală și la muncă, submarine care cercetează oceanul și rachete care ne transportă în spațiu. Avem medicamente eficace obținute din microbi.
Sisteme și mecanică Ingineria industrială Evaluarea și ordonarea proceselor de producție (din fabrici)
Ingineria mecanică Studiul pieselor și al mașinilor
Ingineria electrică Tehnologia curent ului, a comp onentelor, dispozitivelor și sistemelor electrice
Ingineria calculatoarelor
Construcții Ingineria aerospațială Proiectarea și construcția de aeronave (zboară în atmosferă) și astronave (zboară în afara atmosferei)
Ingineria construcțiilor Proiectarea și executarea construcțiilor
Ingineria navală Întreținerea și operarea navelor și construcțiilor maritime
Crearea de hardware, software și rețele
Viața noastră e mai bună datorită izbânzilor ingineriei în toate aceste domenii. Ție care ți se pare cel mai interesant? Citește despre toate în această carte și într-o zi poate ai să devii un inventator sau un specialist de vârf într-unul din ele! Urmează-ți visul – și mult noroc! 7
STEM Quest_Engineering_01-07.indd 7
5/2/2018 5:05:16 PM
Materie și masă Ca inginer aspirant, trebuie să știi un lucru: forțele și energia care le pune în mișcare sunt esențiale în fiecare proiect din această carte. Și asupra corpului tău, chiar acum, acționează diferite forțe. De pildă, gravitația...
noțiuni ESENȚIALE
i pu r r o G ra v i ta ț i a a t rag e c u i . tu l s p re c e n t r u l Pă m â n
FORȚA GRAVITAȚIONALĂ
le
Gravitația este o forță care atrage unul spre altul corpurile dotate cu masă. Masa este materia din care e compus un obiect. Corpurile cu masă considerabilă – precum Pământul – exercită o atracție mai puternică decât cele mai mici. Gravitația face corpurile să cadă și Pământul să se rotească în jurul Soarelui. EXPERIMENTEAZĂ!
Atracție...
e t ză i v n Î
Ceea ce numim „greutate“ este de fapt forța de gravitație care acționează asupra masei unui corp. Deci, dacă gravitația atrage mai tare obiectele mai grele, ele ar trebui să cadă mai repede, nu? Să vedem!
Ai nevoie de:
1
O să dai drumul ambelor mingi de la aceeași înălțime în același timp. Înainte de asta, gândește-te care crezi că va ajunge prima la piciorul scării.
2
Lasă mingile să cadă, ca să vezi dacă ai ghicit corect.
3
Dar dacă dai drumul unei mingi și foii de hârtie? Care va atinge prima pământul?
4
Verifică.
✔ O minge mare (de fotbal sau baschet) ✔ O minge mică (de tenis ori golf) ✔ O foaie de hârtie ✔ O scară
8
STEM Quest_Engineering_08-37.indd 8
5/3/2018 9:50:05 AM
CE SE PETRECE? Obiectele cad în același timp! Gravitația face toate obiectele aflate în cădere să accelereze în același ritm. Forța ei acționează mai tare asupra corpurilor mai grele, dar excesul de viteză e anulat de faptul că obiectele grele se împotrivesc mai mult mișcării decât cele ușoare. Ce se întâmplă dacă lași să cadă ceva ușor, precum hârtia? Căderea ei durează mai mult doar pentru că este încetinită de aer.
EXPERIMENTEAZĂ!
Testul
1
e i i g r e n e
Pe lângă forțe, inginerii trebuie să ia în calcul energia. Energia este cea care determ ină lucrurile să „facă“ ceva. Hai să vedem!
Întinde banda elastică de trei ori cât lungimea ei și dă-i drumul.
bandă elastică 2
1
2
3
4
5
6
7
5
6
7
Acum întinde-o de șase ori mai mult decât lungimea și dă-i drumul.
Ai nevoie de: ✔ O bandă elastică (de cauciuc) ✔ O riglă
1
2
3
4
CE SE PETRECE? Când întinzi o bandă elastică, ea acumulează energie potențială – energie înmagazinată în corpul benzii. Când îi dai drumul, energia aceasta se transformă în energie cinetică (de mișcare). Cu cât întinzi banda mai mult, cu atât îi imprimi mai multă energie și cu atât mai departe va țâșni. Poți afla mai multe despre energia potențială la p. 32.
CINE A FOST GALILEI? Omul de știință italian Galileo Galilei (1564–1642) a descoperit că obiectele de greutăți diferite cad cu aceeași viteză. Tot el a formulat legile de funcționare a pendulului: în timp ce pendulul se leagănă, energia lui potențială se transformă în mod repetat în energie cinetică deoarece gravitația îl trage în jos.
STEM Quest_Engineering_08-37.indd 9
9
5/3/2018 9:50:05 AM
În mișcare Există și alte forțe decât gravitația și energia care atrag și resping obiectele și le influențează mișcarea. Hai să le cercetăm! Ești gata? EXPERIMENTEAZĂ!
Porniri și
opriri
Hai să facem mai întâi un experiment ca să vedem cum se mișcă obiectele – sau, poate, de ce nu se mișcă!
Ai nevoie de: ✔ O mașinuță ✔ Foarfecă
1 Taie patru sau cinci bucăți egale de carton de cel puțin 12 x 25 cm și lipește-le una peste alta. Lasă-le să se usuce. 2 Măsoară jumătatea lungimii cartonului și fă un semn cu creionul. Marchează alte două semne la 1,5 cm în interior și la 6,5 cm de o parte și de alta a liniei de mi jloc. Ia foarfeca și fă în aceste puncte câte o gaură puțin mai mică decât cuiele de lemn.
3 Înfige cuiele în cele două găuri. Pune banda de elastic în jurul lor. Dacă se clatină, adaugă mai multe straturi de carton.
cui de lemn
4 Așază rigla între cuie și pune mașinuța în fața bandei de elastic.
✔ Carton ondulat ✔ Lipici
bandă elastică
✔ Creion ✔ Ruletă ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
lipici
5 Găsește o suprafață netedă suficient de mare pentru a construi o pistă O bandă elastică de 1–1,5 m. Întinde ruleta pe marginea zonei unde Două cuie de lemn lungi de 15 cm va fi pista. Acum hai s-o Folie de aluminiu construiești! Riglă Hârtie 7 Las-o pe una așa cum e, acoper-o pe a doua cu folie Folie alimentară transparentă de aluminiu, iar pe a treia cu folie transparentă. Apă într-o sticlă cu pulverizator
găuri riglă
6 Taie trei bucăți de carton de cca 25 x 90 cm.
carton 8 Acum testează pistele. Trage mașinuța în spate cu banda elastică și dă-i drumul. Încearcă fiecare pistă de trei ori, trăgând de fiecare dată mai mult în spate mașinuța.
9 Notează-ți cât de departe ajunge mașinuța. 10 Acum pulverizează Poți afla media celor trei distanțe pentru apă pe piste și fiecare tip de suprafață? Care are media repetă experimentul. cea mai mare? Dar cea mai mică? Ce suprafețe Notează-ți rezultatele. necesită o forță mai mare de lansare? 10
STEM Quest_Engineering_08-37.indd 10
5/3/2018 9:50:05 AM