® Education HANDLEIDING LEERKRACHT BRUGGEN INTRODUCTIE VAN BOUWWERKEN 78640
INTRODUCTIE VAN BOUWWERKEN BRUGGEN Handleiding leerkracht 96568-V3-10/14 © 2014 K’NEX Limited Partnership Group and its licensors. K’NEX Education zijn gedeponeerde handelsmerken van K’NEX Commanditaire vennootschap Groep. K’NEX Limited Partnership Group P.O. Box 700 Hatfield, PA 19440-0700 Conforms to the Requirements of ASTM Standard Consumer Safety Specification on Toy Safety, F963-03. Manufactured under U.S. Patents 5,061,219; 5,199,919; 5,350,331; 5,137,486. Other U.S. and foreign patents pending.
INTRODUCTIE VAN BOUWWERKEN Voorwoord: OVERZICHT Deze handleiding voor de leerkracht is ontwikkeld om de leerlingen te kunnen begeleiden als ze werken aan de K’NEX Education Intro Bouwwerken: Bruggen. De combinatie van het K’NEX-materiaal, het lesmateriaal voor de individuele leerling en de informatie uit deze handleiding stelt leerlingen in staat om wetenschappelijke concepten te ontwikkelen en hun onderzoeken in zinvolle leerzame ervaringen om te zetten.
2
BRUGGEN Introductie van bouwwerken Achtergrondinformatie DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. De leerlingen onderzoeken soorten bruggen en laten zien dat ze de werking ervan begrijpen. 2. Beschrijven en begrijpen de krachten die optreden. 3. Beschrijven hoe bouwwerken gestabiliseerd worden en lasten kunnen dragen. 4. Demonstreren en beschrijven hoe bouwwerken door belasting kunnen instorten en onderzoeken mogelijkheden voor versterking. 5.
BRUGGEN Brug eigenschappen en kenmerken Landhoofd. Hoeveelheid stenen of beton aan de uiteinden van een boogbrug die de boog op zijn plaats houdt zodat ze niet uit elkaar kunnen schuiven. Verankering: Fundering of betonblokken waarin de kabels bevestigd zijn. Ligger: Een stijf, horizontaal deel van een brug. Kabel: Een bundel draden die gebruikt wordt om een wegdek van een hangbrug te ondersteunen. Caisson: Een tijdelijke constructie om het water weg te houden bij het bouwen van de pijlers van een brug.
BRUGGEN SLEUTEL BEGRIPPEN De volgende samenvatting bevat een aantal sleutelbegrippen met betrekking tot hefbomen en dient als bron voor de leerkracht. Dit kan nuttig zijn als u de voorbereidingen treft voor lessen met de K’NEX Education-set Intro tot Bouwwerken. Bruggen. Wat is een brug? Een brug is een BOUWWERK dat het makkelijker maakt om een hindernis over te steken. Hindernissen als rivieren hebben altijd reizigers en handelaren in de weg gestaan.
BRUGGEN LASTEN Levende lasten: het gewicht van het verkeer dat de brug gebruikt. Deze last veroorzaakt een neerwaarts gerichte kracht op de brug en dus moet in het ontwerp OF de neerwaartse kracht overgebracht worden op de fundering OF in evenwicht zijn met een tegengestelde kracht. Fig. 6i Fig. 6ii Dode lasten: Dit is het gewicht van de brug zelf. Ingenieurs proberen de constructie van bruggen altijd zo licht mogelijk te maken.
BRUGGEN MATERIALEN Ontwerpers van bruggen moeten rekening houden met de eigenschappen van de materialen die ze willen gaan gebruiken. Materialen die bestand zijn tegen duwspanning: hout, gewapend beton, staal en sommige soorten plastic Materialen die bestand zijn tegen trekspanning: kabels, hout (over de lengte gezaagd) Gewapend beton is een goede keus voor veel constructies, waaronder bruggen. Er zitten stalen staven in de lengte en is sterk bij duw- en trekspanning.
BRUGGEN Fig. 16I- Rol een vel papier om een bezemsteel o.i.d. Fig. 16IISterk: duw- en trekspanning Fig. 16III- zwak: buigen Een buis van opgerold papier is verbazingwekkend sterk. Dit kun je goed zien als je de koker probeert samen te drukken. Je kunt ook testen hoeveel de koker kan dragen. Vouw A4 blaadjes op de manieren die hieronder getekend staan en onderzoek hoeveel gewicht ze kunnen dragen. Voorspel eerst hoeveel gewicht ze kunnen dragen.
BRUGGEN Vormen gebruikt in constructies. In constructies zijn de meest gebruikte vormen: rechthoeken, driehoeken en de bogen. Fig. 20-22 - Veelgebruikte vormen in constructies. Gebruik combinaties van K’nex onderdelen. Wat gebeurt er als op deze vormen krachten worden uitgeoefend? Rechthoeken Als je op een hoek van een rechthoek een kracht uitoefent verandert deze in een parallellogram. Fig. 23-24 - Rechthoeken die bij een hoek geduwd worden.
BRUGGEN Driehoeken Als een last tegen de zijkant van de driehoek duwt buigt deze naar binnen. De zijkant is het zwakste punt van een driehoekige constructie. Fig. 26 - Kracht uitgeoefend op de zijkant van een driehoek. Als een kracht wordt uitgeoefend op een van de hoeken van een driehoek buigt deze niet omdat de beide zijden worden ingedrukt en de basis uitgerekt. De krachten worden over de hele constructie verdeeld en niet aan één kant.
BRUGGEN Als er een last of kracht op de top van een boog wordt uitgeoefend beweegt deze naar beneden. De zijkanten bewegen opzij. Fig. 29 - krachten in een boog Het verstevigen van de zijkanten maakt van een boog een sterke constructie. Fig. 30 - Het verstevigen van een boog. Als een boog een last moet dragen proberen de zijkanten zijwaarts te bewegen. Maar de buitenkanten duwen terug en stoppen daarmee de beweging. De steunen aan de buitenkant heten bruggenhoofden. Er is een grens aan boogbruggen.
BRUGGEN VERSCHILLENDE SOORTEN BRUGGEN Voor bruggen zijn er verschillende basistypen. Maar omdat aan iedere brug andere eisen gesteld worden zijn er talloze verschillen in het ontwerp. De LIGGER BRUG Dit is het eenvoudigste type brug, gemaakt van een rechte plaat of balk, die rust op twee steunpunten, elk aan een kant van de ligger. Constructie en materialen: De liggerbrug draagt het eigen gewicht en de last op verticale steunen.
BRUGGEN Fig. 36 - Balkbruggen Hoewel het toevoegen van raamwerken de ligger sterker maakt, hebben deze toch ook een beperkte lengte. LANGERE BRUGGEN Fig. 37a - Hoe maak je een grote overspanning? Probleem: de brug buigt door en is zwak Fig. 37b - Oplossing: Steun vanaf de onderkant. Fig. 37c - Oplossing: Steun vanaf de bovenkant. Een lange liggerbrug buigt in het midden. Ontwerpers vonden hiervoor twee oplossingen.
BRUGGEN Constructie en materialen De boog maakt gebruik van de eigenschap dat steen goed bestand is tegen grote druk. De drukkrachten houden de stenen vast tussen de beide einden (bruggenhoofden) van de brug. De steen in het midden van de boog wordt sluitsteen genoemd en alle andere stenen duwen tegen deze centrale steen. De vorm van stenen in een boog is heel belangrijk. Deze moeten wig-vormig zijn, want het is de vorm die het mogelijk maakt dat de boog zichzelf staande houdt.
BRUGGEN Fig. 43 - Krachten in een cantilever brug. De Forth Railway Bridge over de Firth of Forth bij Edinburgh, Schotland is een van ‘s werelds grootste cantileverbruggen. In 1890 gebouwd van staal met een lengte van 2500 meter. De overspanning in het midden is niet meer dan 100 meter. Fig. 44 Forth Railway Bridge, South Queensferry, Schotland Bij dit voorbeeld wordt de rails onder en boven gesteund met een raamwerk.
BRUGGEN Fig. 46 - krachten in een balkbrug met steunkabels. Constructie en materialen Kabels die aan een grote toren bevestigd zijn worden gebruikt om het wegdek te steunen. De kabels lopen rechtstreeks van de toren naar het wegdek. Alle kabels staan onder spanning en de toren draagt het hele gewicht van de brug en alles erop. De torens zijn gemaakt van beton of staal. De kabels kunnen op verschillende manieren gespannen zijn. Fig.
BRUGGEN Fig. 51 Humber Bridge, Engeland Fig. 50 - Krachten in een hangbrug Tegenwoordig zijn hangbruggen de langste ter wereld. Het huidige record staat op naam van de Akashi Brug die de Japanse eilanden Shikoku en Honshu verbindt met een lengte van 3911 meter. Bewegende bruggen De BASCULE BRUG Het woord BASCULE is Frans en betekent “wip”. Een basculebrug kan open om schepen te laten passeren.
18
BRUGGEN Introductie van bruggen: Voorbereidende activiteiten DOELEN De leerlingen: 1. Herkennen de krachten in een constructie. 2. Demonstreren de manier waarop materialen reageren als er krachten op worden uitgeoefend. 3. Onderzoeken de manier waarop vormen reageren als er krachten op worden uitgeoefend.
BRUGGEN Onderzoek Activiteiten NOOT voor de leerkracht: Informatie en suggesties voor de leerkracht over KRACHTEN, MATERIALEN en VORMEN is te vinden op de pagina’s 5-12 van deze handleiding. Informatie over LASTEN bij bruggen is te vinden bij de les ”Zijn alle bruggen hetzelfde” op pagina 25-28 van deze handleiding. Zie ook www.encyclopedoe.nl onder de trefwoorden krachten en bruggen. Hier vindt u ook meer informatie over MATERIALEN, VORMEN en LASTEN.
BRUGGEN Introductie van Bruggen Wat doen bruggen? DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bedenken een definitie van een brug. 2. Onderzoeken bruggen in de omgeving. 3. Ontwerpen en bouwen een model van een brug. MATERIALEN Elk groepje van 2-3 leerlingen heeft nodig: - K’NEX Education bouwset: Bruggen met instructieboek U hebt nodig: - Een echte bouwtekening – bij de beheerder van het schoolgebouw of de gemeente (optioneel) - Ruitjespapier of kopieerpapier - Een idee van bruikbare websites op www.
BRUGGEN 3 hindernissen voor mensen die van de ene plaats naar de andere willen. Rivieren, valleien, ravijnen, rivierdelta’s, (snel) wegen, water tussen eilanden. Hoe mensen aan de overkant kwamen zonder bruggen. Waden door ondiepe stukken, stapstenen, langs de rand van een ravijn lopen om een plek te vinden om over te steken. Laat de leerlingen naar de foto’s van bruggen en hindernissen in het Instructieboekje kijken.
BRUGGEN Vertel de leerlingen dat ze met K’NEX bruggen gaan bouwen. Bespreek hoe ontwerpers, als ze de beginschetsen gemaakt hebben, modellen gebruiken om de brug te onderzoeken en testen op veiligheid, sterkte en ontwerp.Naar aanleiding van de resultaten worden dan bouwtekeningen gemaakt. De bouwers gebruiken deze voor de echte bouw. Probeer een echte bouwtekening te pakken te krijgen – van een huis of de school bijvoorbeeld - zodat de leerlingen een idee hebben van het soort informatie dat daarop staat.
BRUGGEN De leerlingen moeten er op de “schoentest” voorbereid zijn. Laat de leerlingen een definitie van BRUG in hun werkschrift noteren. Deze moet de woorden “constructie” en “hindernis”bevatten.
BRUGGEN Zijn Alle Bruggen hetzelfde? Hoe bruggen hun lasten dragen. DOELSTELLINGEN De Leerlingen: 1. Bekijken de krachten in constructies 2. Herkennen de verschillen van drie soorten bruggen 3. Onderzoeken hoe een brug een last draagt MATERIALEN Elk groepje van 2-3 leerlingen heeft nodig: U hebt nodig: - Model van de brug van de vorige opdracht - Twee personen-weegschalen - Instructieboekje - 4 of 5 zware boeken - Lang stuk stevig karton of board. - Gewichten(boeken, gewichtenset, etc.
BRUGGEN NOOT: Laat de leerlingen veiligheidsbrillen dragen als ze de bruggen belasten. Stappen: 1. 2. Laat de leerlingen de manier waarop de brug gesteund wordt onderzoeken en dan beslissen of het een ligger-, boog- of hangbrug is. De meeste leerlingen zullen een liggerbrug gebouwd hebben. Laat de leerlingen een last(schoen, boeken, gewichten) op de brug plaatsen en kijken wat er gebeurt in de diverse onderdelen van de constructie. De lasten moeten steeds groter worden.
BRUGGEN (Voor oudere leerlingen.) Omgevingskrachten: het effect van harde wind, sneeuw, ijs en aardbevingen. Schok lasten: de plotselinge zware belasting van bijvoorbeeld zware voertuigen of treinen. (c) Laat de leerlingen naar de lijst op het bord kijken en deel deze in de bovenstaande categorieën in. Laat aantekeningen in hun schrift maken. 5. Leg uit dat een succesvolle brug de belasting verdeelt over de fundering of in evenwicht houdt met tegengestelde krachten.
BRUGGEN Het idee toepassen Laat de leerlingen een korte beschrijving maken van de soorten lasten die op de brug worden uitgeoefend.
Ligger BRUGGEN De Ligger Brug: Het herkennen van kenmerken en het vinden manieren om liggerbruggen te versterken. DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Herkennen de belangrijkste eigenschappen van een liggerbrug. 2. Begrijpen en gebruiken de juiste vaktermen met betrekking tot een liggerbrug. 3. Onderzoeken de voor- en nadelen en de beste toepassingen van de liggerbrug. 4. Bouwen modellen van liggerbruggen met K’NEX.
BRUGGEN Herinner ze aan het woord pijler. Het woord dat bruggenbouwers gebruiken om verticale steunen aan te duiden. Laat de leerlingen in hun eigen woorden de andere dragende delen van de brug omschrijven. Introduceer dan de volgende termen. Brugdek Ligger - het horizontale gedeelte dat rust op de pijlers. Ligger Overspanning – de afstand tussen de pijlers. Brugdek – de bovenkant van de brug die dienst doet als wegdek of treinrails.
Ligger BRUGGEN 3. Bespreek de resultaten van het onderzoek. De leerlingen moeten ontdekt hebben dat de brug verzwakt naarmate de overspanning langer wordt. De ligger begint door te zakken onder het eigen gewicht en kan zelfs breken onder het eigen gewicht. Bij de K’NEX liggerbrug is dat bij de verbindingsstukken. Bij nauwkeurige observatie blijkt dat de brug breekt aan de onderkant als de verbindingsstukken open springen. Dit laat zien dat de ligger aan de onderkant onder trekspanning staat.
BRUGGEN 2. Laat dan op de druk uitoefenen op de plaat in het midden en kijken wat er gebeurt met de staven en pijlers. 3. Belast het midden van de brug met steeds meer gewichten en laat het gewicht waarbij de brug gaat buigen in een tabel als hieronder, noteren en met een aparte kleur het gewicht aangeven waarbij de brug begint te buigen. Ga door met belasten totdat de brug instort. 4. Houd een liniaal naast de brug en meet de afstand tussen het wegdek en de tafel als de brug belast wordt. 5.
Ligger BRUGGEN Het idee toepassen Bespreek de resultaten van het uitgevoerde onderzoek over de twee bruggen met de klas. Laat de leerlingen met behulp van hun aantekeningen in hun schriften antwoord geven op de volgende vragen: Waar zit het zwakste punt van de brug? In het midden en bij de verbindingsstukken Welke brug was het sterkst? De korte brug Wat was het effect van een wegdek bij de brug? De brug werd sterker omdat er een extra laag werd aangebracht om de krachten over te verdelen.
BRUGGEN Het Idee uitbreiden 1. Laat de leerlingen nadenken over het volgende: “Als jij een brug voor over een rivier zou ontwerpen, dan zou je liefst zo min mogelijk pijlers gebruiken”. Geef argumenten waarom en schrijf die in je schrift op. 2. Laat de leerlingen foto’s en tekeningen van bruggen, ook uit de omgeving, verzamelen en deze vergelijken. Let daarbij op de gebruikte materialen( hout/metaal/beton), hun vorm (kort/lang, breed/smal), afstand (ver/dichtbij), waar verankerd (land/water).
Truss BRUGGEN De Balkbrug (met vakwerk-constructie) Experimenteren met de sterkte van een balkbrug DOELEN De leerlingen: 1. Herkennen zwakke punten in constructies en onderzoeken manieren om deze te verbeteren en versterken. 2. Begrijpen de behoefte aan een experimenteer-model waarmee verantwoord onderzoek mee gedaan kan worden. 3. Bedenken een experiment en voeren dit uit. 4. Evalueren de sterkte van een balkbrug aan de hand van testen. 5.
BRUGGEN Vraag de klas welk type constructie sterk en stijf is en in welke vorm deze voorkomen. Wijs de leerlingen er zo nodig op dat rechthoeken versterkt worden met diagonale balken waardoor driehoeken ontstaan. De leerlingen kunnen dit zelf onderzoeken als dit nog niet eerder behandeld is. Optionele Bouw Activiteit Laat de leerlingen een vierkant maken van 8 K’NEX onderdelen. (Bijvoorbeeld van 4 blauwe staven en 4 donkergrijze 90˚ hoekstukken). Laat ze voorzichtig het vierkant buigen en draaien.
Truss BRUGGEN Dit is een goed moment om het begrip stevigheid/stabiliteit bij bruggen te bespreken. Stabiliteit is het vermogen om doorzakken, buigen, vervormen of instorten te weerstaan als er gewicht of last wordt toegevoegd. (Verwijs ook naar de sleutelbegrippen voor aanvullende informatie over dit onderwerp) Leg de leerlingen uit dat ze een aantal verschillende vakwerkbruggen gaan bouwen en deze op sterkte gaan onderzoeken. Verdeel de klas in groepjes en verdeel de K’NEX-dozen met de instructieboekjes.
BRUGGEN Onderzoeksactiviteit 2: Hoe sterk is de brug als je een vakwerk constructie toevoegt? Stappen NOOT: Laat de leerlingen een veiligheidsbril dragen. 1. De leerlingen moeten hun brug weer op dezelfde manier testen. 2. Laat vervolgens na het noteren van alle resultaten de Howe Truss - en de Baltimore Truss brug bouwen van pag. 5 van het Instructieboek. 3. (i) Vraag de groep na het bouwen wat ze is opgevallen. Handig is om nog een model van de Warren brug achter de hand te hebben.
Truss BRUGGEN Het Idee Toepassen Bespreek het volgende met de klas: Hoe noem je de constructie met de driehoeken bij een balkbrug? Vakwerk Wat is er gebeurd met de hoogte van de ligger? Die werd hoger. Waarom gebruiken ingenieurs driehoeken in dit soort constructies? De driehoekige vorm is sterk en voorkomt dat de ligger doorzakt of van vorm verandert. Het verhoogt de stabiliteit van de constructie door het stijver te maken.
BRUGGEN Het idee uitbreiden 1. Vraag de leerlingen naar verschillen en overeenkomsten tussen de eenvoudige liggerbrug en de balkbrug met vakwerk-constructie. 2. Werken met tweetallen: Laat de leerlingen een ontwerp voor een eigen brug met vakwerk maken en bouwen. Of het bouwen door een andere groep laten doen. De leerlingen kunnen antwoorden dat het allebei balkbruggen zijn met dezelfde basisonderdelen, maar dat de bruggen met het vakwerk van driehoeken sterker en langer zijn.
Cantilever BRUGGEN De Cantilever Brug: Een balanceer nummer: de belangrijkste kenmerken van de Cantilever brug op een rijtje. D0ELSTELLINGEN De Leerlingen: 1. Demonstreren de werking van de cantilever brug 2. Onderzoeken en beschrijven de krachten bij een enkelvoudige pijler constructie 3. Herkennen en begrijpen het verband tussen de diverse onderdelen van een cantilever brug. 4. Herkennen en beschrijven de toepassing van het cantilever principe in andere constructies.
BRUGGEN Wat is een cantilever? Wijs de leerlingen erop dat de cantilever-brug eigenlijk een variatie is op de ligger- en balkbrug. Leg uit dat, in tegenstelling tot de ligger- en de balkbrug er niet twee pijlers nodig zijn maar slechts één. Dit type bruggen wordt doorgaans gemaakt van meerdere cantilevers achter elkaar en vaak wordt ook een extra stuk tussengevoegd, dat steunt op de cantilever. Geef een voorbeeld van twee grote duikplanken tegenover elkaar bij een rivier.
Cantilever BRUGGEN Bouw Activiteit 1: Geef elke groep een K’NEX-bouwset Bruggen. Laat alleen stap 1(het wegdek) van de cantilever-brug op pagina 6 bouwen. Elke leerling bouwt precies de helft van het wegdek . Onderzoek activiteit 1: Hoe breng je een cantilever in balans? Stappen 1. Laat de leerlingen hun stuk van de brug horizontaal aan het eind vasthouden. Hierbij voelen ze de uitgeoefende krachten. Wat merken ze op? 2. Leg een niet te zwaar gewicht op het einde van de brug.
BRUGGEN Bouw Activiteit 2: Laat de leerlingen de stappen 2-6 uit het Instructieboek maken en hun brugmodel onderzoeken. Onderzoek Activiteit 1: Wat zijn de karakteristieke onderdelen en functies van een cantilever-brug? Stappen 1. Laat de leerlingen verschillen en overeenkomsten met andere bruggen uitzoeken. Laat de waarnemingen in het werkschrift noteren. 2. Vraag de leerlingen waarom hun model brug aan de achterkant van de pijler uitsteekt. 3.
Cantilever BRUGGEN (b) Houd het K’NEX- model van de cantilever-brug omhoog en wijs op de overeenkomsten met de opstelling van de demonstratie. Leg uit dat de leerlingen de pijlers zijn en hun armen het bovengedeelte van de brug en dat de stokken fungeren als ondersteuning of raamwerk. De stapels boeken zijn de contra-gewichten of verankering om de cantilever in balans te houden. De derde leerling is de overspanning tussen de cantilevers.
BRUGGEN (b) Welke delen van de brug staan onder trekspanning? 7. 8. Laat de leerlingen hun brugmodel onderzoeken en het midden aangeven. Zijn de beide kanten van de brug elkaars spiegelbeeld? Hoe noem je dit? Vraag elke groep of een cantileverbrug een stabiele of een instabiele constructie is. Laat de antwoorden beargumenteren. De spanten boven het wegdek als het gewicht/last naar benden duwt.
Cantilever BRUGGEN Waarom zijn de beide kanten van de brug symmetrisch? Een symmetrisch ontwerp helpt om de krachten in balans te houden. Daarnaast is een symmetrische brug vaak mooier. Laat de leerlingen een schets van de brug maken, de onderdelen benoemen en aantekeningen maken over de functies. (voor oudere leerlingen) Laat de leerlingen de demonstratie van Baker beschrijven zoals deze in de klas werd uitgevoerd.
48
Bascule BRUGGEN De Bascule Brug: Een brug die beweegt. DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bouwen een model van een brug met een bewegend onderdeel en demonstreren de werking. 2. Herkennen de beperkingen van een bascule-brug. 3. Leggen de werking van een bascule-brug uit. 4. Begrijpen en gebruiken de bij een bascule-brug passende vaktermen. MATERIALEN Elk groepje van 2-3 leerlingen heeft nodig: - K’NEX Education bouwset: bruggen met instructieboek.
BRUGGEN Hoe los je dit probleem op? De antwoorden zullen verschillen. Schrijf de oplossingen op het bord. Bespreek daarna de praktische haalbaarheid van de suggesties. Bijvoorbeeld: hoge schepen kunnen wel onder een hoge brug door varen, maar een hoge brug is niet altijd praktisch, vooral niet over een smalle rivier in een vlak gebied. Bespreek de mogelijkheid van een beweegbare brug en vraag hoe je deze zou kunnen maken. Accepteer alle oplossingen. Bijvoorbeeld: de ligger gaat omhoog of draait.
Bascule BRUGGEN Onderzoek actoviteit 1: Hoe gaat een bascule brug open en dicht? Stappen 1. 2. Laat de leerlingen de verschillen beschrijven tussen deze en de andere bruggen die ze bestudeerd hebben. Wat zijn de overeenkomsten tussen deze en andere bestudeerde bruggen? Wijs zo nodig op de manier waarop elke helft van de brug wordt ondersteund. 3. Vraag enkele leerlingen de werking van het model van de bascule-brug te beschrijven.
BRUGGEN (a) Waar zitten de sterkste en de zwakste delen van de brug? De zwakste plekken zitten in het midden van de brugdelen en bij de pijlers. Een gewicht dat geplaatst is in het midden van het wegdek laat deze doorzakken en de pijlers naar buiten bewegen. De sterkste delen zitten aan de einden van het wegdek.
Bascule BRUGGEN 2. Laat de leerlingen twee zwarte platen van de ene helft van de brug halen en hiermee de andere helft van de brug verlengen. Doe dan nogmaals de test met het belasten van stap 5 en noteer de resultaten in het werkschrift. NOOT: Laat een leerling de basis vasthouden als de tests worden uitgevoerd. De leerlingen moet tot de conclusie komen dat er meer kracht nodig is om de brug omhoog te krijgen.
BRUGGEN 2. Ontwerp taak 2: Onderzoek naar de werking van een ophaalbrug van een kasteel. Ontwerp en bouw een ophaalbrug voor een kasteel. Gebruik daarbij de KNEX-set en andere geschikte materialen. De leerlingen moet van tevoren een ontwerp maken. Elk team moet de brug demonstreren voor de klas. Daarbij moeten ze aandacht besteden aan: De bespreking van problemen en hoe ze die overwonnen. Suggesties voor verdere verbeteringen.
Arch BRUGGEN De Boog Brug: Herkennen van de eigenschappen van de enkelvoudige boogbrug. DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Herkennen en leggen de functie van de onderdelen van een boogbrug uit. 2. Bouwen en experimenteren met modellen van boog-bruggen om de sterkte van verschillende ontwerpen te vergelijken. 3. Begrijpen en gebruiken vaktermen in relatie tot boog-bruggen. 4. Herkennen de overdracht van krachten in boog-brug systemen.
BRUGGEN Hoe sterk is een boog? Demonstreer met een groene K’NEX flexibele staaf hoe een boog gemaakt wordt voor het maken van stabiele constructies. Voor meer informatie zie: Sleutelbegrippen in dit boek of kijk bij www.encyclopedoe.nl onder bruggen/building big. Verdeel de klas in groepjes van 4 leerlingen. (even groot en zwaar werkt het best) en zeg dat ze zelf een boog worden. Zet ze rug aan rug en laat ze tegen elkaar aan leunen. De voeten steken een stuk uit aan de voorkant.
Arch BRUGGEN Leg uit dat het deze vorm is die de boog zichzelf overeind houdt. De wig-vorm zorgt ervoor dat elke steen zich klemt tussen de stenen ernaast en daardoor niet valt. Maak een tekening van de wig-vormige stenen op het bord. Vraag de leerlingen waarom rechthoekige stenen wel of niet gebruikt kunnen worden. Rechthoekige stenen glijden eerder van hun plaats, waardoor de brug instort.
BRUGGEN Bouw Tip: Bij stap 1 wordt aanbevolen om de leerlingen van links naar rechts te laten werken bij het met blauwe staven verbinden van de spanten aan de onder- en bovenkant. Dit werkt beter dan eerst de bogen van onder en bovenkant aan elkaar te zetten en dan pas met de blauwe staven te verbinden. Onderzoek Activiteit 1: Hoe stabiel is een zelfstandig staande boogbrug? Stappen 1.
Arch BRUGGEN Stappen 1. Laat de klas de onderdelen van de boog-brug benoemen. Maak een bordtekening en laat de diverse onderdelen aanwijzen en benoemen. De volgende termen moeten daarbij gebruikt worden: Sluitsteen, steunbeer, bruggenhoofd, wegdek, wig-vormen. Vertel de leerlingen dat de meeste moderne boogbruggen van staal en beton gemaakt worden en derhalve geen echte sluitsteen meer hebben. Maar iedere brug heeft een punt in de boog waar vanuit de krachten zich straalsgewijs verdelen.
BRUGGEN Het Idee Toepassen Laat de leerlingen in hun werkschrift een duidelijke, gelabelde tekening maken van een boog-brug. De onderdelen en hun functie moeten daarbij beschreven worden. Bespreek klassikaal de resultaten van het onderzoek naar de drie verschillende bruggen. Help de leerlingen bij de uitleg van de verschillen die ze gevonden hebben. Het Idee Uitbreiden 1. Laat de leerlingen voorbeelden van echte boogbruggen opzoeken op internet.
Hangbrug BRUGGEN De Balk- of liggerbrug met steunkabels/Hangbrug Een onderzoek naar de kenmerken. DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bouwen een brugmodel. 2. Herkennen en beschrijven de onderdelen van een balkbrug met steunkabels. 3. Demonstreren en leggen het optreden van krachten bij dit type brug uit.
BRUGGEN Vraag de leerlingen wat er gebeurde toen ze het wegdek vastgemaakt hadden. De brug zakte op de grond. Vraag ze wat er moest gebeuren om de brug weer omhoog te krijgen. De einden van het touw ergens aan vast maken Zodra hun brug gezekerd is door het vastmaken van de kabeluiteinden wijst u op de foto van de echte brug, die u liet zien bij de introductie van de onderdelen van de hangbrug. De leerlingen kunnen de onderdelen beschrijven en u kunt zonodig de vaktermen verbeteren.
Hangbrug BRUGGEN Vraag waar de verankering voor de kabels moet zitten. Bij het landhoofd. Laat twee leerlingen, die de rol van landhoofd spelen, aan weerszijden van de rivier zitten. Geef ze de uiteinden van het touw. Leg uit dat emmer verzwaard wordt en dat zij de emmer op zijn plaats moeten houden. Laat de nummer 5 meer gewicht in de emmer stoppen en laat de anderen hun ervaringen beschrijven.
BRUGGEN Laat naar de foto van de Golden Gate bridge op pagina 12 van het instructieboekje kijken en ook naar andere afbeeldingen van dit soort bruggen of deze op internet zoeken. Benoem de belangrijkste onderdelen van de brug Onderzoek waar dit soort bruggen staan. Onderzoek het gebruik van deze bruggen en vergelijk de lengte met andere eerder onderzochte brugtypen. Voor meer informatie zie www.encyclopedoe.nl met trefwoord: bruggen of andere sites met gratis afbeeldingen.
Hangbrug BRUGGEN Wat zijn de zwakste onderdelen van de brug? Hoe verklaar je de waarnemingen? Is deze constructie stabiel of instabiel? 3. De leerlingen zullen waarschijnlijk zeggen dat de hele constructie zwak is. Het wegdek zakt door in het midden en slingert over de volle lengte heen en weer: de torens bewegen en buigen naar het midden. Onvoldoende steun in de constructie De meeste leerlingen zullen antwoorden dat de constructie instabiel is.
BRUGGEN 3. Laat de leerlingen deze verschillen in gedachte houden en dan de brug op precies dezelfde manier weer testen. De vragen moeten beantwoord worden en hun observaties met betrekking tot de last genoteerd in een tabel. (a) Is het vermogen van de brug om lasten te dragen toegenomen, hetzelfde gebleven of verminderd? Het dragend vermogen is toegenomen. (b) Kun je dit verklaren? Er zijn steun- of hangkabels verbonden met de hoofdkabel toegevoegd.
Hangbrug BRUGGEN 7. Bespreek de resultaten door te vragen: (a) Wat is de functie van de torens? (b) Wat is de functie van de kabels die over de torens liggen? (c) Waarom moeten deze kabels aan de einden verankerd worden? (d) Wat is de functie van de verticale kabels? De torens dragen het totale gewicht van de brug. De hoofdkabels dragen het gewicht van het wegdek. Dit gewicht geeft spanning in de hoofdkabels.
BRUGGEN Het idee toepassen Bespreek de bevindingen van de leerlingen over de brug. Laat de leerlingen een lijst maken van de functies van de onderdelen. Laat ook schrijven over de verschillen tussen een echte brug en hun model. Laat de leerlingen uitleggen hoe het aanbrengen van kabels effect heeft op sterkte en stabiliteit. Laat de leerlingen een tekening van de krachten in de brug maken met verschillende kleuren en de juiste vaktermen. Het idee uitbreiden 1.
BRUGGEN Hangbrug 3. Knoop het ene eind aan een boom en schiet het andere eind aan een pijl uit een boog naar de overkant. 4. Klim langs de oever naar beneden, zwem naar de overkant en maak het touw vast aan een boom. 5. Ga hangend aan het touw terug en knoop meer touwen aan de brug vast. 6. Knoop de touwen aan elkaar en knoop er hout tussen zodat je er gemakkelijk over kunt lopen. Maak ook houvast voor de armen. 3.
70
BRUGGEN Cable-Stayed De Tui-brug: Herkenning van de onderdelen van de tui-brug. DOELSTELLINGEN De leerlingen: 1. Bouwen en onderzoeken een model van een tui-brug. 2. Vergelijken en bestuderen de verschillen tussen een hangbrug en een tuibrug. 3. Gebruiken en begrijpen de bij tui-bruggen gebruikte vaktermen. MATERIALEN Elk groepje van 2-3 leerlingen heeft nodig: - K’NEX set: bruggen - scharen - gewichtenset 10 -1000 gram o.i.d.
BRUGGEN Leg de leerlingen uit dat er nog een verschil zit in de manier waarop ze gebouwd worden. Het wegdek van een balkbrug met steunkabels wordt pas gebouwd als de kabels er hangen. Bij een tui-brug, omdat daar ook een cantilever-element in zit, kan het wegdek vanuit de torens gebouwd worden. De kabels worden vastgemaakt zodra er weer een stuk af is.
Cable-Stayed BRUGGEN 4. (a) Waar zitten de kabels aan vast? Aan de toren en wegdek. (b) Wat is het verschil met de balkbrug met steunkabels/ hangbrug? De kabels van de balkbrug met steunkabels moeten in de oever verankerd worden. Bij de tui-brug is dat niet nodig. 5. Onderzoek de vorm van de kabels in je model en bij de foto’s van de echte bruggen. Welke vormen herken je hierin? Wat weet je van deze vormen? De leerlingen moet zien dat deze driehoekige vormen hebben.
BRUGGEN Krachten die optreden bij een tui-brug. 8. Refereer aan eerder onderzoek naar de sterkte en stabiliteit van brugconstructies en bespreek de mogelijke problemen die ontwerpers hebben moeten overwinnen bij de bouw van tui-bruggen. Wat zou er bijvoorbeeld gebeuren als het wegdek verlengd werd? De constructie zou instabiel worden of instorten als de krachten niet in evenwicht waren. Het Idee Uitbreiden.
Cable-Stayed BRUGGEN Het Idee Uitbreiden 1. Laat de leerlingen de tui-brug met dubbele toren van pagina 15 van het Instructieboekje bouwen. Daarna moeten ze een vrij recent gebouwd exemplaar van een echte brug onderzoeken en een verslag maken en een antwoord op de vraag waarom de brug daar gebouwd is. Zouden de leerlingen hier zelf een hangbrug gebouwd hebben of gekozen voor een andere vorm? Laat de antwoorden toelichten.
76
BRUGGEN Een Brug Ontwerpen: Tijd en kosten factoren. DOELSTELLINGEN De Leerlingen: 1. De leerlingen ontwerpen en bouwen een brug om een serie criteria te ontwikkelen. 2. Berekenen de kostprijs van de materialen. 3. Concurreren met andere teams om de goedkoopste brug te maken binnen de afgesproken termijn.
BRUGGEN De materialen zijn tegen de volgende prijzen verkrijgbaar bij materialen groothandel “Leerkracht” A4 papier 5 euro per vel Plakband/tape 1 euro per 10 cm. Paperclips 0,50 euro per stuk Rietjes 1 euro per stuk Pijpenragers 2 euro per stuk Touw 1 euro per 10 cm. De beste planners hebben aan het eind geen materiaal over. Overgebleven materialen kunnen geretourneerd worden naar de “Leerkracht”winkel tegen de helft van de aankoopprijs.
BRUGGEN Het Idee Toepassen Om de competitie compleet te maken vraagt u de leerlingen om: De problemen en oplossingen die ze tegenkwamen te bespreken met elkaar. Te beschrijven hoe ze hun ontwerp verbeterd hadden – wat waren de zwakke punten en hoe werden deze verbeterd? Uitleggen hoe ze hun brug kunnen versterken en tegelijkertijd minder materiaal gebruiken.
