Dołącz do czytelników
Brak wyników

Mamo, tato - jestem inżynierem!

Artykuły | 1 lipca 2018 | NR 17
209

Wkrótce Dzień Mamy, a potem Dzień Taty. Będą życzenia, kwiaty i prezenty – ale niekoniecznie ze sklepowych półek. Tym razem prezentem będą nowe odkrycia naukowe, dedykowane rodzicom. Oczywiście wszystkie inne prezenty z pewnością sprawią mamie i tacie radość w dniu ich święta, ale najbardziej ucieszą te od serca, wykonane przez „małego inżyniera” (czasem przy niewielkiej pomocy innych osób). Niech więc to będą prezenty jedyne w swoim rodzaju, które oryginalnością, pomysłowością i wykonaniem zaskoczą nie tylko mamę i tatę. Niech utwierdzają rodziców w przekonaniu, że ich najdroższy skarb tak dużo wie, rozumie i potrafi, że ma pasje. Niech będą dowodem na to, że dziecko pamięta o mamie i tacie zawsze – nawet podczas bardzo poważnych badań i odkryć naukowych... 

Głównym celem opisanych niżej eksperymentów były kolejne odkrycia z zakresu nauk ścisłych, połączone z wykorzystaniem ich w życiu. Po przeprowadzeniu eksperymentów w szkolnym Kąciku Odkrywcy każde dziecko samo zadecydowało o tym, które odkrycia i dlaczego sprawią największą radość jego mamie i tacie. Następnie zostało już tylko powtórzenie wybranych eksperymentów w domu – i oryginalne prezenty na Dzień Mamy i Dzień Taty gotowe. 

Fontanna Herona

Pierwowzór fontanny, którą dzisiaj nazywamy fontanną Herona, został zbudowany przez aleksandryjskiego konstruktora Herona ponad 2000 lat temu. Dzisiaj tego typu proste urządzenia stanowią efektowne ozdoby parków i skwerów. Zapewniają też ochłodę w upalne, letnie dni. Jak działa fontanna Herona?

Do wykonania eksperymentu należy przygotować:

  • 3 kawałki plastikowego węża (każdy o długości ok. 1 m i średnicy ok. 1 cm),
  • 2 butelki z nakrętkami,
  • dużą miskę,
  • 2 różnej wysokości podstawki do ustawienia naczyń z wodą,
  • plastelinę,
  • gruby gwóźdź,
  • wodę (można zabarwić, ale nie jest to konieczne).

 

Wykonanie eksperymentu:

  • za pomocą gwoździa wykonać otwory w nakrętkach butelek (na tyle duże, żeby do każdej z nich można było włożyć gumowy wąż),
  • nalać wody do miski i obu butelek (jedną napełnić wodą do ok. ¾ wysokości, a do drugiej wlać tylko trochę wody, do wysokości kilku centymetrów),
  • ustawić naczynia z wodą na trzech różnych wysokościach, połączyć wszystkie elementy wchodzące w skład fontanny,
  • plasteliną uszczelnić miejsca przechodzenia węży przez nakrętki,
  • uruchomić fontannę, na krótko przykładając usta do węża wystającego z miski i zasysając z niego trochę powietrza.

Co się będzie działo? Pomimo braku jakiejkolwiek pompy i odstawienia węża od ust woda sama będzie tryskała do góry.

Jak to wyjaśnić dzieciom? Najprościej jest zacząć wyjaśnienie od tego, że woda zachowuje się zgodnie z prawami fizyki. Z miski do butelki stojącej najniżej woda spływa wężem pod wpływem siły grawitacji. Ilość wody w tej butelce stopniowo zwiększa się i powoduje wypychanie znajdującego się w butelce powietrza. To powietrze „ucieka” więc drugim wężem do butelki stojącej wyżej. Tam naciska na wodę i powoduje jej wtłaczanie do trzeciego węża. Z trzeciego węża woda tryska do góry, tworząc fontannę. 

Ciekawe i smutne

Prawdziwej, wielkiej fontanny nie da się uruchomić za pomocą zasysania powietrza ustami. Nie da się też przez dłuższy czas cieszyć się tryskającym z takiej fontanny strumieniem. Ilość przelewanej wody jest tak duża, że trzeba używać do tego celu pomp, które w czasach Herona niestety nie były znane. W starożytności zamiast pomp do przenoszenia i przelewania wody w fontannach wykorzystywano niewolników. Tak więc piękne fontanny miewały w historii również smutne oblicza. 

Nurek Kartezjusza pomaga zrozumieć działanie fontanny Herona

Wykonanie prostego eksperymentu z „nurkiem” w roli głównej pozwoli dzieciom jeszcze dokładniej zrozumieć mechanizm działania fontanny Herona. Mali odkrywcy już wiedzą, że wykonana fontanna działa na zasadzie wzajemnego wypychania się wody i powietrza. Nie wiedzą jeszcze, co jest bardziej podatne na zmiany ciśnienia – powietrze czy woda? I to właśnie będzie przedmiotem kolejnego odkrycia.

Do eksperymentu będą potrzebne:

  • słój napełniony wodą,
  • plastikowa butelka wypełniona wodą do ok. ¾ wysokości,
  • spinacz biurowy,
  • plastelina,
  • plastikowa, łatwo wyginająca się słomka,
  • strzykawka.

 

Ze spinacza, kawałka słomki i plasteliny uformować „nurka” (jak na fotografii). Ostrożnie włożyć go do słoja z wodą w celu sprawdzenia, czy nie opada na dno (powinien unosić się w wodzie). Jeśli opada na dno, zmniejszyć ilość użytej plasteliny. 

Włożyć „nurka” do butelki z wodą i zakręcić nakrętkę. Naciskać na butelkę z różną siłą i obserwować, co się dzieje z „nurkiem”. 

Co się okaże? Gdy naciskamy na ścianki butelki, „nurek” wędruje w kierunku dna. Gdy przestajemy naciskać, „nurek” wypływa w kierunku powierzchni wody.

Dlaczego tak się dzieje? Gdy ściskamy butelkę, powietrze znajdujące się w słomce zmniejsza swoją objętość. Tym samym „nurek” staje się cięższy i opada na dno. Gdy zaś przestajemy naciskać na butelkę, powietrze w słomce rozpręża się i czyni „nurka” lżejszym. Dlatego unosi się on w wodzie. 

Wniosek: Łatwiej jest ścisnąć gaz niż ciecz. 

Aby ostatecznie uczniów do tego przekonać, należy przeprowadzić eksperyment ze strzykawką. Najpierw nabrać do strzykawki powietrza, zatknąć wylot palcem i naciskać tłoczek w celu „ściśnięcia” powietrza. Potem to samo powtórzyć z wodą. Okaże się, że przesunięcie tłoka w zatkanej strzykawce z wodą jest bardzo trudne, ponieważ ciecze są mało ściśliwe. Zaś stłoczenie powietrza w tej samej strzykawce nie stwarza problemu – gazy można z łatwością sprężać. 

Tak więc działanie fontanny opiera się głównie na sprężaniu powietrza.

Silnik z puszki

Tylko dorośli potrafią zbudować bardzo skomplikowany silnik. Ale skonstruowanie silnika, gdy mamy do dyspozycji tylko puszkę po napoju i 4 inne, równie proste elementy – to znacznie trudniejsze zadanie, godne umiejętności małych inżynierów. Jak wygląda i jak działa taki silnik? Oto opis eksperymentu:

Należy przygotować:

  • dużą miskę, 
  • wodę (prawie całą miskę),
  • puszkę po coli lub innym napoju,
  • gwóźdź,
  • grubą, mocną nić.

 

Tuż nad dnem puszki zrobić gwoździem 4 proporcjonalnie rozmieszczone otwory. Gwóźdź należy kolejno wbijać w ścianę puszki kierując go lekko w bok, na przykład zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Chodzi o to, żeby wszystkie otwory były skierowane w jedną stronę. Potem przywiązać nitkę do zawleczki służącej do otwierania puszki i zanurzyć puszkę w misce z wodą. Gdy puszka napełni się wodą, wyjąć ją trzymając za nitkę i obserwować, co się będzie działo.

Co się okaże? Woda z puszki będzie wypływać otworami w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Puszka samoistnie zacznie się obracać.

Co to ma wspólnego z silnikiem? Otóż woda w puszce ma pewną energię, zwaną energią potencjalną (taka energia jest również w prawdziwych silnikach). W przeprowadzonym eksperymencie energia ta jest związana z ciśnieniem wody, wywołanym siłą ciężkości. Pod wpływem wyciekającej wody energia potencjalna jest zamieniana na energię kinetyczną związaną z ruchem obrotowym. Woda wypływająca z otworów puszki nie tylko nie zakłóca przepływu tej energii, ale jeszcze go wzmaga – dzięki otworom w puszce, skierowanym w tę samą stronę. Niestety wypłynięcie wody z puszki spowoduje zakończenie pracy „silnika”. Ruch puszki stopniowo wyhamowuje się, a po chwili następuje zatrzymanie puszki.

Eksperyment jest bardzo efektowny, choć na tym etapie edukacji trudny do zrozumienia. Nie należy więc wymagać od uczniów stosowania czysto fizycznej terminologii. Wystarczy, że dziecko zobaczy, zainteresuje się i samodzielnie wykona taki „silniczek”.


 

...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 10 wydań magazynu "Życie Szkoły"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • Możliwość pobrania materiałów dodatkowych
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy