VIII Festiwal Szkolnych Kół Fizycznych

Tajemnice świata elaktryczności.

Urządzenia, które pracują dzięki prądowi elektrycznemu są nieodłącznym elementem współczesnego świata. Na ogół tego nie zauważamy, ale ile problemów dostarcza nam w codziennym życiu  zwykła awaria w przesyle prądu, niedziałające czajniki elektryczne, piecyki kuchenne, odkurzacze.  Brak zasilania potrafi zatrzymać na wiele godzin pociąg, czy miejski tramwaj. Bez zasilania nie uruchomimy samochodu, radia i telewizji. Rozładowany telefon komórkowy uniemożliwi nam połączenie się i przekazanie ważnych informacji. Jednak zrozumienie praw i zjawisk dotyczących wytwarzania i przesyłu prądu pozwoli nam na rozwiązanie niektórych problemów związanych z brakiem zasilania.

W Świat Elektryczności uczestników Uniwersytetu Młodego Odkrywcy wprowadził dr Piotr Skurski. Opowiedział on o kluczowych momentach i doświadczeniach jakie przeprowadzili  ludzie żeby zrozumieć i odkryć istotę elektryczności.

Pokazane doświadczenia i przeciwności jakie musieli pokonać ówcześni badacze, umożliwiły uściślić zadanie badawcze  postawione przed Młodymi Odkrywcami. Wiedząc, że ładunki elektryczne mogą się swobodnie przemieszczać zaczęliśmy się zastanawiać od czego może zależeć przepływ prądu elektrycznego. Na potrzeby badań prowadzonych przez studentów UMO opracowaliśmy i przygotowaliśmy 30 zestawów umożliwiających odkrycie prawa Ohma oraz zależności oporu przewodnika od długości, przekroju poprzecznego i rodzaju materiału  z którego jest wykonany.

Odkrycie proporcjonalności płynącego prądu do napięcia panującego na końcach przewodnika pozwoliło na sformułowanie prawa Ohma. Ponadto uczestnicy doświadczalnie sprawdzili zależność oporu od rozmiaru przewodnika. Przeprowadzone przez nich pomiary uściśliły materiały z których najlepiej budować linie przesyłowe dla prądu. 

W celu sprawdzenia czy możliwy jest przesył prądu na znaczne odległości, specjalnie dla uczestników skonstruowaliśmy przenośną elektrownie z linią przesyłową. Na końcu linii został podłączony mały reflektor oświetlający roll up Uniwersytetu Młodego Odkrywcy, symulujący odbiorcę prądu. Doświadczenie przeprowadzone na Auli z udziałem uczestników miało charakter rywalizacji podobnie jak historyczny spór pomiędzy Edisonem a Teslą, dotyczący przesyłu prądu.

Koncepcja Edisona była oparta na przesyłaniu prądu stałego. W tym celu budował gęstą sieć elektrowni, które zasilały krótkie linie energetyczne i dostarczały prąd tylko do tych odbiorców będących w bezpośrednim sąsiedztwie z elektrownią (R~L). Natomiast Tesla do zasilania linii energetycznych wykorzystał prąd zmienny. To rozwiązanie pozwoliło na zmniejszenie strat energii elektrycznej związanych z przesyłem.   

Mimo prób i ogromnego  wysiłku, jaki włożyli uczestnicy w wytworzenie i przesłanie prądu stałego nie powiodło się dostarczenie go do odbiorcy. Największa odległość na jaką udało się przesłać prąd wynosiła około 3 m. Jednak Młodzi Odkrywcy szybko zorientowali się, że w gniazdkach elektrycznych, które są w każdym domu płynie prąd zmienny o wartości 220~240 V. Nasza elektrownia w szczytowych momentach wytwarzała prąd stały lub zmienny o napięciu 28 V, a zatem zdecydowaliśmy się podnieść  wartość napięcia do około 100 V. Do tego celu wykorzystaliśmy szkolne transformatory. Pierwszy zmieniał napięcie prądu zmiennego z 28 V na 110 V. Natomiast drugi transformator obniżał napięcie do wartości 12 V (jako odbiorcę wykorzystano żarówkę 12 V). Gdy na Auli zgasły wszystkie światła jedna z uczestniczek o wdzięcznym imieniu Jagna oświetliła nasz plakat.  

Przeprowadzone doświadczenie pokazało wyższość rozwiązań Tesli nad koncepcją Edisona dotyczącej wytwarzania i przesyłania prądu. 

I tą piękną rywalizacją zakończyliśmy zajęcia, poświęcone historii i badaniom tajemniczego fluidu na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego. Przed Młodymi Odkrywcami jeszcze wizyta w EC1,  gdzie będą mieli okazję zobaczyć wykorzystanie poznanych praw na skalę przemysłową. 

Terenowe zajęcia badawcze nr 2 - wizyta w Muzeum Kolei Wąskotorowej w Rogowie

Wizyta w Muzeum Kolei Wąskotorowej w Rogowie 24.04.2017 r. była praktyczną częścią zajęć dotyczących zjawisk i procesów termodynamicznych zachodzących w przyrodzie, z którymi Młodzi Odkrywcy zapoznali się  na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej.

Spotkanie w Rogowie rozpoczął pan Edward Kłoda kierownik muzeum. Opowiedział uczestnikom o miejscu w którym się znajdują, i jego historii sięgającej  aż 1915 roku. Pierwotnie kolej miała charakter militarny. Podczas I wojny światowej zaopatrywała Wojsko Polskie w materiały niezbędne do prowadzenia działań wojennych.  Następnie infrastruktura kolei została wcielona w nowo powstałe struktury Polskich Kolei Państwowych aż do 2001 roku, gdy zapadła decyzja o jej likwidacji.
Kolej przed złomowaniem uratowali pasjonaci z Fundacji Polskich Kolei Wąskotorowych, którzy od samego początku postawili sobie za cel stworzenia pierwszej w Polsce kolei muzealnej prowadzonej przez hobbystów.  Dziś po wielu latach społecznej pracy mogą się pochwalić jedną z największych kolekcji w Europie, zabytkowego taboru wąskotorowego zgromadzonego przez ludzi pasjonujących się koleją. Działania jakie podejmują to nie tylko kolekcjonowanie taboru kolei ale również działalność społeczna polegająca na zrzeszaniu młodzieży, która może czerpać ogromną satysfakcję z pracy przy renowacji taboru albo utrzymaniu przewozu pasażerskiego.

Po wprowadzeniu przez pana Edwarda Kłodę w świat pasjonatów kolei, uczestnicy pod kierunkiem pracowników UŁ przystąpili do realizacji zadań badawczych związanych z miejscem w którym się znaleźli.

Pierwsze z zadań dotyczyło opisu oddziaływań jakim podlega lokomotywa jadąca ruchem jednostajnym prostoliniowym. Do tego zadania została wykorzystana lokomotywa Lyd-1, która poruszała się ruchem jednostajnym na specjalnie wyznaczonym torze. Uczestnicy podzielili się na grupy i wspólnie obserwowali i analizowali ruch lokomotywy. Wskazywali występujące oddziaływania nanosząc je na materiały, które wcześniej otrzymali.  W czasie trwania zadania,  grupy odwiedzał dr Piotr Skurski, zwracając uwagę uczniów na istotne elementy.

Kolejne zaprojektowane zadania miały charakter typowo doświadczalny, polegały na wyznaczeniu siły przyspieszającej i hamującej lokomotywę Lyd-1. Do tych zadań tor po którym poruszała się lokomotywa został podzielony na pięć części każda o długości 20 m. Na podstawie wyników pomiarów parametrów ruchu lokomotywy uczestnicy wyznaczyli wartość przyspieszenia, z jakim  się poruszała. Pozyskując informacje od p. Edwarda, dotyczącą masy składu wyznaczyli wartości sił.

Wśród zadań które zostały zaprojektowane przez pracowników UŁ dla uczestników znalazły się również zadania, które dotyczyły autentycznej budowy układu napędowego i hamulcowego w parowozach. Mając do dyspozycji przyrządy pomiarowe w postać miar, uczestnicy zbierali potrzebne dane do rozwiązania zadań.

Po rozwiązaniu zadań, na tor który wcześniej służył za badawczy pasjonaci kolei podstawili dla uczestników Uniwersytetu Młodego Odkrywcy skład. Po zajęciu miejsc, w świeżo odrestaurowanych zabytkowych wagonach udaliśmy się w podróż do Jeżowa na opowieści o kolei przy wspólnym ognisku.

Na stacji w Jeżowie pan Edward Kłoda opowiedział o procedurach dotyczących bezpieczeństwa na kolei. Na jednym z wagonów które nas przywiozły omawiał układ hamulcowy,  jego budowę i zasadę działania. W drodze powrotnej do Rogowa, hamulce o których było wiele powiedziane w trakcie zajęć zablokowały się. Cały skład którym wracaliśmy utknął w polu, ale na nasze szczęście tą kolejkę budowali ludzie z pasją, i wiedzą o niej wszystko. Awarię sprawnie usunęli i bez opóźnienia wróciliśmy na stację w Rogowie. 

Stoi i sapie, dyszy i dmucha - tajniki termodynamiki

W dniu 10.04.2017 roku odbył się kolejny zjazd Studentów Uniwersytetu Młodego Odkrywcy na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej. Tematyka spotkania dotyczyła działu fizyki nazywanego termodynamiką fenomenologiczną. 

Pierwsza część spotkania została poświęcona wykładowi pt. "Stoi na stacji lokomotywa.....", który wygłosił prof. dr hab. T. Wibig, przybliżył uczestnikom  zjawiska i procesy zachodzące w wyodrębnionej części otaczającego  nas świata. Dodatkowo wskazał, na parametry fizyczne takie jak ciśnienie, temperatura czy objętość, które należy wykorzystać do opisu poznanych procesów.

Wśród licznych przemian omawianych na wykładzie nie zapomniano o ważnym aspekcie, bez którego niewyobrażalne jest podróżowanie ludzi we współczesnym świecie. Odkrywane przez naukowców i konstruktorów zależności między ciepłem a pracą pozwoliły na konstruowanie silników atmosferycznych, cieplnych i spalinowych. Silniki  zmieniały się w zależności od potrzeb i sposobu wykorzystania ich w przemyśle i transporcie.
Na kolejnej części spotkania uczestnicy wspólnie z dr Piotrem Skurskim projektowali niezbędne elementy każdego pojazdu jakimi są hamulce i silnik. Prezentowane i omawiane zestawy, nie tylko pokazywały zasadę działania np. układu hamulcowego montowanego w  pojeździe, ale również zostały specjalnie zaprojektowane z myślą o prowadzeniu w warunkach szkolnych  badań ilościowych. Przedstawiony zestaw pozwala na badanie prawa Pascala i poznanie zasady działania prasy hydraulicznej.  

Zagadnienie dotyczące zasady działania silnika cieplnego zostało podzielone na kilka doświadczeń, które pozwoliły na poznanie uczestnikom procesów jakie muszą zajść aby układ wykonał pracę. Ponadto zaprojektowali odpowiedni mechanizm pozwalający na zamianę posuwistego ruchu tłoka na ruch obrotowy. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom technicznym zaproponowanym przez uczestników, projektowanie silnika cieplnego zostało zakończone sukcesem.

Takie prowadzenie zajęć wymagało odpowiedniego przygotowania prezentacji jak i doświadczeń ułatwiających Młodym Odkrywcom dokonania prawidłowego wyboru w trakcie pokazu. Przedstawiony sposób prowadzenia zajęć wymagał również opracowania odpowiedniego mechanizmu, który w krótkim czasie dostarczałby informacji zwrotnej od uczestników do prowadzącego zajęcia. System kolorowych kart, zaproponowany przez dr P. Skurskiego, które podnosili uczestnicy pozwalał się szybko orientować prowadzącemu czy podejmowane działania oraz omawiane zagadnienia są w pełni zrozumiałe uczestnikom.

Zajęcia zakończył pokaz modelu maszyny parowej, która nie tylko nawiązywała do tematyki spotkania ale jest  również częścią przyszłych zajęć realizowanych w ramach projektu w Muzeum Kolei Wąskotorowej w Rogowie.

Terenowe zajęcia badawcze nr 1 - wizyta w Aeroklubie Łódzkim im. kpt. pil. Franciszka Żwirki

Wizyta w Aeroklubie Łódzkim to kolejna faza zajęć związanych z lotnictwem i kolejna próba odpowiedzenia na pytanie "czemu to lata ?", to również możliwość sprawdzenia przez Młodych Odkrywców poznanej wiedzy i zdobytych umiejętności  podczas zajęć zorganizowanych na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ.Terenowe zajęcia badawcze podzielone zostały na dopełniające się nawzajem części, w skład których wchodzą warsztaty zorganizowane w modelarni i hangarze. 

Zadania do wykonania w  modelarni pokazały jak ważne jest dla przyszłego pilota  budowanie modeli redukcyjnych i ich oblatywanie. Dzięki doświadczeniu zdobytemu podczas tych prób, poznaje i rozumie on, prawa i zjawiska fizyczne pozwalające na  lot obiektu o gęstości większej od gęstości powietrza. Tego rodzaju przygotowanie zmniejsza prawdopodobieństwo doprowadzenia do sytuacji zagrażających zdrowiu i życiu młodego pilota podczas samodzielnego lotu i jednocześnie pozwala wypracować mechanizmy ułatwiające radzenie sobie w trudnych sytuacjach.

Kolejnym punktem cyklu zajęć o lataniu była wizyta w hangarze, w którym stały, samoloty gotowe do startu. Odwołując się bezpośrednio do realnych konstrukcji lotniczych Młodzi Pasjonaci lotnictwa omawiali charakterystyczne i niezbędne  części pozwalające na oderwanie się od ziemi, oraz analizowali  sposób działania elementów przy pomocy których pilot steruje samolotem.

Jednym z zadań do rozwiązania  przez studentów Uniwersytetu Młodego Odkrywcy jest opracowania, zbudowanie i zaprezentowanie na Festiwalu Szkolnych Kół Fizycznych przyrządów pozwalających pilotowi określić prędkość oraz wysokość w trakcie lotu.

Tak "polecieliśmy" w poniedziałek ....

Wystartowaliśmy wykładem pt. "Od Ikara do promu kosmicznego", który wygłosił dr Paweł Barczyński. Wprowadził on studentów Uniwersytetu Młodego Odkrywcy w świat marzeń o lataniu, sięgający niepamiętnych czasów. Prócz przedstawionej historii lotnictwa zaprezentował  również konstrukcje maszyn latających tych historycznych  i współczesnych. 

Kolejna część spotkania to doświadczenia sprawdzające hipotezy postawione przez Młodych Odkrywców dotyczące "czemu to lata". Eksperymenty przeprowadzili  w specjalnie skonstruowanych   tunelach aerodynamicznych.  

Z lewej mgr Michał Karbowiak i dr Piotr Skurski wśród 30 tuneli aerodynamicznych skonstruowanych dla Młodych Odkrywców. 

Zapraszamy do obejrzenia filmiku  z "pierwszego lotu" Młodych Odkrywców.

Od Ikara do promu kosmicznego - o odkrywaniu sztuki latania.

Już 6 marca 2017 r. o godz. 12.30 Studenci Uniwersytetu Młodego Odkrywcy spotykają się kolejny raz na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ. Tematyka tego spotkania jest, można by rzec, "odlotowa". Wykład przybliży odrobinę historię odkryć i postępu lotnictwa a zajęcia doświadczalne pozwolą eksperymentalnie sprawdzić "czemu to lata".

Studenci UMO przygotowują się w ten sposób od wizyty w Aeroklubie Łódzkim już za dwa tygodnie, 20. marca.

Foto: A.Glass "Polskie konstrukcje lotnicze 1893-1939"  WKiŁ 1976,  LOTNIA II (z usterzeniem poziomym)