Paljasta näkymätön voima! Voima-anturilla kohti toiminnan ja vastavoiman peilimaailmaa

Tiedevalmentaja Ken Kuwako tässä. Elämä on yksi suuri koe.

Oletko koskaan fysiikan tunnilla – joko opiskelijana tai opettajana – toivonut, että voimat olisivat näkyviä? Fysiikan maailmassa voima on kaiken perusta, mutta koska se on silmille näkymätön, sen hahmottaminen pelkän mielikuvituksen varassa voi olla todella haastavaa. Erityisesti yläkoululaisille mekaniikka muodostuu usein ensimmäiseksi suureksi kynnykseksi juuri tämän vuoksi.

Digitaalinen sensoriteknologia on onneksi täällä tuomassa tämän näkymättömän maailman elävästi silmiemme eteen. Monet saattavat karsastaa mittalaitteita niiden hinnan tai monimutkaisen säädön pelossa, mutta jo yksi ainoa opettajan tekemä havaintoesitys voi muuttaa oppitunnin vaikuttavuuden täysin. Tänään esittelen, miten käytän suosikkejani – Narikan EasySense-keskusyksikköä ja voima-anturia – visualisoimaan fysiikan keskeistä periaatetta: voiman ja vastavoiman lakia.

Näkymätön voima näkyväksi! Voima-anturin taikaa

Fysiikan ymmärtämisen kannalta on ratkaisevaa, pystyykö hahmottamaan voiman vektorina, jolla on sekä suunta että suuruus. Tässä voima-anturi on korvaamaton apuri.

Klassisin esimerkki visualisoitavasta ilmiöstä on tietysti voiman ja vastavoiman laki. Tiedättehän sen: kun lyöt seinää, seinä lyö takaisin täsmälleen samalla voimalla. Vaikka teorian tuntisikin, on vaikea todella nähdä sitä hetkeä, kun kaksi täsmälleen yhtä suurta mutta vastakkaista voimaa kohtaavat. Tässä kokeessa käytämme kahta anturia. Asetamme ne niin, että toisen kuvaaja liikkuu positiiviseen ja toisen negatiiviseen suuntaan. Näin saamme näkyviin peilikuvan kaltaisen voimien liikkeen.

Tiederesepti: Todista voima ja vastavoima

Valmistelut

EasySense-laite, 2 kpl voima-antureita, Windows-tietokone, ultraäänianturi, 2 kpl mekaniikkavaunuja sekä lisäpainoja.

Tältä näyttää voima-anturi.

Ohjeet

① Kiinnitä kumpaankin vaunuun oma voima-anturinsa. ② Aseta vaunut vastakkain ja anna niiden törmätä toisiinsa.

③ Lisää toiseen vaunuun painoja (muuta sen massaa) ja toista törmäyskoe.

Koetulokset: Reaaliaikainen peilimaailma

Kun koe suoritetaan, tietokoneen näytölle piirtyy reaaliaikainen kuvaaja voiman muutoksista. Katsotaanpa ensin, miltä näyttää, kun painamme antureita tasaisesti toisiaan vasten.

Videolta näkyy hienosti, kuinka vihreä ja sininen viiva piirtyvät täsmälleen vastakkaisiin suuntiin painalluksen tahdissa. Kun toinen tekee vuoren, toinen tekee laakson. Grafiikka paljastaa armottomasti sen, miten jokainen työntö aiheuttaa välittömän vastatyönnön.

Tässä nimenomaisessa kokeessa toisen anturin nollaus oli hieman epätarkka, joten arvot eivät ole täysin identtiset, mutta voimme silti selvästi havaita, että vastakkaiset ja lähes yhtä suuret voimat syntyvät täsmälleen samalla sekunnin murto-osalla.

Kokeesta avautuva tieteen maailma

Tämän kokeen kiehtovuus piilee siinä, miten itsestäänselvältä tuntuva laki muuttuu eläväksi, monimutkaiseksi käyräksi. Vaikka ihminen painaisi anturia kuinka epäsäännöllisesti tahansa, vastapuolen anturi reagoi siihen täydellisesti ja palauttaa täsmälleen samanlaisen vastavoiman.

Voiman ja vastavoiman laki on syy siihen, miksi voimme kävellä ponnistamalla maasta, ja se on sama periaate, joka lennättää raketit avaruuteen. Kun kerran kokee graafisesti sen universaalin säännön, että jokaiseen omaan tekoon liittyy aina vastapuolen vaikutus, alkaa nähdä koko maailman jatkuvana voimien välisenä vuoropuheluna.

Tällä kertaa keskityimme voimaan ja vastavoimaan, mutta voima-anturi taipuu moneen muuhunkin. Sen voi kiinnittää vaikkapa heiluriin, jolloin voidaan tutkia langan jännitysvoiman ja kiihtyvyyden vaihteluita.

Suosittelen lämpimästi kokeilemaan näitä näkymättömän maailman paljastavia sensoreita joko oppitunneilla tai harrastuksena. Jos teillä on mielessä muita kekseliäitä tapoja hyödyntää näitä laitteita, kuulisin niistä mielelläni! Nautitaan yhdessä tieteen visualisoinnin riemusta.

Yhteystiedot ja tiedustelut

Tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäs arkea! Olen koonnut sivuilleni selkeitä ohjeita kotona tehtäviin kokeisiin. Käy tutustumassa ja tee hakuja! ・Tieteen vinkkipankin sisällöt on nyt julkaistu kirjana. Lue lisää täältä. ・Lisätietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta löydät täältä. ・Yhteydenotot (kirjoitustyöt, luennot, tiedepajat, TV-konsultointi jne.) täältä. ・Uusimmat päivitykset saatavilla X-palvelusta!

Tieteen vinkkikanava tarjoilee koevideoita!