Miksi moottori pyörii taukoamatta? Selvitä Flemingin lain ja kommuttaattorin salaisuudet digitaalisella 3D:llä ja paperikäsityöllä!

Olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on kokeilua.

Kuinka monta moottoria mahtaa ympäriltänne löytyä? Tuulettimet, pesukoneet, älypuhelinten värinät, aina junien pyöriin asti… Elämämme on täynnä voimaa, joka saa asioita pyörimään. Mutta kun kysytään, ”Miksi sähkö saa asioita pyörimään?” – se tuntuu heti vähän hankalalta. Miten selittää sähkön ja magneetin näkymätön voima?

Tähän pulmaan saattaa löytyä apu mahtavasta 3D-grafiikkaohjelmasta, GeoGebrasta! Löysin sieltä erinomaisen oppimateriaalin moottorin toimintaperiaatteen selittämiseen. Tässä ne ovat:

Moottorin toimintaperiaatteen ”näkemin” GeoGebralla
Tämä (haku: DC Motor)

Tai tämä! (haku: Cópia de Electric Motor)

Näitä voi katsella tietokoneellakin, mutta suosittelen erityisesti iPad-sovellus GeoGebraa. Mikä siinä on niin mahtavaa? Se, että voit itse pyöritellä ja tutkia mallia! Oppikirjan kaksiulotteisesta kuvasta on vaikea hahmottaa, kun sanotaan ”tässä voima suuntautuu poispäin”. Mutta tämän materiaalin avulla voit pyörittää kuvaa mihin tahansa kulmaan ja ymmärtää konkreettisesti: ”Ahaa, se todellakin saa voimaa tähän suuntaan!”

Pääset todellakin kokeilemaan Flemingin vasemman käden sääntöä omilla käsilläsi! Teknologia ratkaisee hienosti 3D-ilmiöiden selittämisen haasteen.

Digitaalisen ymmärryksen jälkeen – analoginen ”rakentaminen”!
Kun olet ymmärtänyt periaatteen digitaalisen 3D-mallin avulla, herää luonnollinen halu rakentaa se itse! Otimme mallia opettaja Shotaro Kishin sivustosta, jossa hän kokeilee tiedeopetusmateriaalien tekemistä #paperimallina, ja teimme oppilaiden kanssa ”Pyörivä! Paperimoottori 2:n” (tässä linkki). Tarkastellaan seuraavaksi yhdessä, miksi tämä paperimoottori jatkaa pyörimistään – katsotaan sen sydämeen.

Flemingin sääntö ja ”pyörittävä voima”
Tarkastellaan ensin tilannetta, jossa virta kulkee käämissä ”abcd”-suuntaan.

Tässä astuu esiin yläkoulun tiedetuntien tähti, Flemingin vasemman käden sääntö. Se on se: ”Virta, kenttä, voima!”

Tarkastellaan käämin ”ab”-osaa. Virran suunta on ”a→b”. Magneettikentän suunta on N-navasta S-napaan. Aseta nämä kaksi vasemman käden keskisormeen (virta) ja etusormeen (kenttä)…

Peukalo (voima) osoittaa poispäin (kuvan taakse)! Seuraavaksi käämin ”cd”-osa. Virta kulkee ”c→d”.

Aseta vasen käsi samalla tavalla… Tällä kertaa peukalo (voima) osoittaa eteenpäin (kuvan eteen).

Kuvitelkaa nyt: Käämin toista puolta (ab) työnnetään poispäin, ja toista puolta (cd) vedetään eteenpäin. Mitä tapahtuu? Juuri niin! Käämi alkaa pyörähtää! Tämä on moottorin ensimmäinen askel.

”Älykäs temppu”, joka saa sen pyörimään
Tässä tulee kuitenkin vastaan suuri ongelma. Mitä tapahtuu, kun käämi on pyörähtänyt puoli kierrosta ja ab ja cd ovat vaihtaneet paikkaa? Jos virta kulkisi yhä ”abcd”-suuntaan… Voima suuntautuisi päinvastaiseen suuntaan kuin äsken, ja pyöriminen pysähtyisi. Se olisi sama kuin, että joku työntäisi keinua väärään aikaan vastakkaiseen suuntaan.

Tässä vaiheessa esiin nousee moottorin todellinen ”keksintö”: tärkeä osa nimeltään kommutaattori (virrankäännin)!

Tämä kommutaattori vaihtaa virran suunnan ”dcba”:ksi aina, kun käämi pyörähtää puoli kierrosta.

Kun virran suunta vaihtuu…

”cd”-osaan (joka on nyt pyörinyt etupuolelle) virtaa kulkee…

Voima suuntautuu poispäin (tässä kuvassa ylöspäin), ja

”ab”-osaan (joka on pyörinyt taakse) virtaa kulkee…

Voima suuntautuu eteenpäin (tässä kuvassa alaspäin). Tämän nerokkaan tempun, joka kääntää virran suunnan täydellisellä ajoituksella, ansiosta moottori saa jatkuvasti voimaa samaan suuntaan ja pyörii yhtenään!

Lisää tietoa kaipaaville
Tällä kertaa olemme tutkineet moottorin periaatetta siirtymällä digitaalisten 3D-mallien ja analogisten paperimallien välillä. Tom Walshin GeoGebra-materiaali on myös erittäin selkeä, kannattaa ehdottomasti kurkistaa:

https://www.geogebra.org/m/DsCfTEex#material/PN2YrxBb

Kun ”tiedät jotain epämääräisesti” muuttuu muotoon ”osaat selittää sen mekanismin!”, luonnontieteistä tulee entistä hauskempaa!

Kyselyt ja yhteistyöpyynnöt
Tuomme tieteen ihmeet ja kiinnostavuuden lähemmäs! Olemme koonneet selkeästi hauskoja tiedekokeita, joita voi tehdä kotona, ja vinkkejä niiden toteuttamiseen. Kokeile etsiä eri aiheita! ・Tämä blogi on julkaistu kirjana. Lisätietoa täältä ・Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä ・Erilaiset yhteistyöpyynnöt (kirjoittaminen, luennot, kokeilupajat, TV-konsultointi/esiintyminen jne.) täältä ・Artikkelien päivitykset X:ssä!

Kokeiluvideoita Tieteen Vinkkikanavalla (Science Net Channel)!