Проналазак балона на топли ваздух

Transkript

1 Проналазак балона на топли ваздух Поред брзине и једноставног функционисања без мотора, дакле и без буке, балони типа монголфје фасцинирају и својом мистеријом, јер намеће се питање како се чун окачен о балон напуњен гасом подиже сам од себе? Ученици ће бити подстакнути не само да покушају да сазнају како он ради него и да открију како су га његови проналазачи замислили и успели да направе. Од мита до игре: како се винути у простор Од античких прича до мита о Икару, затим замишљених машина или цртежа Бекона и Леонарда да Винчија, као најпознатијих, човек је стално био опседнут жељом да се вине у простор. Деца и данас имају такве снове, о чему говори задовољство које показују у игри с балонима, летећим папирним објектима и сл. Педагошки рад може да почне набрајањем летећих предмета, без мотора, који су деци познати и с којима се играју: авиони и ракете од папира, летећи змајеви, балони на дување, падобрани, једрилице итд. Тако се ученицима приближава тема и они, за почетак, наводе само неколико карактеристика. Одмах им се намеће питање како постићи да се нешто вине у висине. Веома брзо се идентификују основни елементи енергије мишића која се користи за лансирање папирног авиона, сила ветра и затезање конца када се пушта змај и спушта падобран, вуче једрилица, узлеће авион итд. Ипак најмистериознији за децу су обични вашарски балони који се сами крећу у ваздуху. Ова имплицитна представа о узроку лета балона преноси се и на балоне типа монголфје што је потпуно нетачно. 103

2 Током прелиминарне дискусије ученици уочавају да је за лет авиона или ракете потребна погонска сила која се добија сагоревањем горива у мотору. Врло им је тешко, међутим, да уоче нешто слично и код балона типа монголфје, који за своје кретање користи гас који сагорева да би загрејао ваздух у балону. То их збуњује јер ту нема мотора који нешто покреће. Штавише, када се прекине загревање ваздуха у балону, овај неће нагло пасти, него ће наставити да се лагано спушта како се ваздух у балону хлади. Систематизовањем се лакше идентификују одговарајућа питања. Ученици ће уочити различите чиниоце које је потребно узети у обзир да би се објаснило кретање летећих објеката без мотора: узрок кретања, облик предмета (ракета не лети као авион), природа матерјала итд. Пред њима се отвара енигма везана за кретање обичног балона надуваног хелијумом и балона типа монголфје. Шта их подиже увис? Зашто се не одржавају у ваздуху? Како се усмеравају? Наставник може да презентује тему на два начина: историјски: како је човек замишљао да се вине у висине пре него што је био пронађен мотор с термичким сагоревањем? Могуће је и коришћењем одговарајућих адреса на интернету истраживати како је остварен први лет балона типа монголфје ; научно (о чему ће бити више речи у даљем тексту): зашто се вашарски балони и балони типа монолфје подижу увис сами, а они које сами надувамо падају? Следе следећа питања. Зашто загревамо ваздух код балона типа монголфје? Како то да се балони надувани топлим ваздухом и хелијумом одржавају на одређеној висини без мотора? Корист од запажања Да би разумели како се подиже балон надуван топлим ваздухом, као што је то био случај код балона типа монголфје, ученици се често вежу за погрешне представе. Тако замишљају да је довољно надувати било који балон да би се он подигао увис. Штавише, сматрају да се балон типа монголфје подиже јер га увис гура топао ваздух, што је механичко виђење проблема. Њи- 104

3 хова представа о механизму је погрешна. Они познају само вучну силу (помоћу канапа, држача итд.), а у овом случају не разумеју шта потискује или вуче балон. Ученици игноришу Архимедову силу потиска, која је основна сила у процесу подизања балона. Због тога је за разумевање наведене појаве ученике потребно квалитативно упознати с механизмом пливања у неком флуиду. Архимедова сила потиска Појам Архимедовог потиска могу лакше схватити подсећањем на њихова искуства с мора или базена. У води су лакши, лакше их је подићи, нарочито када су у хоризонталном положају. Овај појам је доста комплексан, па га је доста тешко објаснити деци овог узраста. Зато се прибегава једноставном приступу без увођења формула. Из тог разлога се обично посматрају само по два елемента која утичу на ову појаву (однос тежина/запремина/облик). Следећи експерименти илуструју елементарне проблеме, односно ситуације. Први експеримент Материјал: пет идентичних пластичних чаша; провидан пластични суд од 10 l напуњен водом; прецизна вага; шећер у праху, гриз, пластелин, пиринач, воћни сируп. Ученици, подељени у групе, постепено сипају шећер, гриз итд. у пластичне чаше постављене у суд с водом, али тако да вода не уђе у њих. Значи, сипају све док оне пливају, тј. док њихова горња ивица не дође у раван с површином воде. Када се једном успостави таква равнотежа измери се количина материјала у чашама. Групе затим упоређују резултате и закључују да су добијене вредности за масу исте без обзира на супстанцу која је сипана. Питања сад просто навиру. Шта ће се десити ако олакшамо чаше? Ученици постављају хипотезе које затим тестирају. Током тестирања свака група ученика мери висину до које је чаша у води и повезује је с масом извађеног материјала. Тако добијају податке које могу представити у табели с две колоне. Анализом промене висине у функцији смањења масе у чашама долазе до следећег закључка: за дату запремину пластичне чаше, што је већа 105

4 маса извађене супстанце утолико ће чаша бити више изнад површине воде (прави се табела мерења: маса/подизање чаше увис). Други експеримент Материјал је исти као у претходном случају. Једино су сад пластичне чаше веће запремине. Чаше у првом експерименту су означене бројем 1, а у другом бројем 2. При поређењу чаша 1 и 2 наставник може да пита ученике која од њих има већу запремину, и који експеримент им омогућује да то утврде. Тако ће групе које су напуниле чаше 2 до врха, а затим тај садржај пресипају у чаше 1 видети да ће се материјал преливати преко ивице чаша 1. Могу се користити и градуисане чаше за егзактно мерење запремина. Следи друго питање: шта ће се десити ако се садржај из чаше 1 која још плива и на граници је да потоне, преручи у чашу 2? Ученици износе претпоставке, ( више ће тонути или боље ће пливати итд.), експериментишу (са шећером, гризом итд., односно с материјалом са којим су почели да раде) и долазе до закључка: чаша 2 се подиже на површину воде (израња) без обзира на материјал којим је испуњена. Одатле проистиче и закључак: за исту масу, чаше веће запримине стабилније пливају. Различитим манипулацијама омогућује се евидентирање комплексности феномена пливања, у првом реду концепта Архимедовог потиска из квалитативног аспекта без математичких формула чије значење се посматра у различитим конкретним ситуацијама. На крају се све своди на два основна фактора: запремина и тежина. Пошто је до сада рађено с водом и различитим производима шећер, гриз, итд., а закључак је важио за било коју супстанцу, преостаје сада да се пређе на испитивања везана за ваздух. Ширење ваздуха Експериментално се може показати да се ваздух при загревању шири. За то су нам потребне две идентичне стаклене боце. На обе се постављају дечји балони, а једна се поставља на грејно тело. Наставник може деци приказати два врло једноставна експеримента, тако да их и ученици могу демонстрирати. 106

5 Наставник позива ученике да упореде запремине и масе две боце: оне су идентичне јер имају исту запремину, па тиме и исту количину ваздуха. После извесног времена ученици примећују да се балон над флашом која се загрева надувао. Како објаснити овај феномен? Ученици износе претпоставке и истичу разлике: ваздух се шири у боци која се загрева. Одатле се могу извући следећи закључци. У боцама су у почетку идентичне запремине ваздуха. Пошто се загреје једна боца, балон изнад ње ће се надувавати, што је последица ширења ваздуха. Ако се балон надувава, то значи да се ваздух из боце подиже увис, дакле при загревању повећава се запремина ваздуха (кажемо да се шири). Запремина комплета (боца + балон) расте а да се при томе не додаје ваздух. Маса је, дакле, остала иста, док се запремина повећала. (Да би се избегла конфузија у вези са запреминама и масом, потребно је врло брзо измерити комплет пре и после загревања.) Овде се позивамо на закључак из претходних активности: када имају исту масу, стабилније пливају чаше веће запремине. После ове дискусије може се, према аналогији, замислити боца која је замењена ваздушним мехуром па ће се лако разумети да ће се загревањем овај мехур запремински повећати. Наставићемо да размишљамо у истом правцу, и закључујемо да се чаша 2 подиже јер је веће запремине, а по тој аналогији мехур постаје већи јер се загрева и подиже увис у ваздуху. Шта је онда с балоном монголфје? Што је ваздух загрејанији, маса ваздуха у истој запремини је мања и балон се подиже увис. Ова хипотеза се може потврдити прављењем балона таквог типа (видети у наставку текста). Пошто се ваздух у балону типа монголфје загрева, он се шири, а тиме се и запремина повећава. Али, како се омотач до балона не шири, један део ваздуха излази кроз отвор. Тако у омотачу остаје мање топлог ваздуха него када је балон напуњен хладним ваздухом. Монголфјеов балон с топлим ваздухом је лакши од онога напуњеног хладним ваздухом, па се зато и подиже увис. Пошто се вине у висине, ваздух у његовом омотачу се хлади и смањује му се запремина. Хладан ваздух из окружења улази у балон, он постаје тежи и почиње да се спушта. 107

6 Пошто је једном уочен овај принцип, поставља се питање врсте гаса који ће бити употребљен: топао ваздух код монголфјеа, водоник код балона који је у исто време пронашао Шарл. Разуме се (с обзиром на податке о гасовима један литар хладног ваздуха тежак је 1,3 g, литар топлог ваздуха мање од 1 g, а један литар водоника десети део грама) да ће балон с топлим ваздухом бити тежи од оног с водоником (овај гас није у употреби за балоне после трагедије Хинденбурговог дирижабла године). О пореклу открића Претходни експерименти омогућују да деца схвате да је проналазак балона типа монголфје настао у једном мултиинтерактивном процесу технологије, науке, економије и политике. Ово откриће је указало на неопходност колективног рада када се решавају специфични проблеми. Изучавање историјских текстова омогућује ученицима да уоче различите етапе у открићу Монголфјеовог балона изучавајући, у супротном смеру, све битне чињенице у вези са открићем. Интересантно је сазнање да су се браћа Монгофје, знатно пре почетка рада на балону на топли ваздух, интересовала за ваздушне летове и својства гасова, о чему су прочитали више књига. Препоручујемо да се у вези с тим проучи Извештај о аеростатичкој машини браће Монголфје који се може наћи у Академији наука. У њему се могу уочити очигледни утицаји различитих истраживања. Случајно подизања Жозеове кошуље, коју је сушио поред камина, после оваквих изучавања за децу ће представљати само једну минорну случајност. Јер, овај догађај не би имао никакве последице да Жозе није размишљао о направи која би му омогућила да се подигне у ваздух изучавајући истовремено гравиру која је представљала шпанску опсаду Гибралтара. Даље, постаје очигледна и улога Акедемије наука, која је потврдила откриће, као и Луја XVI, који се надао да ће ово обећавајуће откриће омогућити и транспорт људства у војне сврхе што је, према извештајима који су на располагању било и мишљење академика. 108

7 Покушај код Ревејона 12. септембра Балон је био прекривен тканином од јуте, преко које је са унутрашње и спољашне стране био постављен дебљи папир. Надуван је за десет минута, и тек што се подигао, наишла је олуја која га је оборила. Етјен Монголфје га је, уз велике напоре, поправио и припремио за лет у Версају, који је био предвиђен за шест дана Musée de l air et de l espace Најзад, ученици ће моћи да уоче да у 18. веку проналазачи нису увек били научници, као и да су оштроумност и упорност често надомештале улогу науке или технике. Анализа дуге листе покушаја браће Монголфје, са свим сукцесивним модификацијама и побољшавањима, указује на њихове бројне квалитете, захваљујући којима су могли да остваре свој циљ. Прављење и испитивања функционисања монголфјеа Ученици изучавају физичке принципе на којима се заснива функционисање монголфјеа, и постаје им јасно зашто се он може подићи у ваздух без мотора. Историјат браће Монголфје показује да они нису могли да остваре полетање њихове конструкције пре него што су упознали научне принципе који објашњавају пливање по небу и применили их. Међутим, од сазнања до реализације неког подухвата заиста је дуг период. Ученици репродукују модел који им је већ јасан. Проблеми с којима ће се срести углавном су техничке природе. Поготову, 109

8 што ће свој монголфје конструисати од материјала који им је на располагању (употреба елемената који подсећају на оне које су користила браћа Монголфје даје једну културну димензију, у односу на коју су деца посебно осетљива. Ученици немају специјалне алатке нити супер јак лепак, па морају пажљиво да секу, уклапају... Неопходан је тимски рад. Да би осигурао успех подухвата, наставник мора, предвиђајући етапе рада, да организује рад по групама као што је то уобичајено када су у питању техничке активности у одељењу. То је прилика да ученике наведе да размишљају о организацији при решавању задатака, неопходном материјалу, техничким решењима (који лепак, који папир), поделу рада, итд. Неколико савета можете наћи на: Школа у Гуржеу (Gourgé) користила је следећи протокол. 110 Материјал: шест листова провидног папира у боји; картон; маказе; шаблон полувретена (треба шест вретена). Конструкција провидан папир пресавити на четири дела; на папиру нацртати контуре вретена; исећи по линијама, и добија се вретено које треба декорисати; вретена се лепе тако да се добије монголфјеов омотач; од папира се исече круг и постави на врх монголфјеа да не би излазио ваздух. Пошто је монголфје конструисан, потребно га је подићи увис што се постиже загревањем ваздуха. Претходно се изабере грејни уређај: фен, радијатор који издувава, грејна плоча или решо на гас. Могуће је и запалити неке лако сагорљиве материјале у великој кутији испод монголфјеа, који ће се услед тога постепено надувавати (у сваком случају, све то треба радити у дворишту). Сви предлози имају своје предности и ограничења.

9 Опредељује се за један од њих на крају дискусије, уз одговарајућу аргументацију. Јер, ако се изабере грејна плоча, онда ће време надувавања монголфјеа бити знатно дуже него када се изабере решо на гас. Мећутим, ако се изабере овај последњи, потребно је предвидети и метални цилиндар за усмеравање топлог ваздуха у правцу монголфјеа. Да би се избегао губитак топлоте, око цеви се поставља једно проширење. Чињеница да ученици придржавају монголфје током загревања, омогућује наставнику да укаже на неопходност испуњавања неких услова да би подухват успео. На пример, ломљиве предмете треба пажљиво држати у вертикалном положају итд. Ученици такође уоче да су важни елементи тежина папира (зато је и узет лак провидан папир) и добро изведено лепљење. У најнижим разредима, помоћу фена могуће је показати да ће се монголфје подићи за неколико центиметара када се загрева од четири до пет секунди. Најзад нас интересује и чун монголфјеа. Коју масу може подићи балон од 1 m 3? Сила узгона је разлика између тежина хладног ваздуха (1,3 g/ l), и реалне тежине (топао ваздух 0,77 g/l), која је око 0,5 g/l. Што је загревање веће већа је и запремина коју заузима ваздух. Сила узгона је већа уколико је већа разлика између тежина хладног и топлог ваздуха за дату запремину. Балон пречника 1 m има запремину од око 0,4 m 3, односно 400 l. Могуће је проценити да ће такав балон подићи око 200 g, укљујући и масу омотача балона. Монголфје данас, или ренесанса једне технике После открића браће Монголфје цела Европа је била у заносу, користила се изрека лакши од ваздуха. Почињу трке у ваздуху, а аеростатом се прелази Ламанш. Конкуренција између Шарла и Пилатра де Рози јеа, једног од пионира лета балоном на топли ваздух, завршава се смрћу последњег. Да би ишао што брже, користио је балон на водоник, који се запалио. Ова епизода је била доказ колико су опасни балони на водоник; они су после тога потпуно избачени из употребе. 111

10 Балони типа монголфје су такође напуштени у другој половини 20. века. Јер, проблем с њима је био што није било могуће транспортовати довољно сламе да би се ишло далеко као с балонима на водоник. Иако је почетком 20. века Луј Годар пронашао горионик на пропан, то није било довољно да поврати балоне типа монголфје у употребу. Требало је сачекати годину и проналазак нових материјала, као и усавршавање горионика на пропан. Ученике треба информисати да се балони монголфје данас користе у рекламама за разне производе или за летове из задовољства. То ће омогућити да се ученици упознају с новом генерацијом Монголфјеових балона. Али, сада ће већ моћи да истражују конструкцију ових летелица. Уочиће важност нових материјала за производњу омотача балона, незапаљивих, лаких, отпорних на високе температуре, као и карактеристике нових горионика. Принцип рада горионика на пропан је врло једноставан: гас у боци, под притиском и у течном стању, пролази кроз вентил и прелази у гас који сагорева. Ваздух у омотачу балона се загрева до температуре од стотинак степени, па балон постаје лакши од исте запремине хладног ваздуха у окружењу. Улога пилота је да у правом тренутку загреје ваздух. Значи, горионик се не користи стално, него повремено, а ефекат се уочава након десетак секунди, при чему пилот мора да има осећај за брзину хлађења. 112