Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan)
AZ AUTÓZÁS FIZIKÁJA THE PHYSICS OF THE CAR Hegedüs János Leőwey Klára Gimnázium, Pécs; az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója
ÖSSZEFOGLALÁS A dolgozat a középiskolai fizika oktatás egy lehetséges eszközének, a mindannyiunk által használt személygépkocsinak a fizika tananyagba történő beépítését taglalja. A gépkocsi mozgásának illetve működésének hátterében rejlő fizikát az egyes tanévekre lebontva példákkal illusztrálja, és megmutatja, hogy a jármű mely része és milyen módon varázsolhatja be a hétköznapokat a tanórákra. BEVEZETÉS Napjainkban, tanított tárgyától függetlenül szinte minden tanár szembesül diákjainak érdektelenségével. A középiskolás diákok oktatásának így egyik sarkalatos pontja lehet az érdeklődés felkeltése. Amennyiben nem sikerül kellően lekötni a diákok figyelmét, és külső kényszer, mint pl. a felvételiként is szolgáló érettségi vizsga sincs jelen, szinte reménytelen a helyzet. Olyan témát, technikai eszközt kerestem e célból, mely egyszerűnek tűnik, nem veszélyes, amit mindannyian már láttunk, sokszor megfigyelhető, és rengeteg fizikai lehetőséget, mérnöki alkalmazást rejt magában. Így jutottam el a személyautó fizikájához. AUTÓ AZ ÓRÁKON A következőkben a teljesség igénye nélkül a gimnáziumi tananyagot és a kerettantervet követve, tematikusan végigjárom az egyes fejezeteket, és évfolyamokra bontva esetenként konkrét példákkal mutatom be az autó helyét a fizikaórákon. A didaktikai lehetőségeket a terjedelmi korlátok miatt többnyire csak felvillantom, és a feladatok megoldását sem részletezem. Elsőként, egy az összes évfolyamra érvényes, átfogó sematikus ábrán keresztül érzékeltetem az eszköz alkalmazásának létjogosultságát. (1.ábra)
1. ábra. Az autó a fizikaórán
394
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) KILENCEDIK ÉVFOLYAM Az „m” tömegű tömegpont, mely álló helyzetből adott gyorsulással indul, be kell vallanunk, kevés diák érdeklődését kelti fel.. Ám, ha átfogalmazzuk a szöveget és a „80 km/h sebességgel padlógázzal ösztökélt Trabant”-ról vagy egyéb megnevezett autótípusról van szó, szívesebben állnak neki a feladatnak a kinematikával ismerkedők: 1. feladat: „A Bugatti Veyron sportkocsi 2,4 másodperc alatt éri el a 100 km/h tempót. Villámgyors váltószerkezetének köszönhetően egyenletes gyorsulással képes 320 km/h sebességet elérni. Fékezéskor a vezető, a járművel együtt 4,5 g-vel lassul. Számítsd ki mekkora úton gyorsul fel a gépkocsi állóhelyből 100 km/h-ra, majd add meg a féktávolságot, ismerve, hogy a sofőr reakcióideje 0,3 másodperc! (Féktávolságon az akadály észlelése és a megállás között befutott teljes úthosszat értjük.) Érdemes megemlíteni, hogy az autók biztonságtechnikai eszközeit, pl. a légzsákvezérlő készüléket vagy a pirotechnikai övfeszítőt adott gyorsuláskorlát segítségével szabályozzák. A diákok többségét sokkolja a következő példa, mely valós adatok alapján készült: 2. feladat: „A légzsákok kioldását vezérlő rendszer gyorsulásmérői 30g és 500g közötti intervallumon működnek. Az alsó küszöböt használva számoljunk „csupán” 30g nagyságú hirtelen lassulású ütközéssel! Mekkora terhelést jelentene ez az utasokra légzsák nélkül, ha tömegük 75 kg?” Az adatokkal 22500 N erő adódik!) A személygépkocsit sok más dinamikai törvénnyel kapcsolatban is példaként hozhatjuk, hiszen nyomja az alátámasztást négy kerekénél, hat rá a nehézségi erő, abroncsai jó esetben tapadnak, rossz esetben csúsznak a talajon. Az első évfolyamban a körmozgásánál a kerekek, a hűtőventilátor lapátja, a kormánykerék szerepelhet leggyakrabban, de az egyéb forgó alkatrészeket is felsorolhatnánk. Néhány tanórán kipróbált feladat: 3. feladat: „Autónk motorját állandóan forgó ventillátor szele hűti, melynek fordulatszáma közepes sebességnél percenkénti ötszázas értékű. Mekkora terhelést kell elviselnie a ventillátor lapátjának, ha átmérője 40 cm?” (Terhelésen a centripetális gyorsulás és a nehézségi gyorsulás hányadosát értjük.) 4. feladat: „Egy kerékjavító műhely állványos szerkezetében a felszerelt gumiköpenyt 180km/h-nak megfelelő fordulatszámra gyorsítják fel, majd perceken keresztül egyenletesen hajtják. A szelepsapka a forgástengelytől 25 cm távolságra, a gumiköpeny legkülső pontjánál 5 centiméterrel beljebb kering. Mekkora a fordulatszám az egyenletes tempónál? Számold ki, hogy a másodperc század része alatt mekkora szögtartományt súrol a szelepsapkához húzott sugár az egyenletes keringés során! Ha az egyenletes felgyorsítás fél perc alatt történik, mekkora a szöggyorsulás? Rajzold fel a szögsebesség- idő grafikont, és a szögelfordulás-idő grafikont az első percre vonatkozóan!” Forgalmasabb út járdáján állva, stopperórával méréseket végezve, olyan adatsorhoz juthatunk, amiből az előttünk elhaladó gépkocsik sebessége és gyorsulása kiszámolható. Természetesen, fel kell, hogy hívjuk a figyelmet az esetleges hibaforrásokra. Az új szempontokat figyelembe véve a gyerekek többsége ámulattal nézi az elrobogó autósereget. TIZEDIK ÉVFOLYAM A hőtan témakörében a belsőégésű motorok ütemeinek megismerése, a hozzájuk rendelt körfolyamatok tárgyalása nyújthat lehetőséget új, ám a hétköznapi életben is hasznos tudás és ismeret felépítésére. A négyütemű Otto-motor működésének részletes elemzését mindenképp javasolhatjuk, hiszen a technikai környezet megismerése rendkívül fontos, azonban az általános iskolák technika tantárgyában legtöbb helyen informatikaoktatás zajlik. Hasznos az olyan animált ábra, mely a szívás, sűrítés, robbanás, munka és kipufogás ütemét szemlélteti a 395
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) p-V diagramon. A közismert körfolyamat szöveges ismertetését mellőzzük, szakaszait a négy ütemet bemutató, és indikátordiagrammal is illusztráló ábrával idézzük fel. (Az indikátordiagram a motor működése során mért nyomás térfogat kapcsolatot mutatja.) Az ábráról látszik, hogy az idealizált, látható két adiabatából és két izochórból álló Ottó körfolyamathoz képest az indikátordiagram torzul. (2.ábra) Az Ottó motor működésének lényeges eleme, hogy a benzin levegő keverék külső szikra hatására robban fel.
2. ábra. Az ideális Otto-körfolyamat [1] Ugyancsak fontos lehet technikai szempontból a négyütemű diesel motor működésének részletezése is. Érdemes kiemelni, hogy bár a diesel és a benzinüzemű motorok szerkezeti elemei hasonlóak, a diesel motor csak „tiszta” levegőt szív be, a hajtóanyag és a levegő keveredése a hengertérben történik meg, tehát belső keverékképzésről beszélünk. [2] Az éghető keverék elégése öngyulladással kezdődik, ezért az öngyulladás eléréséhez a hajtóanyag levegő keverék gyulladási hőmérsékleténél magasabb hőmérsékletnek kell lenni a hengertérben. [3] A termodinamikai hatásfok első közelítésben a Carnot körfolyamat hatásfokával becsülhető. A benzinüzemű motorok szélső hőmérséklet értékeivel erre 80 % adódna. A motorok működését leíró ideális körfolyamat termodinamikai hatásfoka ennél kisebb, és ezt tovább csökkentik a fellépő veszteségek. A motor főtengelyen mérhető munkából számított hatásfok hagyományos felépítés esetén csak 20-30 %. [4] Jobb osztályokban érdemes legalább az idealizált Ottó körfolyamat hatásfokát levezetni. Sok diákot elgondolkodtat a kérdés, hogy miért indulás előtt és nem bizonyos út megtétele után ellenőrizzük a kerekekben lévő levegő túlnyomását. Néhány kérdéssel, vagy utalással rávezethetjük őket a helyes válaszra: utunk során járművünk kereke felmelegszik, így nem a valós nyomásértéket mérnénk. Ennek kapcsán előkerülhet a „bar” mint SI-n kívüli mértékegység. 5. feladat: „Mekkora erő hat a dugattyúra, ha a motor hengerében a nyomás 25 bar, és a dugattyú sugara 8 cm nagyságú? Az elektromosságtan témaköréhez is szolgáltat a gépkocsi fizikája életszerű példákat! Az autókban egyenáramú körök 6-12-24 V-os rendszere működik, ahol figyelembe kell venni az akkumulátor töltését megszabó (Ah) paramétert. A bekapcsolva felejtett irányjelző vagy világítás, életszerű, és talán tapasztalatból ismert kellemetlenségeket idéz fel. A generátort, önindítót, egyenirányítót bevihetjük a tanterembe, s ha ettől az óra kicsit műhelyszagú lesz, talán még nagyobb a hatása. Esetleg az indukciós jelenséget is könnyebb
396
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) érzékeltetni egy autó gépházteteje alá bekötött, működő generátorral, és a hozzá kapcsolt feszültségmérő-berendezéssel. Gyakorlatban megoldott feladatok: 6. feladat: „Egy szórakozott sofőr autójának helyzetjelzőjét elfelejti lekapcsolni. Az autó motorja nem működik, így a generátor a kivett töltést nem pótolhatja. Alig öt óra alatt merül le az akkumulátor, melyre a 75Ah 12V paramétereket írták rá. Hány darab párhuzamosan kötött 5 W teljesítményű izzó működhetett folyamatosan? Miként változna az időtartam, ha további két 21 W teljesítményű féklámpa izzót is bekapcsolva maradt volna?” 7. feladat: „Utánfutó vontatmánnyal az út szélén veszteglünk műszaki hiba miatt. Az előírásnak megfelelően az elakadásjelzőt bekapcsoltuk, mely 1,5 másodpercenként fél másodpercig hozza működésbe a hat darab 12 V 21W-os izzót. Mennyi ideig fog kitartani a járművünk 55Ah 12 V-os akkumulátora?” TIZENEGYEDIK ÉVFOLYAM: Itt elsőként a rezgéstan témakörében lehet segítségünkre a járműtechnika. Áttekinthetjük a biztonságos üzemeltetés feltételeit, a megfelelően működő lengéscsillapítók tulajdonságainak ismertetésével. A csillapítás megfigyelésére, akár műszaki állomástól kérhetünk adatsort. A kerekeknél elhelyezkedő rugókra a rugalmas erőtörvény érvényes, bemutatható a spirálrugó és laprugó közötti különbség. (Itt a felhasználási cél alapján különböző formájú, terhelhetőségű rugós szerkezeti elemekről van szó, melyek neve az elem formájára utal.) 8. feladat: „A gépkocsik rugózását célszerű úgy alakítani, hogy a kocsiszekrény sajátfrekvenciája távol essék az autót üzem közben érő periodikus hatásoktól. Miért? Ha a gépkocsi rugózását egyetlen, rugónak képzelhetjük, amely 150 kg tömegű teherrel terhelve 4Hz frekvenciával rezeg, mekkora a rendszer rugóállandója? Mekkora többletterhelést kellene a rugóra tenni, hogy a frekvencia a felére csökkenjen? A tizenegyedik évfolyamon szerepelnek az elektromágneses rezgések is. Ennek kapcsán megtaníthatjuk a rádió működését, és foglalkozhatunk a rádió- adás és vétel mechanizmusával. Igényesebb, kísérletezni szerető osztállyal HIFI rendszert építhetünk, erősítőt gyárthatunk. Az autó a fénytanban is rengeteg lehetőséget nyújt. A régebbi sík visszapillantó tükrök és az újabb már domború visszapillantó tükrök összehasonlításával biztonságosabb közlekedésre is nevelhetjük a már jogosítvány-érett diákokat. Szintén KRESZ-tesztbe illő kérdés a domború tükrök szerepének megértése a be nem látható útkereszteződésekben. Érdemes foglalkozni a tükrök fókuszpontjának szerepével a tompítottról fényszóróra való váltás során. Közlekedésbiztonsági szempontból fontosak a fényvisszaverő prizmák. A nagyító alá helyezett igazi „macskaszem” szinte mindig elbűvöli a tanulókat! Végül alkalmas példákat találhatunk akár az üzemanyagok, akár a karosszériát alkotó ötvözetek összetételének ismertetésével az atomfizikai oktatásban, illetve anyagtechnológiai érdekességekre lelhetünk a modern luxusautók űrtechnikából kölcsönzött anyagainak megismerésével. Fontosnak tartom azonban hangsúlyozni, hogy továbbra sem autószerelőket vagy jármű technikusokat képzünk, hanem a közönséges gimnazisták érdeklődését kívánjuk felkelteni a technikai érdekességekkel. ÖNÁLLÓ FELADATOK Az önálló feladatok száma végtelen. Csupán rajtunk múlik, hogy a diákokkal együtt hajlandóak vagyunk-e némi kutatómunkát végezni. A kérdések kitűzésekor ügyeljünk a
397
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) pontos megfogalmazásra, és vegyük figyelembe, hogy akár a fizikától eltérő téma is szóba jöhet. Például: De Gaulle francia elnök Citroënjét 1961-ben támadás érte, mégsem sebesült meg az elnök, hála az autó hidropneumatikus rendszerének. Nézz utána a működési elvének! [5], [6] Alkalmazzák-e az adott technikát a mai járművekben? Vagy: Az első kaucsuk alapanyagú gumiabroncs történetének nézz utána! Gyűjts információt a Wankel-motorok felépítéséről és működéséről! [7],[8]. Mikor készítették az első hibrid járművet? TAPASZTALAT Gimnáziumunkban nyelvi osztály, tehetséggondozó osztály, és reál-osztály is működik, a tanulók a 14-19 éves korosztályba tartoznak. Mindhárom évfolyamban és mindhárom diákcsoportnál több alkalommal „bevetettem” az autót, mint szemléltető eszközt. Eleinte csak, mint érdekességet használtam fel, de néhány óra után már várták a tanulók a személygépkocsis példát az adott fizikai témakörben. A sikerhez egészen biztosan hozzájárult a megfogható, tanterembe bevitt alkatrészek sokasága. A tizenegyedik évfolyam tanulói esetében az érdeklődésen kívül az érdek is hatalmas szerepet kapott, mivel az órán elsajátított ismeretek autóvezető jogosítványuk megszerzésében is segítettek. Van olyan diák is, aki az órán hallottak alapján döntött a továbbtanulásával kapcsolatban, autómérnökként képzeli el jövőjét. Kijelenthetem, hogy az ötlet bevált, a fiúkat száz százalékban lekötötte, és a lánytanulókat is sokkal könnyebben meg lehetett nyerni a fizikatanulás számára. A három évfolyam négy osztálya ma már egy kicsit másként tekint a hétköznapi, négykeréken guruló szerkezetre, amit autónak nevezünk. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönöm Dr. Koniorczyk Mátyásnak a cikkel kapcsolatos értékes észrevételeit, Dr. Tasnádi Tamásnak az útbaigazító kiegészítéseket, és Lukics Gyöngyinek a nyelvhelyességi lektorálást. IRODALOMJEGYZÉK 1. Mark Z., Richard D.: Heat and Thermodynamics, McGraw-Hill companies, 144.o 1997 2. Bérces György - Dr. Litz József - Skrapits Lajos - Dr. Tasnádi Péter: Általános fizika - Mechanika II. – Hőtan; Dialog Campus Kiadó; Pécs- Budapest, 527.o, 2001 3. Hans Faltin: Műszaki Hőtan (Technische Wärmelehre), Műszaki Kiadó, 263.o, 1970 4. Holics László: Fizika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1992 5. Liener György: Autótípusok, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 61.o, 1964 6. Hans Otto Meyer-Spelbrink: Das Citroën DS Buch, Verlag Podszun-Motorbücher, Brilon, 105.o, 1989 7. Liener György: Autótípusok, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 20.o, 1971 8. http://www.youtube.com/watch?v=6BCgl2uumlI
398
