Látogatóközpont – Labor Installációk
Tartalom Ferrofluid – a mágnesezhető folyadék ................................................................................................. 2 Érintsd meg a békát! (3D illúzió homorú tükörben) ............................................................................ 3 Tesla-transzformátor ............................................................................................................................ 4 Teremin – varázsolj hangokat! ............................................................................................................. 5 Bermuda henger .................................................................................................................................. 6 Légörvény-ágyú .................................................................................................................................... 7 Labda-egyensúlyozás levegőben .......................................................................................................... 8 Hangeffektek, késleltető ...................................................................................................................... 9 Örvényáramú fék ................................................................................................................................ 10 Nehézségi erő a Földön, a Holdon és a Marson ................................................................................. 11 Plazmagömb ....................................................................................................................................... 12 Parabolikus hangtükör........................................................................................................................ 13 Polarizáció .......................................................................................................................................... 14
Ferrofluid – a mágnesezhető folyadék Mit csinálj? Változtasd az elektromágnes áramát a forgatógomb elforgatásával! Mire figyelj? A tálban lévő sötét folyadék „felmászik” a spirálon, és közben különféle csúcsos mintákba rendeződik. Mi a magyarázat? A tálban nagyon finom, nanoméretű vasszemcséket tartalmazó folyadék – ferrofluid – van. A tálka alatti szürke henger egy elektromágnes, vagyis egy feltekercselt dróthuzal, amelynek áramát a forgatógombbal lehet szabályozni. A tekercsben folyó áramtól a tálban lévő vaskúp felmágneseződik, és a folyadékot magához vonzza. A folyadékfelszín alakját a mágneses mező és folyadékrészek közötti kohéziós erő együttesen alakítja, úgy hogy minden részen az ébredő erők kiegyenlítsék egymást. Ennek eredménye a különleges, csúcsos alakzatok, amelyet a ferrofluid felvesz, addig, amíg az elektromágnest ki nem kapcsoljuk.
Érintsd meg a békát! (3D illúzió homorú tükörben) Mit csinálj? Nézz rá az eszközre és próbáld megsimogatni a békát! Mire figyelj? A béka ott nem létezik, ahol látod. A kettős tükör alján van valójában. Mi a magyarázat? A béka felületéről kiinduló fénysugarakat a két szembefordított homorú tükör újra egyesíti a látott helyen. Onnan ismét széttartó sugarak indulnak ki, mintha egy tárgy lenne ott. A szemünk (vagyis tulajdonképpen az agyunk, amely összerakja, értelmezi a szemeinkből érkező ingerületeket) ott véli látni a testet, ahol a szemünkbe jutó fénysugarak kiindulni látszanak. Ezért érzékcsalódás minden tükröződés (a tárgyak valójában nem ott vannak).
Tesla-transzformátor Mit csinálj? Nézz fel a ketrecben látható berendezésre! Mire figyelj? A tekercs gyűrűjéről szikrák indulnak el, miközben különböző magasságú hangot hallunk. A ketrecben elhelyezett fénycsövek közben világítanak. Mi a magyarázat? A ketrecben egy százezer volt feszültséget keltő berendezés, a Tesla-transzformátor van, amely a hálózati feszültségből állít elő. A keletkező hatalmas elektromos mezőben a levegő vezetővé válik, szikrakisülések indulnak el, épp úgy, ahogy a villámokban. A közelben lévő fénycsövekben a gázmolekulákat mozgatja meg a hatalmas tér, amelyek ettől fényt bocsátanak ki. A Tesla-transzformátor feltalálója Nikola Tesla volt, aki ennek segítségével elektromos energiát akart továbbítani vezetékek nélkül. Ma már tudjuk, ez nem lehetséges, ám a berendezést számtalan formában újraépítik ma is, szinte versenyezve, hogyan lehet minél kisebb berendezésből mindnél nagyobb szikrát kinyerni. A berendezés a transzformátor elvén működik: egy feltöltött kondenzátor a primer tekercsre egy szikraközön keresztül kisül, a tekercsben így rezgések alakulnak ki. Ennek hatására a tízezer menetből álló szekunder tekercsben hatalmas feszültség indukálódik. A hatás fokozható, ha a két kör rezonanciában van. Manapság –ilyen ez a készülék is – a szikraközöket félvezetők helyettesítik, így a kisütés ismétlődése kívülről vezérelhető, így tud változó magasságú hang létrejönni a kisülés során, ami lehet egy zeneszám is.
Teremin – varázsolj hangokat! Mit csinálj? Állj a készülék elé, és a kezeiddel közelíts a vízszintes „U” alakú és a függőleges oszlopszerű antennákhoz. Mire figyelj? Bal kezeddel, ha elég közel tartod a hangerősséget (minél közelebb annál hangosabb), jobb kezeddel pedig a hang magasságát tudod változtatni. Mi a magyarázat? Léon Theremin találmánya a Teremin, egyike az első elektromos hangszereknek, amelyet a hangszer megérintése nélkül is meg lehet szólaltatni. Minél magasabb a hangrezgések rezgésszáma, más néven frekvenciája, annál magasabb hangot hallunk. A készülékben elektronikus rezgéskeltők (oszcillátorok) vannak, az egyik frekvenciája állandó, a másiké kismértékben megváltozik, ha a kivezetett fémes pontjához közelítünk. Az oszcillátorok rezgésszámainak különbsége az előállított hang a frekvenciájával adja meg.
Bermuda henger Mit csinálj? A pumpával fújj levegőt a vízoszlopba! Mire figyelj? Ha elég intenzív a pumpálás, a hajó süllyedni kezd. Mi a magyarázat? A folyadékban egy test akkor úszik, ha sűrűsége (átlagsűrűsége!) kisebb, mint a vízé. Azzal, hogy levegőbuborékokat juttattunk a vízbe, a víz átlagsűrűségét csökkentettük le, a hajó sűrűsége így már nagyobb, mint a fenntartó folyadéké, és a hajó elsüllyed. Az óceánok fenekén sok helyen vannak vulkánok, azaz repedések a Föld kérgén, ahol kibuggyan a forró, több ezer fokos láva. Ez felforralja a vizet, és más gázok is keletkeznek, amelyek buborékok formájában a felszínre törnek (hasonlóan, mint a mi kísérletünkben). Ez lehet az egyik magyarázata az Atlanti óceán egyik területén, a Bermuda háromszögben bekövetkezett rejtélyesnek látszó hajószerencsétlenségeknek. Ezért neveztük eszközünket „Bermuda hengernek”.
Légörvény-ágyú Mit csinálj? Célozd meg a kis asztalkán lévő műanyag poharat, húzd hátra a fogantyút, majd engedd el! Mire figyelj? Ha jól céloztál, a pohár lerepül az asztalkáról. Ha nem találtad el, figyeld, meg hogy a céltáblán hol mozdulnak meg a bolyhok? Oda lőttél. Célozz újra es lőj! Figyeld meg, hogy a lövés után hány másodperc elteltével ér célba a léglövedék! Ha füsttel töltjük meg az ágyút, akkor láthatók lesznek az örvénygyűrűk füstkarikák formájában. Ekkor megfigyelhetjük azt is, hogy haladó mozgásuk közben növekednek is a karikák. Mi a magyarázat? Mikor elengeded a fogantyút, a fólia előre csapódva lendületbe hozza a csőben lévő levegőt, melynek egy része a nyíláson kiáramlik. Az itt lévő éles peremen örvény képződik. A kialakuló örvénygyűrű hosszan megmarad, miközben előre halad. Ez borítja fel a poharat, és rezgeti meg a céltábla bolyhait. Az ágyúból kiáramló levegő irányába haladó örvény azért tud megmaradni több másodpercig, mert a benne nagysebességgel körbeáramló kisnyomású – és így hígabb – levegőben kicsi a súrlódás. Az örvényben gyorsan körbeáramló levegő dönti fel a poharakat, lebbenti meg a szalagokat.
Labda-egyensúlyozás levegőben Mit csinálj? Helyezd a labdát a légáram útjába! Figyeld meg a labda mozgását, lebegését! Mire figyelj? Hol kell elengedni a labdát, hogy biztosan a levegőben maradjon? Hol és mikor esik ki a labda a légáramból? Mi a magyarázat? A kör alakú nyíláson gyorsan kiáramló levegő tartja fenn a labdát. Az áramló levegő felfelé ható nyomóereje tart egyensúlyt a Föld gravitációs erejével. Oldalt azért nem esik le a labda, mert a légáram szélénél lassabban áramlik a levegő, és ennek nagyobb a nyomása, mint a középütt gyorsabban áramló levegőnek. A nyomáskülönbségből adódó nyomóerő a légáram közepe felé nyomja vissza a labdát.
Hangeffektek, késleltető Mit csinálj? Foglaljatok helyet a székeken, tegyétek fel a fejhallgatókat, és próbáljatok beszélgetni egymással! Mire figyelj? A saját és a partnered hangja meglehetősen késéssel jut a fejhallgatóba, mintha nagyon messziről beszélnétek egymással. Ráadásként még visszhangot is hallasz, így különösen nehéz a párbeszéd. Egy idő után, a hangok káoszában már egyáltalán nem tudtok beszélgetni. Mi a magyarázat? A mikrofonok egy miniatűr stúdióhoz csatlakoznak, ahol elektronikusan egy áramkör tárolja el a hangot, majd többször, visszhangszerűen lejátssza. Agyunk egy idő után nem képes ezeket az információkat feldolgozni, ezért hamar elveszítjük a beszélgetés fonalát. Ilyen hanghatásokat a zenészek használnak, effektgépeikkel tudják például a gitár hangját jellegzetesen zengővé vagy „hápogóvá” tenni.
Örvényáramú fék Mit csinálj? Emeld fel a gyűrűt, és engedd el a cső felső végénél! Mire figyelj? A gyűrű anélkül, hogy az alumíniumcsőhöz érne, a vártnál lassabban esik le. Mi a magyarázat? A gyűrűben erős állandó mágnesek vannak, amelynek mágneses mezője átjárja az alumínium csövet. Esés közben a csőben a változó mágneses mező feszültséget kelt, amitől a csőben áram folyik – ezt nevezzük örvényáramnak –, ettől a cső maga is mágnessé válik, és vonzani fogja az eső gyűrűt. A mágneses kölcsönhatás miatt a gyűrű lassabban esik le, mintha szabadon esne.
Nehézségi erő a Földön, a Holdon és a Marson Mit csinálj? Emeld meg a „Föld”, „Hold” és „Mars” feliratú – egyébként egyforma - súlyokat! Tartsad meg, majd mozgassad oldalirányban őket! Mire figyelj? A tárgyak különböző súlyúnak mutatkoznak (a gumikötél jóvoltából), tartani kettőt lényegesen kisebb erővel lehet (a „Mars” kb. fele, a „Hold” hatoda a Földi súlynak). Az oldalirányú mozgatásnak azonban hasonlóan „állnak ellent”, vagyis ugyanakkora sebességre való gyorsításukhoz ugyanakkora erőlökés kell. Mi a magyarázat? A testekben lévő anyagmennyiségnek két – lényegében különböző – tulajdonsága van. Az egyik, hogy egy másik test (esetünkben a Föld) vonzza, ez a testek súlya. A másik tulajdonsága a tehetetlensége, vagyis, ha ugyanakkora erővel hatunk különböző tömegű testekre, a gyorsulásuk fordított arányban áll a tömegükkel (Newton II. axiómája). Ha egy másik égitestre megyünk, annak más a tömege, más erővel vonzza ugyanazt a testet, vagyis más a súlya. De a tehetetlensége nem változik, a gyorsításnak ugyanúgy ellenáll, mint a Földön. A kísérletben a gumikötél ereje kompenzálta a „Föld”-höz képesti súlykülönbözetet a „Hold” és a „Mars” – egyébként egyforma – testeken.
Plazmagömb Mit csinálj? Nyomd be a piros gombot! Mire figyelj? A gömb belsejéből minden irányban kis”villámok” indulnak ki a gömb falához. Ha kezünket a gömbre helyezzük, a villámok oda „húznak”. Mi a magyarázat? A készülék belsejében egy elektronikus egység 15 000 V feszültséget állít elő, ez kapcsolódik az üveggömb középpontjában lévő elektródhoz. A gömbben kisnyomású gázkeverék van, amelyben a nagyfeszültség hatására elektromos kisülések keletkeznek: a semleges atomok ionokra és elektronokra szakadnak szét, áramvezető csatornák alakulnak ki. Itt az atomok gerjesztődnek, és a felesleges energiájuktól fény formájában szabadulnak meg, ezeket látjuk szikraként. Ha tenyerünket az üvegre helyezzük, a kisülés a testünkön keresztül történik, nagyon kevés áram folyik a bőrünkön át, ám ez veszélytelen: ún. nagyfrekvenciás áram folyik, ami nem hatol a testünkbe, csak a testfelületünkön, ezért érezzük a melegedést.
Parabolikus hangtükör Mit csinálj? Két parabola hangtükör van a teremben. Egyik társad halkan beszéljen bele a magasban lévő parabolikus hangtükör fókuszpontjához vezető cső végébe. Ezzel egy időben tedd a füled a teremben lévő másik hangtükör fókuszpontját jelölő gyűrűhöz. Majd cseréljetek! Te beszélj a lenti parabola hangtükör fókuszánál, s társad hallgassa a cső végén, amit mondtál. Mire figyelj? Figyeld meg, hogy csak a fókuszpont közelében hallod jól a társadat. Ha máshonnan beszélsz, akkor társad hiába hallgatódzik jó helyen. Azt is megfigyelheted, hogy a magasabb hangokat jobban hallod. Ha nagy a zaj, akkor természetesen hangosabban beszéljetek. A zajból ekkor is kiemelkedik társatok hangja, ha jó helyen, a fókusznál van a füle. Mi a magyarázat? A parabolikus hangtükör fókuszából kiinduló hanghullámok a parabola felületéről visszaverődve párhuzamos nyaláb formájában haladnak a másik parabola hangtükör felé. Erről a fókuszpontja irányába verődnek a hanghullámok. Az így összegyűjtött hangot halljuk ott meg. A teremből máshonnan érkező hangokat nem gyűjti össze a parabolikus hangtükör, ezért ezeket a hangokat nem rajta keresztül, hanem közvetlenül halljuk.
Polarizáció Mit csinálj? Fordítsd el a középső ablakot (polarizátort) úgy, hogy a legkevesebb fény haladjon át rajta (legsötétebb legyen az ablak)! Ezután alulról tedd be a fényforrás elé az ott található tárgyakat (vonalzó, fólia, plexi idom, szemüveg)! Mire figyelj? A tárgyakon színes csíkok jelennek meg. Görbítve a plexi idomot, változik a csíkok helye, színe. Mi a magyarázat? Minden hullámban valamilyen rezgés terjed a térben. A fényben gyorsan rezgő elektromos és a mágnesen tér terjed, és ezeknek a rezgéseknek iránya van: merőleges a terjedés irányára (és egymásra is). Az egyforma rezgési irányú fényt nevezzük polarizáltnak. A természetes fény általában nem polarizált, vagyis mindenféle rezgési irányú összetevő jelen van (keverék). A polarizátor olyan eszköz, amely kiválaszt egy rezgési irányt, a másik komponenst elnyeli (vagy visszaveri). Ha egy másik polarizátort úgy forgatunk el, hogy az első által kiválasztott rezgési irányra merőlegesen álljon (keresztezett polarizátor pár), nem jut át fény (vagy csak nagyon kevés). Ha a kettő közé átlátszó tárgyakat helyezünk, azok megváltoztatják az első polarizátoron átjutott – tisztán poláros fény – polarizációs állapotát, mégpedig a fény színétől függő mértékben. Ugyanis a szilárd anyagok legnagyobb részében belső feszültségek vannak, (például üvegben a készítésekor gyors lehűtés miatt, vagy a plexiben külső erőhatások eredményeként) amelyek irányokat jelölnek ki az anyagban. Ezekben az irányokban a fény terjedési sebessége a polarizációs iránytól függ, és az anyagból kilépve erősítik, vagy kioltják egymást, színes csíkok keletkeznek, mutatva a belső feszültségek elhelyezkedését az tárgyakon belül.
