Robotická stavebnice FISCHERTECHNIK Technical revolutions - 508776 Vynálezce Za použití této sady se můžete nejen naučit mnoho poznatků o technické revoluci, ale také si můžete vyzkoušet experimenty naživo. Věci, které změnily svět. Jen je sestavte a ozkoušejte. Přitom se ujmete role vynalézavého kutila. Možná pocítíte ducha génia, který obklopuje vynálezce. Takže teď můžete začít, abyste se naučili víc o lidech, kteří stojí za mnoha vynálezy. Vynálezy jsou všude kolem vás. Jen se podívejte zblízka na věci u vás doma. Žárovka na stropě, televize v obýváku, telefon na chodbě, lednice, vysavač a mnoho dalšího. I knihtisk musel být vynalezen, aby se mohly knihy tisknout ve velkém množství. Jen díky němu držíte nyní v ruce tuto přítučku. Říkáte, že je to všechno velmi jednoduché? Jenže to všechno muselo nejprve někoho napadnout. Edison - profesionální vynálezce Jedním z lidí, kteří si nechali mnoho vynálezů patentovat, byl Thomas Alva Edison. Asi nejvíce je známý jako vynálezce žárovky. Během svého života Edison vytvořil 2000 vynálezů a 1093 amerických patentů. Nicméně ne všechny vytvořil sám, ale často za pomocí mnoha zaměstnanců svojí společnosti. Mnoho vynálezů bylo pouze dalším vylepšením zařízení jiných vynálezců. Například žárovku vymyslel jako první jistý Heinrich Göbel. Věděli jste to? Nejednalo se o původní Edisonův nápad! On jej ale vylepšil, aby mohly sloužit pro každodenní použití. A hlavně si je nechal hned patentovat. To je pochopitelně velmi důležité. Žilo mnoho vynálezců, o nichž dnes nikdo nemluvil, protože si nenechali svoje vynálezy patentovat. Nebo ještě hůř - udělali to příliš pozdě. Gray nebo Bell? V roce 1860 ve Friedrichsdorfu poblíž Frankfurtu nad Mohanem (Německo) učitel fyziky ukázal svým žákům malý pokus. Pomocí modelu ušního bubínku způsobil, že rozvibroval elektrický obvod. Přenesl tyto vibrace přes kabel do cívky z měděného drátu v malé dřevěné krabičce, která učinila vibrace slyšitelnými. Takto jako první vytvořil funkční elektrické telefonní spojení. Jmenoval se Philipp Reis. Nikdy jste o něm neslyšeli? Jistě je to kvůli tomu, že si zařízení nenechal patentovat a také jej neměl v úmyslu použít jako telefon. Ale jeden Američan to udělal o zhruba 15 let později. Dozvěděl se o zařízení Philippa Reise, vylepšil jej a nechal si jej patentovat. Takto to udělal Elisha Gray správně. Slyšeli jste o něm někdy, o Elishu Grayovi, vynálezci telefonu? Ne? On si totiž nechal patentovat telefon příliš pozdě. Někdo tam byl už před ním a také si podal patent na telefon - jen dvě hodiny před ním. Jmenoval se Alexander Graham Bell. Od té doby je považován za vynálezce telefonu. Zvláštní je, že zařízení, které si tehdy nechal patentovat, ani nefungovalo. Bell pouze zjistil, že jiní lidé pracují na podobném zařízení, takže si šel rychle patentovat svůj dosud nedokončený přístroj. Bezpečnostní výtah Přemýšleli jste někdy o tom, co by se stalo, kdybyste jeli výtahem a jednou se přetrhnul kabel, na němž je zavěšena kabinka? Během mezinárodní průmyslové výstavy v New Yorku jistý muž šokoval shromážděný dav, když stál dost vysoko na plošině výtahu a přesekl jediný kabel, který plošinu držel. Plošina klesla pouze o kousek, než se úplně zastavila. Revoluční nová nouzová brzda tohoto chytrého mechanika zajistila, že plošina nespadla až na zem. "Vše je v pořádku, pánové!" oznámil tento muž. To se stalo v roce 1854 a muž na plošině byl Elisha Graves Otis (1811-1861, narozen v Halifaxu, Vermont, USA), vynálezce a jmenovec společnosti zabývající se výtahy, která existuje dodnes. Předtím lidé neradi jezdili do vrchních pater budov. S vynálezem bezpečnostního výtahu se vše obrátilo. Byty v horních patrech budov byly náhle "in" a poptávka se zvyšovala. To urychlilo stavbu vysokých budov a tak změnilo tvář velkých měst. Mrakodrapy se staly symbolem moci a úcty a jsou znakem městské krajiny dodnes. Dnes jistě vstupujete do výtahu s jinými pocity. Rozhlédněte se a hledejte název OTIS. Od této chvíle si jistě vždy vzpomenete na odvážného mechanika z New Yorku. Úkol. Pohrajte si trochu s rychlostí spouštění výtahu. Pouštějte provázek mezi prsty pomalu a poté rychle. Kdy se spustí bezpečnostní brzda? Proč se spustí jen, když pustíte provázek rychle?
Elektrický motor Elektrický motor nebyl vynalezem náhle. Dalo by se říct, že měl mnoho "otců". Nejprve bylo nutné si uvědomit důležitý vztah mezi elektrickou energií a megnetismem. 1819 - Hans Christian Ørsted objevil, že elektřina generuje magnetismus. 1821 - Michael Faraday dokázal, že elektromagnetismus se pohybuje v kruhu kolem drátu. Bez tohoto efektu by se elektromotor netočil. 1822 - Peter Barlow vyvinul Barlowovo kolečko, které je pojmenováno po něm. Jednalo se o předchůdce elektrického motoru. 1834 - Technik Hermann Jacobi nyvrhnul první technicky použitelný motor. Zapojil motor na loď pro šest osob a přeplul řeku při 220 wattech výkonu. To bylo první použití elektrického motoru v praxi. 1837 - Američan Thomas Davenport obdržel první patent na světě pro elektrický motor 25. února 1837. Jeho motor poháněl několik strojů a vůz.
Když postavíte model elektrického motoru, ujistěte se, že je magnet přímo pod cívkou a konce drátů cívky nejsou ohnuté. Jinak cívka nepoběží hladce a motor nebude pracovat správně. Když je vše složeno a zapojeno a vy trochu strčíte do cívky, udiví vás, že se točí jako bláznivá a vypadá, jako kdyby ji poháněla neviditelná ruka. Dobrá, už tedy víte, jakou roli hrají elektřina a magnetismus. Co přesně tu ale děje? Princip je ve skutečnosti neuvěřitelně jednoduchý. Jistě jste si všimli, že když máte v ruce dva magnety, tak se buď přitahují nebo odpuzují v závislosti na tom, jak je držíte. Efekt vychází z magnetických polí, která obklopují každý magnet. Mají směr proudění, který rozhoduje o tom, který pól je severní a který jižní. Stejné póly se odpuzuji a rozdílné přitahují. V tomto modelu je vestavěn jeden magnet (1). Druhým magnetem je cívka, která se stane elektromagnetem v okamžiku, kdy skrz ni projde proud. Pokud vyšlete elektřinu skrze cívku, pak vytvoří magnetické pole (2) se severním a jižním pólem. Stejné póly se vzájemně odpuzují a tak se cívka snaží vzdálit. Protože se ale může jen točit, točí se. Než se otočí do optimálního stavu, ve kterém k sobě budou směřovat rozdílné póly, odpojíme elektřinu proudící do cívky (podívejte se na konec drátu, napájí pouze jednu polovinu. Nicméně díky pohybové energii, která byla cívce udána, se bude točit ještě o kus dál, dokud opět nebude zapojena elektřina a hra opět začíná. Generátor a dynamo Elektrický motor a generátor jsou velmi podobné stroje, které pracují pouze jako protějšky. Elektrický motor vytváří pohyb z elektřiny, zatímco generátor vytváří elektřinu z otáčivého pohybu. Teoreticky byste mohli také vytvářet elektřinu pomocí vašeho modelu elektrického motoru. Nicméně byste kvůli tomu museli roztočit cívku na opravdu hodně vysokou rychlost, pokud byste chtěli, aby maličká žárovka vytvořila alespoň trošku světla. To pracuje lépe s modelem generátoru podle instrukcí k sestavení, který vytváří otáčivý pohyb díky převodovce před sebou. Nicméně, toto je účinné jen pro maličkou žárovku. Větším problémem zde je slabý magnet. Počátky elektrického inženýrství K zamyšleni Udělejte to jako Edison. Vezměte již existující vynález a vylepšete to. Víte, jak vyřešit problém s příliš slabým
magnetem? Víte o magnetu, který můžete udělat silnějším? Vraťte se k předchozí části a podívejte se na schématický diagram. Jsou tu popsány dva různé magnety. Který je silnější? Přišli jste na to? Pak jste chytří jako Werner Siemens (1816-1892, narozen v Hanoveru, Německo, poručík od dělostřelectva a zakladatel Siemens AG). Stejný nápad dostal v roce 1866. Namísto trvalých magnetů zapojil elektromagnety, které geniálně napájel částí elektřiny, kterou vyráběl sám generátor. Tímto způsobem se magnetické pole samo posiluje. Více elektřiny -> více magnetické síl -> více elektřiny a tak dále. Samonapájení se také nazývá dynamo-elektrický princip. Na obrázku vpravo jsou cívky elektromagnetů 1 a 2 zřetelně zapojeny do elektrického obvodu. S dynamem bylo konečně možné vytvářet mnohem silnější elektrický proud a hlavně i levněji, než dříve. Jednalo se o začátek elektrického inženýrství. Stále větší počet strojů mohl být nyní efektivně poháněn elektřinou. Lokomotivy, výtahy, tramvaje, důlní vozíky a další věci byly vybaveny elektrickými motory a celé ulice byly jasně osvětleny elektrickými světly.
Helikoptéra Heinrich Focke (1890-1979, narozen v Bremenu, Německo) byl průkopníkem vývoje helikoptér. Neúnavný výzkumník, který byl fascinován technologií a létáním. Studoval mechanické inženýrství v Hanoveru. V roce 1924, ve věku pouhých 34 let založil v Bremenu Focke-Wulf-Flugzeugbau AG a v roce 1937 první továrnu na helikoptéry na světě. K roku 1933 postavil zhruba 140 letadel s pevnými křídly. Jeho letouny byly technicky vysoce pokročilé a snadno se s nimi létalo. Byly tak dobré, že s nimi bylo učiněno i několik leteckých rekordů! K přelomu došlo v roce 1934. Úspěšně vzlétl první prototyp helikoptéry, FW61. Díky tomu vznikla první funkční helikoptéra na světě. Tajemství létání Tvar křídla směřuje proud vzduchu a tím způsobem vytváří sílu, která zvedá letadlo vzhůru. To je tajemství létání. Ptáci to znali dávno před námi. Tuto sílu můžete zvýšit nahnutím křídla. Tomu se říká zvýšení úhlu náběhu. To vidíte například při startu a přistání letadel. Nyní se tedy přesuneme k helikoptéře. V zásadě funguje zcela stejně. Křídla, v tomto případě listy rotoru, mají profil jako normální letadlo. Ale jak může vrtulník nahnout listy rotoru? Neustále se točí neskutečnou rychlostí! Když postavíte tento model, odhalíte i toto tajemství. Při tomto procesu měníte úhěl náběhu všem listům rotoru. Mechanické řešení K řízení výšky slouží ovládací páka (1), která je běžně umístěna nalevo od pilotova sedadla. Pokud pákou pohnete, tak se společná pozice listů (2) změní. To znamená, že úhel náběhu (3) všech listů rotoru se změní a díky tomu se změní možnost nadnášení. Pohněte pákou nahoru = zvýšíte úhel náběhu = zvýšíte nadnášení. Nebo jednoduše - helikoptéra stoupá.
Stěrač Je studený zmní den v New Yorku roku 1902. Mladá žena sedí v tramvaji a vidí, jak řidič jeden s otevřeným čelním sklem, aby dobře viděl, protože padá mrznoucí déšť. Myslí si, že to přeci jde řešit i jinak. Podle jejích nákresů měla ručně ovládané zařízení, kterým čistila sklo v místním obchodě. Jmenovala se Mary Andersonová (1866-1953, narozena v Greene County, Alabama, USA, realitní makléřka, farmářka, vinařka) a vynalezla stěrač. V zásadě se jedná o paži, kterou se pohybuje za pomoci páky uvnitř tramvaje. Když nabídla stěrač jedné známé kanadské společnosti, řekli jí, že si nemyslí, že s tímhle udělali výnosný obchod. V roce 1920 automobilový průmysl převzal návrh jako součást standardního vybavení. Patent Mary Andersonové už ale vypršel. Úkol: Jako poslední ze tří modelů stěrače sestavte ten z prvního obrázku. Představte si, že jste vynalezli variantu k opačným otáčením. Jdete s tím za výrobcem automobilů a ten si myslí, že je to skvělý nápad a chce jej od vás koupit. Nicméně stěrače neběží proti sobě, ale společně! Jak mu tento stěrač vyrobíte? (Řešení je na poslední straně.)
Stěrač používaný např. v autobusech
Příklad stěrače z např. Mercedes-Benz
Normální design pro osobní auta
Odstředivý regulátor Pro začátek malý detail: James Watt (1738-1819, narozen v Greenocku, Skotsko) nevynalezl parní stroj, ale znatelně vylepšil parní pumpu, která byla vynalezena v roce 1705 Thomasem Newcomensem. Díky tomu začal velký rozvoj parních strojů. 1775: James Watt založil v Anglii spolu s Matthewem Boultonem první továrnu na parní stroje na světě. V roce 1788 Watt použil poprvé odstředivý regulátor, aby udržel stálou pracovní rychlost parního stroje, který vylepšil. Jmenovitě, pokud běžel příliš rychle, mohlo se snadno stát, že se zničil kvůli přetížení neboli vám jinými slovy vybuchl do obličeje. Odstředivý regulátor zvyšoval spolehlivost a díky tomu ještě více rozšířil použití parního stroje. Textilní stroje a vodní pumpy byly následovány parními lokomotivami. Průmyslová revoluce - nebolí změna světa za pomoci strojů - byla spuštěna rozšířením parního stroje. Jako pocta Jamesi Wattovi po něm byla pojmenována jednotka měření výkonu. Nyní ke způsobu fungování vašeho modelu: Normálně je točivý pohyb parního stroje přenášen na odstředivý generátor, například pomocí řemenu. Jelikož nejspíš nemáte k dispozici parní stroj, budete jej simulovat pomocí obyčejné kliky. Když je stroj zastaven, pajsou odstředivá závaží (1) dole a záklopka (2) pro zásobováni párou je plně otevřená. Pokud se stroji dostane páry a spustí tak běh, pak se začne odstředivý generátor točit a zvedne odstředivá závaží. Díky tomu zvedaví mechanismus (3) zpomalí zásobování párou a sníží rychlost otáček. To se děje, dokud není dosaženo konstantní rychlosti otáčení, jakémusi vyvážení, Nebo jednoduše řečeno, čím rychleji stroj běží, tím méně páry je mu dodáváno. Úkol: Chcete to trochu rozpálit a parní motor urychlit. Abyste tak učinili, musíte sledovat závaží na odstředivém regulátoru. Musíte je udělat těžší nebo lehčí?
Telegraf Pokud dnes chcete rychle někomu něco říct, prostě mu zavoláte, napíšete e-mail, SMS nebo se bavíte po chatu. Dříve jste se takhle rychle mohli s někým bavit, jen pokud seděl vedle vás. Dopisu to trvalo, v závislosti na vzdálenosti, několik dní nebo i měsíců. Později, když bylo možné použít elektřinu, někoho napadlo podílat signály po kabelu. Jak ale na druhé straně rozluštit zprávu? Jednoduché řešení napaslo amerického malíře. Písmenům abecedy přidělil série krátkých a dlouhých pulzů proudu. Mimochodem, počítače dnes fungují velmi podobně, ale namísto teček a čárek používají jedničky a nuly. Signály se posílaly pomocí speciálního spínače a na druhé straně linky se zapisovaly jako tečky a čárky. Kódová abeceda se nazývá Morseův kód nebo též Morseovka, po svém tvůrci, Samuelovi Morsem. Samuel Morse byl učitelem malby, sochařství a kreslení. Navzdory tomu nevymyslel pouze Morseovku, ale také v roce 1837 první použitelný telegraf. Nicméně měl k dispozici pouze zbytky drátů, plíšků a nástěnné hodiny. Bylo potřeba pět let experimentování, než byl přístroj připravený na patentování. Poté, co se stal telegraf úspěšným, založil vlastní telegrafickou společnost. Telegrafické linky byly zavedeny mezi městy a zeměmi a nakonec i mezi kontinenty, například mezi Evropou a Amerikou. Pro tento účel byly přes Atlantik položeny hlubokomořské kabely v roce 1858. Jen si představte, jak dlouhý to musel být kabel! V té době pro to neexistovala žádná dostatečně velká loď. Kabel musel být rozdělen na dva kusy, každý na jiné lodi, které začaly pokládat každá z jiného kontinentu a nakonec byly obě poloviny spojeny dohromady na moři. Úkol: Co znamená série znaků "···- - -···"? Vyřešte podle klíče vpravo. Vymyslete vlastní slova a celé věty, které odešlete telegrafem. Příjemně je může číst díky blikání žárovky. Tip: Najděte delší kabel a žárovku umístěte do jiné místnosti. Poté, co si posílání signálů natrénujete, můžete posílat signály v noci pomocí baterky. Kardanová hřídel Nebýt tohoto spojení, mnoho věcí kolem nás by se neotáčelo. Podíváme se na to ale od začátku. V roce 1501 se v Miláně narodil chlapec, který se měl jednou velmi proslavit. Bylo to za časů renesance, které se tak říkalo, protože se jednalo o probuzení umění, vědy a společnosti. Mnoho umělců a vědců, jako Michelangelo, Galileo a Leonardo da Vinci a také Cardano se proslavili díky svým nebývalým úspěchům. Cardano byl jistě nejslavnějším lékařem své doby, protože mezi jeho pacienty se počítali králové a princové. Navíc byl také matematikem a vynálezcem. Provedl význačné objevy v teorii pravděpodobnosti. Ještě předtím, než o tom napsal knihu, využíval svých znalosti k podvádění ve hrách, dokud neměl dost peněz, aby si mohl zaplatit lékařská studia. A teď něco k hřídeli, kterou vymyslel. Problém: V pohonných technologicích je ve většině případů motor a stroj, který je třeba poháněn. Často jsou oba prvky v určité vzdálenosti od sebe, ne ve stejné výšce a také se pohybují vpřed a vzad. Pokud byste je propojili pevnou hřídeli, tak by se nevyhnutelně zlomila. Na druhou stranu ohebná hřídel by velkou sílu přenášela jen slabě. Řešení: Hřídel, která je ohebná, stejně jako stabilní. Pohonná hřídel k univerzálními kloubem nebo kardanová hřídel. Úkol: Umístěte hřídel do různých pozic, zapněte motor a sledujte pohyb, který musí kloub dělat v různých pozicích, které zahrnují velké ohýbání. Není úžasné, jak můžete ohnout otáčivý pohyb za roh? Ozkoušejte limity. Připevněte hřídel k držáku, který se nemůže otáčet, zapněte motor a opatrně zjistěte, jak moc se hřídel
může ohnout.
Perpetuum mobile Každý rok dostane Evropský patentní úřad přes sto návrhů pro stroje, které jakmile spustíte, budou pokračovat v chodu na věky věků a ještě o den déle. Mnoho lidí se během stovek let pokusilo vytvořit stroj, který by se věčně pohyboval. V roce 748 například popsal takový nápad indický astronom. O čtyři sta let později jeho rodák, Bhaskar II, matematik, to zkusil. Pokoušeli se o to chytří lidé, dokonce i géniové. V patnáctém století nakreslil Leonardo da Vinci takový stroj. Je velmi podobný modelu ve vaší sadě. Zkuste to jako Leonardo da Vinci. Úkol: Nejprve se zamyslete, jak by to mohlo fungovat. Která část by měla poskytovat pohon? Proč by se měly stavební kostky, které jsou skloněné dolů, otočit nahoru? Složte model dohromady a uveďte jej do pohybu prudkým popostrčením. Podle principu páky by měly stavební kostky (1), které jsou vytažené dál od středu, vyvinou na otočný disk vyšší sílu a tak vytáhnout nahoru stavební kostky (2), které jsou otočené dolů a mají kratší délku paže, nahoru. Zní to opravdu dobře. Ale proč to i přesto nefunguje? Po několika pokusech Leonardo da Vinci došel k závěru, že perpetum mobile nelze vyřešit mechanickou cestou. Nicméně v roce 1845 lékař Julius Robert von Mayer objevil, že to není možné ani elektricky, hydraulicky nebo jinak. Když se snažil zázračný stroj sám vyrobit, vymyslel zákon zachování energie. V uzavřeném systému energie nezaniká, pouze je přeměněna. Proto energii jako třeba kinetickou energii, nelze vytvořit z ničeho. V méně fyzikálních pojmech: Z ničeho se stane jen nic. V případě pohybu se nějaká síla dokonce i "ztratí". Lépe řečeno je přeměněna, například v tření a tepelnou energii. To je odvozeno z kinetické energie a na konci se stroj vždy zastaví - jako v případě vašeho modelu. Nakonec tedy téma perpetua mobile škrtáme ze seznamu - alespoň z vědeckého hlediska. Vlasový vlhkoměr Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799, narozen v Ženevě, Švýcarsko, jako první člověk vyšplhal na Matterhorn) strudoval přírodní vědy a byl tak dobrý, že ve věku pouhých 22 let se stal profesorem filozofie na Ženevské univerzitě. Nicméně nebyl pouze velmi chytrý, ale taky sportovec a turista. Jeho vědecká zvídavost ho neustále táhla na hory, kde prováděl vědecké experimenty. V roce 1787 dokonce dobyl nejvyšší horu Alp, Mont Blanc o výšce 4810 metrů. Na vrcholku změřil kromě jiného varný bod vody, teplotu sněhu a pulz svého horského průvodce. Někdy také sám vynalezl zařízení, která potřeboval k měření, například vlhkoměr. S ním můžete měřit vzdušnou vlhkost, což znamená procento vodních par ve vzduchu. Vodní kapky, mlha nebo sníh nejsou součástí. Jistě se ptáte, k čemu to je. Vzdušná vlhkost na nás totiž má vliv.
Nízká vzdušná vlhkost - Prádlo schne rychleji. - Zvyšuje se riziko nachlazení, protože vysychá sliznice v nose. - Pole vysychají a rostliny vadnou. Vysoká vzdušná vlhkost - Zvyšuje se pravděpodobnost deště. - Uvnitř bytu se zvyšuje riziko vzniku plísně. - Při vysokých teplotách je dusno, které způsobuje nevolnost. Úkol: - Nastavte indikátor na vašem vlhkoměru na zhruba polovinu měřítka (1). Abyste tak učinili, posuňte stavební kostku (2). - Dejte přes model navlhčený hadřík, aby byl zcela zakryt. - Po pár minutách hadřík sundejte. Kde je indikátor teď a proč změni směr? Indikátor se pohnul směrem nahoru. Pod hadříkem se zvýšila vzdušná vlhkost na hodnotu 95 %. Vlákno vlhkoměru absorbuje vlhkost a roztáhne se. Když hadřík sundáte, vlákno se vysuší a zkrátí. (Proces vysušení můžete urychlit pomocí fénu.)
Řešení úkolu se stěračem:
GM electronic spol. s r.o.
Robotická stavebnica FISCHERTECHNIK Technical revolutions - 508776 Vynálezca Za použitia tejto sady sa môžete nielen naučiť veľa poznatkov o technickej revolúcii, ale tiež si môžete vyskúšať experimenty naživo. Veci, ktoré zmenili svet. Len je zostavte a otestujte. Pritom sa ujmete úlohy vynaliezavého kutila. Možno pocítite ducha génia, ktorý obklopuje vynálezca. Takže teraz môžete začať, aby ste sa naučili viac o ľuďoch, ktorí stoja za mnohými vynálezy. Vynálezy sú všade okolo vás. Len sa pozrite zblízka na veci u vás doma. Žiarovka na strope, televízia v obývačke, telefón na chodbe, chladnička, vysávač a mnoho ďalšieho. Aj kníhtlač musel byť vynájdený, aby sa mohli knihy tlačiť vo veľkom množstve. Len vďaka nemu držíte teraz v ruke túto přítučku. Hovoríte, že je to všetko veľmi jednoduché? Lenže to všetko muselo najprv niekoho napadnúť. Edison - profesionálne vynálezca Jedným z ľudí, ktorí si nechali veľa vynálezov patentovať, bol Thomas Alva Edison. Asi najviac je známy ako vynálezca žiarovky. Počas svojho života Edison vytvoril 2000 vynálezov a 1093 amerických patentov. Avšak nie všetky vytvoril sám, ale často za pomocou mnohých zamestnancov svojej spoločnosti. Mnoho vynálezov bolo iba ďalším vylepšením zariadenia iných vynálezcov. Napríklad žiarovku vymyslel ako prvý istý Heinrich Göbel. Vedeli ste to? Nejednalo sa o pôvodné Edisonov nápad! On ho ale vylepšil, aby mohli slúžiť pre každodenné použitie. A hlavne si ich nechal hneď patentovať. To je pochopiteľne veľmi dôležité. Žilo mnoho vynálezcov, o ktorých dnes nikto nehovoril, pretože si nenechali svoje vynálezy patentovať. Alebo ešte horšie - urobili to príliš neskoro. Gray alebo Bell? V roku 1860 vo Friedrichsdorf neďaleko Frankfurtu nad Mohanom (Nemecko) učiteľ fyziky ukázal svojim žiakom malý pokus. Pomocou modelu ušného bubienka spôsobil, že rozvibroval elektrický obvod. Preniesol tieto vibrácie cez kábel do cievky z medeného drôtu v malej drevenej krabičke, ktorá urobila vibrácie počuteľnými. Takto ako prvý vytvoril funkčný elektrické telefónne spojenie. Volal sa Philipp Reis. Nikdy ste o ňom nepočuli? Iste je to kvôli tomu, že si zariadenie nenechal patentovať a tiež ho nemal v úmysle použiť ako telefón. Ale jeden Američan to urobil o zhruba 15 rokov neskôr. Dozvedel sa o zariadenie Philippa Reise, vylepšil ho a nechal si ho patentovať. Takto to urobil Elisha Gray správne. Počuli ste o ňom niekedy, o Elisha Gray, vynálezcovia telefónu? Nie? On si totiž nechal patentovať telefón príliš neskoro. Niekto tam bol už pred ním a tiež si podal patent na telefón - len dve hodiny pred ním. Volal sa Alexander Graham Bell. Od tej doby je považovaný za vynálezcu telefónu. Zvláštne je, že zariadenie, ktoré si vtedy nechal patentovať, ani nefungovalo. Bell len zistil, že iní ľudia pracujú na podobnom zariadení, takže si išiel rýchlo patentovať svoj dosiaľ nedokončený prístroj. Bezpečnostný výťah Premýšľali ste niekedy o tom, čo by sa stalo, keby ste išli výťahom a raz sa pretrhol kábel, na ktorom je zavesená kabínka? Počas medzinárodnej priemyselnej výstavy v New Yorku istý muž šokoval zhromaždený dav, keď stál dosť vysoko na plošine výťahu a presekol jediný kábel, ktorý plošinu držal. Plošina klesla len o kúsok, než sa úplne zastavila. Revolučná nová núdzová brzda tohto šikovného mechanika zabezpečila, že plošina nespadla až na zem. "Všetko je v poriadku, páni!" oznámil tento muž. To sa stalo v roku 1854 a muž na plošine bol Elisha Graves Otis (1811-1861, narodený v Halifaxe, Vermont, USA), vynálezca a menovec spoločnosti zaoberajúce sa výťahy, ktorá existuje dodnes. Predtým ľudia neradi jazdili do vrchných poschodí budov. S vynálezom bezpečnostného výťahu sa všetko obrátilo. Byty v horných poschodiach budov boli náhle "in" a dopyt sa zvyšovala. To urýchlilo stavbu vysokých budov a tak zmenilo tvár veľkých miest. Mrakodrapy sa stali symbolom moci a úcty a sú znakom mestskej krajiny dodnes. Dnes určite vstupujete do výťahu s inými pocitmi. Rozhliadnite sa a hľadajte názov OTIS. Od tejto chvíle si iste vždy spomeniete na odvážneho mechanika z New Yorku. Úloha. Pohrajte sa trochu s rýchlosťou spúšťania výťahu. Púšťajte povrázok medzi prstami pomaly a potom rýchlo. Kedy sa spustí bezpečnostná brzda? Prečo sa spustí len, keď pustíte povrázok rýchlo?
Elektrický motor Elektrický motor nebol vynález náhle. Dalo by sa povedať, že mal veľa "otcov". Najprv bolo nutné si uvedomiť dôležitý vzťah medzi elektrickou energiou a megnetismem. 1819 - Hans Christian Ørsted objavil, že elektrina generuje magnetizmus. 1821 - Michael Faraday dokázal, že elektromagnetizmus sa pohybuje v kruhu okolo drôtu. Bez tohto efektu by sa elektromotor netočil. 1822 - Peter Barlow vyvinul Barlowova koliesko, ktoré je pomenované po ňom. Jednalo sa o predchodcu elektrického motora. 1834 - Technik Hermann Jacobi nyvrhnul prvá technicky použiteľný motor. Zapojil motor na loď pre šesť osôb a preplával rieku pri 220 wattoch výkone. To bolo prvé použitie elektrického motora v praxi. 1837 - Američan Thomas Davenport obdržal prvý patent na svete pre elektrický motor 25. februára 1837. Jeho motor poháňal niekoľko strojov a voz.
Keď postavíte model elektrického motora, uistite sa, že je magnet priamo pod cievkou a konce drôtov cievky nie sú ohnuté. Inak cievka nepobeží hladko a motor nebude pracovať správne. Keď je všetko zložené a zapojené a vy trochu strčíte do cievky, udiví vás, že sa točí ako bláznivá a vyzerá, ako keby ju poháňala neviditeľná ruka. Dobrá, už teda viete, akú úlohu zohrávajú elektrina a magnetizmus. Čo presne tu ale deje? Princíp je v skutočnosti neuveriteľne jednoduchý. Iste ste si všimli, že keď máte v ruke dva magnety, tak sa buď priťahujú alebo odpudzujú v závislosti na tom, ako je držíte. Efekt vychádza z magnetických polí, ktorá obklopujú každý magnet. Majú smer prúdenia, ktorý rozhoduje o tom, ktorý pól je severný a ktorý južnej. Rovnaké póly sa odpudzujú a rozdielne priťahujú. V tomto modeli je vstavaný jeden magnet (1). Druhým magnetom je cievka, ktorá sa stane elektromagnetom v okamihu, keď skrz ňu prejde prúd. Ak vyšlete elektrinu skrze cievku, potom vytvorí magnetické pole (2) sa severným a južným pólom. Rovnaké póly sa navzájom odpudzujú a tak sa cievka snaží vzdialiť. Pretože sa ale môže len točiť, točí sa. Než sa otočí do optimálneho stavu, v ktorom k sebe budú smerovať rozdielne póly, odpojíme elektrinu prúdiace do cievky (pozrite sa na koniec drôtu, napája iba jednu polovicu. Avšak vďaka pohybovej energii, ktorá bola cievke udaná, sa bude točiť ešte o kus ďalej , kým opäť nebude zapojená elektrina a hra opäť začína. Generátor a dynamo Elektrický motor a generátor sú veľmi podobné stroje, ktoré pracujú len ako náprotivky. Elektrický motor vytvára pohyb z elektriny, zatiaľ čo generátor vytvára elektrinu z otáčavého pohybu. Teoreticky by ste mohli tiež vytvárať elektrinu pomocou vášho modelu elektrického motora. Avšak by ste kvôli tomu museli roztočiť cievku na naozaj veľa vysokú rýchlosť, ak by ste chceli, aby maličká žiarovka vytvorila aspoň trošku svetla. To pracuje lepšie s modelom generátora podľa inštrukcií na zostavenie, ktorý vytvára otáčavý pohyb vďaka prevodovke pred sebou. Avšak, toto je účinné len pre maličkú žiarovku. Väčším problémom tu je slabý magnet. Počiatky elektrického inžinierstva Na zamyslenie Urobte to ako Edison. Vezmite už existujúce vynález a vylepšite to. Viete, ako vyriešiť problém s príliš slabým magnetom? Viete o magnetu, ktorý môžete urobiť silnejším? Vráťte sa k predchádzajúcej časti a pozrite sa na
schematický diagram. Sú tu popísané dva rôzne magnety. Ktorý je silnejší? Prišli ste na to? Potom ste chytrí ako Werner Siemens (1816-1892, narodený v Hanoveri, Nemecko, poručík od delostrelectva a zakladateľ Siemens AG). Rovnaký nápad dostal v roku 1866. Namiesto trvalých magnetov zapojil elektromagnety, ktoré geniálne napájal častí elektriny, ktorú vyrábal sám generátor. Týmto spôsobom sa magnetické pole samo posilňuje. Viac elektriny -> viac magnetické síl -> viac elektriny a tak ďalej. Samonapájaný sa tiež nazýva dynamo-elektrický princíp. Na obrázku vpravo sú cievky elektromagnetov 1 a 2 zreteľne zapojené do elektrického obvodu. S dynamom bolo konečne možné vytvárať oveľa silnejší elektrický prúd a hlavne aj lacnejšie, než predtým. Jednalo sa o začiatok elektrického inžinierstva. Stále väčší počet strojov mohol byť teraz efektívne poháňaný elektrinou. Lokomotívy, výťahy, električky, banské vozíky a ďalšie veci boli vybavené elektrickými motormi a celej ulice boli jasne osvetlené elektrickými svetlami. Helikoptéra Heinrich Focke (1890-1979, narodený v Brémy, Nemecko) bol priekopníkom vývoja helikoptér. Neúnavný výskumník, ktorý bol fascinovaný technológiou a lietaním. Študoval mechanické inžinierstvo v Hanoveri. V roku 1924, vo veku 34 rokov založil v Bremen Focke-WulfFlugzeugbau AG a v roku 1937 prvú továreň na helikoptéry na svete. K roku 1933 postavil zhruba 140 lietadiel s pevnými krídlami. Jeho letúny boli technicky vysoko pokročilé a ľahko sa s nimi lietalo. Boli tak dobré, že s nimi bolo urobené aj niekoľko leteckých rekordov! K prelomu došlo v roku 1934. Úspešne vzlietol prvý prototyp helikoptéry, FW61. Vďaka tomu vznikla prvá funkčný helikoptéra na svete. Tajomstvo lietanie Tvar krídla smeruje prúd vzduchu a tým spôsobom vytvára silu, ktorá dvíha lietadlo nahor. To je tajomstvo lietanie. Vtáky to poznali dávno pred nami. Túto silu môžete zvýšiť nahnutím krídla. Tomu sa hovorí zvýšenie uhlu nábehu. To vidíte napríklad pri štarte a pristátí lietadiel. Teraz sa teda presunieme k helikoptére. V zásade funguje úplne rovnako. Krídla, v tomto prípade listy rotora, majú profil ako normálny lietadlo. Ale ako môže vrtuľník nahnúť listy rotora? Neustále sa točí neskutočnú rýchlosťou! Keď postavíte tento model, odhalíte aj toto tajomstvo. Pri tomto procese mení uhol nábehu všetkým listom rotora. Mechanické riešenia K riadeniu výšky slúži ovládacia páka (1), ktorá je bežne umiestnená naľavo od pilotova sedadla. Ak pákou pohnete, tak sa spoločná pozícia listov (2) zmení. To znamená, že uhol nábehu (3) všetkých listov rotora sa zmení a vďaka tomu sa zmení možnosť nadnášanie. Pohnite pákou nahor = zvýšite uhol nábehu = zvýšite nadnášanie. Alebo jednoducho - helikoptéra stúpa. Stierač Je studený zmení deň v New Yorku roku 1902. Mladá žena sedí v električke a vidí, ako vodič jeden s otvoreným čelným sklom, aby dobre videl, pretože padá mrznúci dážď. Myslia si, že to predsa ide riešiť aj inak. Podľa jej nákresov mala ručne ovládané zariadenie, ktorým čistila sklo v miestnom obchode. Volala sa Mary Andersonová (1866-1953, narodená v Greene County, Alabama, USA, realitné maklérka, farmárka, vinařka) a vynašla stierač. V zásade sa jedná o paži, ktorou sa pohybuje za pomoci páky vnútri električky. Keď ponúkla stierač jednej známej kanadskej spoločnosti, povedali jej, že si nemyslí, že s týmto urobili výnosný obchod. V roku 1920 automobilový priemysel prevzal návrh ako súčasť štandardného vybavenia. Patent Mary Andersonovej už ale vypršal. Úloha: Ako posledný z troch modelov stierače zostavte ten z prvého obrázku. Predstavte si, že ste vynašli variantu k opačným otáčaním. Idete s tým za výrobcom automobilov a ten si myslí, že je to skvelý nápad a chce ho od vás kúpiť. Avšak stierače nebeží proti sebe, ale spoločne! Ako mu tento stierač vyrobíte?
(Riešenie je na poslednej strane.)
Stierač používaný napr. v autobusoch
Príklad stierače z napr. Mercedes-Benz
Normálny design pre osobné autá
Odstredivý regulátor Pre začiatok malý detail: James Watt (1738-1819, narodený v Greenocku, Škótsko) nevynašiel parný stroj, ale znateľne vylepšil parný pumpu, ktorá bola vynájdená v roku 1705 Thomasom Newcomensem. Vďaka tomu začal veľký rozvoj parných strojov. 1775: James Watt založil v Anglicku spolu s Matthewom Boulton prvú továreň na parné stroje na svete. V roku 1788 Watt použil prvýkrát odstredivý regulátor, aby udržal stálu pracovnú rýchlosť parného stroja, ktorý vylepšil. Menovite, ak bežal príliš rýchlo, mohlo sa ľahko stať, že sa zničil kvôli preťaženiu čiže vám inými slovami vybuchol do tváre. Odstredivý regulátor zvyšoval spoľahlivosť a vďaka tomu ešte viac rozšíril použitie parného stroja. Textilné stroje a vodné pumpy boli nasledované parnými lokomotívami. Priemyselná revolúcia - nebolí zmena sveta za pomoci strojov - bola spustená rozšírením parného stroja. Ako pocta Jamesovi Wattovi po ňom bola pomenovaná jednotka merania výkonu. Teraz k spôsobu fungovania vášho modelu: Normálne je krútiaci pohyb parného stroja prenášaný na odstredivý generátor, napríklad pomocou remeňa. Keďže zrejme nemáte k dispozícii parný stroj, budete ho simulovať pomocou obyčajnej kľuky. Keď je stroj zastavený, pajsou odstredivá závažia (1) dole a záklopka (2) pre zásobovanie parou je plne otvorená. Ak sa strojmi dostane pary a spustí tak beh, potom sa začne odstredivý generátor točiť a zdvihne odstredivá závažia. Vďaka tomu zvedaví mechanizmus (3) spomalí zásobovania parou a zníži rýchlosť otáčok. To sa deje, až kým sa nedosiahne konštantná rýchlosti otáčania, akémusi vyváženie, Alebo jednoducho povedané, čím rýchlejšie stroj beží, tým menej pary je mu dodávané. Úloha: Chcete to trochu rozpáliť a parný motor urýchliť. Aby ste tak urobili, musíte sledovať závažia na odstredivom regulátora. Musíte ich urobiť ťažšie alebo ľahšie? Telegraf Ak dnes chcete rýchlo niekomu niečo povedať, proste mu zavoláte, napíšete email, SMS alebo sa bavíte po chatu. Predtým ste sa takto rýchlo mohli s niekým baviť, len ak sedel vedľa vás. Listu to trvalo, v závislosti od vzdialenosti, niekoľko dní alebo aj mesiacov. Neskôr, keď bolo možné použiť elektrinu, niekoho napadlo Podiel signály po kábli. Ako ale na druhej strane rozlúštiť správu? Jednoduché riešenie napásli amerického maliara. Písmenám abecedy pridelil séria krátkych a dlhých pulzov prúdu. Mimochodom, počítače dnes fungujú veľmi
podobne, ale namiesto bodiek a čiarok používajú jednotky a nuly. Signály sa posielali pomocou špeciálneho spínača a na druhej strane linky sa zapisovali ako bodky a čiarky. Kódová abeceda sa nazýva Morseův kód alebo tiež Morseovka, po svojom tvorcovia, Samuelovi Mors. Samuel Morse bol učiteľom maľby, sochárstva a kreslenie. Napriek tomu nevymyslel iba morzeovky, ale aj v roku 1837 prvý použiteľný telegraf. Avšak mal k dispozícii len zvyšky drôtov, plieškov a nástenné hodiny. Bolo potreba päť rokov experimentovanie, než bol prístroj pripravený na patentovanie. Potom, čo sa stal telegraf úspešným, založil vlastnú telegrafickou spoločnosť. Telegrafické linky boli zavedené medzi mestami a krajinami a nakoniec aj medzi kontinentmi, napríklad medzi Európou a Amerikou. Pre tento účel boli cez Atlantik položené hlbokomorské káble v roku 1858. Len si predstavte, ako dlhý to musel byť kábel! V tej dobe pre to neexistovala žiadna dostatočne veľká loď. Kábel musel byť rozdelený na dva kusy, každý na inej lodi, ktoré začali pokladať každá z iného kontinentu a nakoniec boli obe polovice spojené dohromady na mori. Úloha: Čo znamená série znakov "··· - - - ···"? Vyriešte podľa kľúča vpravo. Vymyslite vlastné slová a celé vety, ktoré odošlete telegrafom. Príjemne ich môže čítať vďaka blikanie žiarovky. Tip: Nájdite dlhší kábel a žiarovku umiestnite do inej miestnosti. Potom, čo si posielanie signálov natrénujete, môžete posielať signály v noci pomocou baterky. Kardanová hriadeľ Nebyť tohto spojenia, veľa vecí okolo nás by sa neotáčalo. Pozrieme sa na to ale od začiatku. V roku 1501 sa v Miláne narodil chlapec, ktorý sa mal raz veľmi presláviť. Bolo to za čias renesancie, ktoré sa tak hovorilo, pretože sa jednalo o prebudení umenia, vedy a spoločnosti. Mnoho umelcov a vedcov, ako Michelangelo, Galileo a Leonardo da Vinci a tiež Cardano sa preslávili vďaka svojim nebývalým úspechom. Cardano bol iste najslávnejším lekárom svojej doby, pretože medzi jeho pacientmi sa počítali králi a princovia. Navyše bol tiež matematikom a vynálezcom. Vykonal význačné objavy v teórii pravdepodobnosti. Ešte predtým, než o tom napísal knihu, využíval svojich znalosti na podvádzanie v hrách, kým nemal dosť peňazí, aby si mohol zaplatiť lekárska štúdia. A teraz niečo k hriadeľu, ktorú vymyslel. Problém: V pohonných TECHNOLOGIC je vo väčšine prípadov motor a stroj, ktorý je potrebné poháňaný. Často sú obaja prvky v určitej vzdialenosti od seba, nie v rovnakej výške a tiež sa pohybujú vpred a vzad. Ak by ste ich prepojili pevnou hriadeli, tak by sa nevyhnutne zlomila. Na druhú stranu ohybná hriadeľ by veľkú silu prenášala len slabo. Riešenie: Hriadeľ, ktorá je ohybná, rovnako ako stabilný. Pohonná hriadeľ k univerzálnymi kĺbom alebo kardanová hriadeľ. Úloha: Umiestnite hriadeľ do rôznych pozícií, zapnite motor a sledujte pohyb, ktorý musí kĺb robiť v rôznych pozíciách, ktoré zahŕňajú veľké ohýbanie. Nie je úžasné, ako môžete ohnúť otáčavý pohyb za roh? Otestujte limity. Pripevnite hriadeľ k držiaku, ktorý sa nemôže otáčať, zapnite motor a opatrne zistite, ako veľmi sa hriadeľ môže ohnúť. Perpetuum mobile Každý rok dostane Európsky patentné úrad cez sto návrhov pre stroje, ktoré akonáhle spustíte, budú pokračovať v chode na veky vekov a ešte o deň dlhšie. Mnoho ľudí sa počas stoviek rokov pokúsilo vytvoriť stroj, ktorý by sa večne pohyboval. V roku 748 napríklad popísal taký nápad indický astronóm. O štyristo rokov neskôr jeho rodák, Bhaskar II, matematik, to skúsil. Pokúšali sa o to chytrí ľudia, dokonca aj géniovia. V pätnástom storočí nakreslil Leonardo da Vinci taký stroj. Je veľmi podobný modelu vo vašej sade. Skúste to ako Leonardo da Vinci. Úloha: Najprv sa zamyslite, ako by to mohlo fungovať. Ktorá časť by mala poskytovať pohon? Prečo by sa mali stavebné kocky, ktoré sú sklonené dole, otočiť hore? Zložte model dohromady a uveďte ho do pohybu prudkým popostrčením.
Podľa princípu páky by mali stavebné kocky (1), ktoré sú vytiahnuté ďalej od stredu, vyvinú na otočný disk vyššiu silu a tak vytiahnuť nahor stavebné kocky (2), ktoré sú otočené dole a majú kratšiu dĺžku paže, hore. Znie to naozaj dobre. Ale prečo to aj napriek tomu nefunguje? Po niekoľkých pokusoch Leonardo da Vinci dospel k záveru, že perpetum mobile nedá vyriešiť mechanickou cestou. Avšak v roku 1845 lekár Julius Robert von Mayer objavil, že to nie je možné ani elektricky, hydraulicky alebo inak. Keď sa snažil zázračný stroj sám vyrobiť, vymyslel zákon zachovania energie. V uzavretom systéme energie nezaniká, iba je premenená. Preto energiu ako napríklad kinetickú energiu, nemožno vytvoriť z ničoho. V menej fyzikálnych pojmoch: Z ničoho sa stane len nič. V prípade pohybu sa nejaká sila dokonca aj "stratí". Lepšie povedané je premenená, napríklad v trenia a tepelnú energiu. To je odvodené z kinetickej energie a na konci sa stroj vždy zastaví - ako v prípade vášho modelu. Nakoniec teda téma perpetum mobile škrtáme zo zoznamu - aspoň z vedeckého hľadiska. Vlasový vlhkomer Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799, narodený v Ženeve, Švajčiarsko, ako prvý človek vyšplhal na Matterhorn) strudoval prírodné vedy a bol tak dobrý, že vo veku iba 22 rokov sa stal profesorom filozofie na Ženevskej univerzite. Avšak nebol len veľmi šikovný, ale taky športovec a turista. Jeho vedecká zvedavosť ho neustále tiahla na hory, kde vykonával vedecké experimenty. V roku 1787 dokonca obsadil najvyššiu horu Álp, Mont Blanc s výškou 4810 metrov. Na vrcholku zmeral okrem iného varný bod vody, teplotu snehu a pulz svojho horského sprievodcu. Niekedy tiež sám vynašiel zariadenie, ktoré potreboval na meranie, napríklad vlhkomer. S ním môžete merať vzdušnú vlhkosť, čo znamená percento vodných pár vo vzduchu. Vodné kvapky, hmla alebo sneh nie sú súčasťou. Iste sa pýtate, k čomu to je. Vzdušná vlhkosť na nás totiž má vplyv. Nízka vzdušná vlhkosť - Bielizeň schne rýchlejšie. - Zvyšuje sa riziko prechladnutia, pretože vysychá sliznica v nose. - Pole vysychajú a rastliny vädnú. Vysoká vzdušná vlhkosť - Zvyšuje sa pravdepodobnosť dažďa. - Vo vnútri bytu sa zvyšuje riziko vzniku plesne. - Pri vysokých teplotách je dusno, ktoré spôsobuje nevoľnosť. úloha: - Nastavte indikátor na vašom vlhkomeru na zhruba polovicu mierky (1). Aby ste tak urobili, posuňte stavebné kocku (2). - Dajte cez model navlhčenú handričku, aby bol úplne zakrytý. - Po pár minútach handričku zložte. Kde je indikátor teraz a prečo zmeňte smer? Indikátor sa pohol smerom nahor. Pod handričkou sa zvýšila vzdušná vlhkosť na hodnotu 95%. Vlákno vlhkomeru absorbuje vlhkosť a roztiahne sa. Keď handričku zložíte, vlákno sa vysuší a skráti. (Proces vysušenie môžete urýchliť pomocou fénu.)
Riešení úlohy sa stieračom:
GM electronic spol. s r.o.
