44 Vetrovnik – raziskovalno delo mag. Jože Pernar Gimnazija Krško Povzetek Skupina dijakov na tehniški gimnaziji se je odločila uresničiti svojo idejo o izdelavi vetrovnika. Od ideje do učnega pripomočka ni minilo veliko časa, pridobljenega pa je bilo veliko znanja. Pričujoči prispevek predstavlja nekaj pri- merov vaj in predvsem raziskovalnih idej, ki so spremljale izdelavo naprave ali pa so bile posledica raziskovalnega učenja. Zagotovo ne gre za klasične vaje. Poglobljeno delo z vetrovnikom nudi marsikatero možnost učenja na zelo avtentičen način, ki se na trenutke približa tudi znanstvenim metodam. T ako se v prispevku bralec sreča z osnovnimi principi učinka zračnega upora na različnih telesih pa tudi s projektnimi deli izdelave izvirnih modelov. Krajši opisi so povezani s spletnimi vsebinami, ki omogočajo poglobljen vpogled v eksperimentalno-raziskovalno delo. Ključne besede: vetrovnik, upor, sile, raziskovalno delo, eksperimentalne vaje, tehniška gimanzija Wind Tunnel – Research Work Abstract A group of technical gymnasium students decided to realise their idea of creating a wind tunnel. The path from the idea to making this learning tool did not take much time, but the students gained a great deal of knowledge. The article introduces a few exercises and research ideas that were part of the creation of the wind tunnel and a result of the learning through research. These exercises are definitely not of a traditional type – a more in-depth work with the wind tunnel opened up many new learning opportunities in a very authentic way that comes close, in certain aspects, to scientific methods. The article thus describes the basic principles of air resistance on various bodies, from project works to original models. Shorter descriptions refer to online contents for more insight into experimental and research work. Keywords: wind tunnel, air resistance, forces, research work, experimental exercises, technical gymnasium Slika 1: Vetrovnik. Uvod Delati v okolju, kjer dijake vsebine zanimajo, je danes lahko velik privilegij. Avtomobilizem in letalstvo zani- mata večino dijakov tehniških usmeritev. Prav tehniška gimnazija je lahko priložnost za inženirske metode v fi- ziki. Zelo tesne in konkretne korelacije fizike in tehnike lahko pri dijakih sprožijo način razmišljanja, ki združu- je klasično eksperimentalno delo pri fiziki in na področ- ju strojništva, ki si ga izberejo kot izbirni predmet. Ob raziskovalnem delu in različnih poskusih so nasta- jale eksperimentalne vaje, ki se zdaj izvajajo pri rednih vajah pa tudi pri pripravah na maturo. Slika 2: Delovni listi eksperimentalnih vaj so objavljeni na: lab-vetrovnik.si [14]. Povezave na vaje omogočajo izvedbo ali zgolj poglobljen vpogled v obliko in način izvedbe vaj. V nadaljevanju so v skladu z razvojem naprave in omenjenim gradivom Fizika v šoli 45 Didaktični prispevki predstavljene izbrane eksperimentalno-raziskovalne aktivnosti. Od osnovnega določanja karakteristik po- gonskega sklopa, didaktičnega pristopa načina merjenja, klasičnih merjenj tipičnih oblik teles prek kvalitativnega opazovanja zračnih tokovnic, upora na modelih vozil, vzgona na letalska krila do primerov projektnega dela tako v razredu kot v mednarodnem okolju. Osnovna merjenja pogona Prva fizikalna merjenja spadajo bolj v čas izgradnje [1] primarnega dela vetrovnika. Določanje pogojev ter izbi- ra primernega pogona (slika 3) je bila ena ključnih nalog za uspešno delovanje naprave. Med nekaj pogonskimi sklopi se je bilo treba odločiti za najprimernejšega [2]. Upoštevati je bilo treba več kriterijev. Od teh so odvisna tudi nekatera merjenja, ki so pogoj za razumevanje in izračune v današnjih eksperimentalnih vajah. Diagram 1 prikazuje razmerje hitrosti zraka skozi me- rilno komoro v odvisnosti od napetosti pogona in posle- dične sile na model. Slika 3: Dimenzioniranje pogona. Slika 4: Pogonski sklop, anemometer ter satovje v ozadju. Diagram odvisnosti U(v) [V(m/s)] deluje dokaj stabilno. Karakteristika se je nekoliko spremenila z izbiro daljšega satovja, dodatnega pogona in cirkularnega toka (zaprti sistem). Diagram 1: Odvisnost hitrosti vetrovnika od gonilne napetost pogona (U(v)). Hitrost zraka je bila merjena z elektronskim anemo- metrom (slika 4) in Pitot-Prandtlovo cevjo. Primerjal- na merjenja so bila opravljena tudi z nitnim nihalom (slika 5). Pri slednjem se je pojavila zelo avtentična si- tuacija paralaktične napake [3] (slika 6). Iz te »težave« se je razvila eksperimentalna vaja, pri kateri dijaki zelo neposredno uvidijo, kako pride do velike merske napa- ke ob napačnem odčitku vrednosti. Slike 5: Merjenje hitrosti zraka z nihalom. Slika 6: Napaka pri merjenju kota. Slika 7: Pravilna lega odčitavanja kota odmika nihala. Ti osnovni podatki in količine omogočajo izračune mas- nega in prostorninskega pretoka, vpeljavo kontinuitetne enačbe oziroma uporabo Bernoullijeve enačbe. Pri tem odigra pomembno vlogo možnost spreminjanja moči pogona. T a omogoča tudi izredno majhne pretoke pri nizkih hitrostih. V projektu »V etrnica 2017« [4] se je ta lastnost vetrovnika pokazala kot odlična karakteristika. Timsko raziskovanje in izdelava vetrnic sta se pri naj- nižjih pogojih »vetra« sprevrgla v pravo raziskovalno tekmovanje. Slika 8: Klasična radialna vetrnica. Slika 9: Vetrnica z aksialno osjo gibanja. 46 Že zelo majhni detajli in spremembe pri obliki papir- natih vetrnic so se v merilni komori izkazali kot občutni dejavniki za večjo učinkovitost izkoristka zračnega toka v vetrovniku. Fizikalni modeli z enakim presekom Sila upora na določene oblike teles je tipična naloga iz nabora aktivnosti v vetrovnikih. Izdelava različnih mo- delov (slika 11) je predstavljala poseben rokodelski izziv. Merjenja pa so pokazala zelo dobre rezultate [3]. Dijaki lahko opravljajo standardno nalogo, v kateri ugotavljajo razliko v koeficientih zračnega upora. F u = 1/2 C u ρSv 2 Slika 10: Telo z najmanjšim uporom. Slika 11: Modeli osnovnih oblik. Izhodišče vseh teles – modelov je enako preseku S. T akš- no izhodišče omogoča izvedbo ter vse izračune tudi za nižje letnike in programe srednjega poklicnega izobra- ževanja. Naloga zahteva predhodno napoved, razume- vanje in interpretacijo izmerkov ter kasnejšo primerjavo rezultatov. Primerjava rezultatov se izvede med skupina- mi izvajalcev vaje ter z referenčnimi podatki koeficientov v literaturi. Laminarni tok – video analiza Ena najpopularnejših meritev v vetrovnikih je opazo- vanje zračnih tokovnic. V resnici ne gre za neposredno fizikalno merjenje, temveč za vizualno opazovanje dim- nih, megličnih ali celo mehurčnih tokovnic, ki obteka- jo model (slika 12). Video raziskava poleg kvalitativne analize omogoča tudi kvantitativne rezultate [5]. Pred- vsem zaradi zdravstvenih razlogov pri delu ni bil upora- bljen nobeden od naštetih medijev. Vredno je opozoriti na novejše podatke kemijske analize nekaterih snovi, iz katerih se proizvaja megla ali dim. Svilene niti kljub svo- ji masi ponudijo zanimive rezultate in dobro pokažejo podrobnosti turbulentnih tokov. Slika 12: Detajl vrtinčastih tokov svilenih niti na modelu kabrioleta. Z enako metodo je mogoče zelo uspešno opazovati tudi pojave zračnih tokovnic pri različnih nagibih modela le- talskega krila. Upor na modelih vozil Sloviti Enzo Ferrari je rekel: »Aerodinamika je za ljudi, ki ne znajo in ne zmorejo razviti motornega vozila.« A od takrat je minilo dovolj časa, da je danes vsakemu sre- dnješolcu jasno, kako pomembna je oblika, da ima vozi- lo čim manjšo silo zračnega upora in s tem doseže tem manjšo porabo goriva. Ponovno eno od merjenj (upora na modelnih vozilih), ki naj bi bilo tipično za vetrovnike v industriji. Avtentičnost modelov v merilu 1 : 18 je do- sežena z izbiro modelov iz zbirke kovinskih replik Bura- go. T estiranja od starodobnikov (diagram 2) do športnih vozil (diagram 3) in povsem vsakdanjih, komercialnih vozil dajo rezultate [6], ki so primerljivi s podatki indu- strijskih raziskovalnih ustanov. Slika 13: Merilnik sile. Fizika v šoli 47 Didaktični prispevki Pri izračunu koeficienta upora zraka se pojavi problem preseka teles. Natančna določitev tega je dokaj zahtevno opravilo, ki žal presega srednješolsko znanje in pred- vsem razpoložljivo tehnologijo. Generacija maturantov tehniške gimnazije 2015/16 je bila postavljena pred izziv: »Kako izmeriti presek vozi- la?« V ečina idej je temeljila na projekciji vozila na zas- lonu. Uporaba geometrijske optike se je izkazala kot zelo uporabna fizikalna vsebina. Računalniško zazna- vanje sence na zaslonu je bila nova korelacija s tehno- logijo IKT. Zakaj letalo leti? Tlak na krilu. Upor in vzgon. Dinamika tekočin je za srednješolsko fiziko dokaj trd oreh. Obtekanje zraka ob letalskem krilu pa je na sve- tovnem spletu in celo v izbrani strokovni literaturi razlo- ženo na osnovi različnih teorij. Žal v nekaterih primerih tudi zmotno. V ečino dvomov lahko dijak pojasni s testi- ranji različnih letalskih profilov krila in z meritvami v vetrovniku. Poizkusi s tokovnicami omogočajo zelo neposredno spoz- nanje pomena nagiba in lege krila (slika 15). Vizualno opazovanje lahko nadgradimo z merilnikoma sil [7]. Meritev vodoravne in navpične komponente sil (slika 14) omogoči kvantitativne podatke [8], s katerimi sta omogo- čena izris diagramov (4) in izračun pomembnih fizikal- nih količin (vzgon, upor, koeficient oblike …). Slika 14: Sili na letalsko krilo. Slika 15: Lege krila. Diagram 2: Starodobnik. Diagram 3: Športni model Ferrari. 48 Diagram 4: F vzg in F u pri različnih pogojih. Vrtinčasti tokovi in celo povratne smeri gibanja zraka so nekaj izjemnega. Pri tem gre za neposredno doživljanje poizkusa, ki se bistveno razlikuje od še tako dobre ra- čunalniške simulacije. S posebej izdelanim modelom in odprtinami – kanali (slika 17) na različnih mestih povr- šine krila lahko dijak neposredno izmeri tlak na različ- nih točkah obtekanja zraka [9]. T ako izmerjene različne vrednosti tlaka (slika 16) razjasnijo vse dvome o vzroku za pojav vzgonske sile. Slika 16: Merjenje tlaka na krilu. Slika 17: Kanali na krilu. Diagram 5: Polje tlaka. Izmerjeni rezultati nam omogočajo izris diagrama (5) polja tlaka. T a nam ponazori območja in vrednosti, ki jih povprečni srednješolec težko razume zgolj teoretično. Dinamična meritev – dron v vetrovniku Predstavitve in delavnice uporabe vetrovnika so segle tudi v tujino. Povabilo k sodelovanju je prispelo v sklopu mednarodnega projekta Drone T eam Erasmus+ [10], katerega nosilka je bila AIJU – T echnological Institute for children ‘s products & leisure SPAIN. Za skupino dijakov so bile dinamične meritve delujo- čega drona v vetrovniku (slika 18) pomembna izkušnja [11]. Opravljene so bile številne koristne meritve in pre- skušene številne prototipne ideje za pritrjevanje modela, način merjenja, zaznavanje in interpretacijo odločilnih podatkov, varovanje tako merjenca kot merilne komore ter zelo inovativni načini zajemanja podatkov. Slika 18: Delujoči dron v merilni komori. Slika 19: Vpliv vodoravnega toka. Zanimiv je bil odziv dijakov pri meritvi, ki je popolnoma presenetila. K omenjenemu projektu smo skušali pristo- piti znanstveno, s postavitvijo hipoteze o vplivu zračne mase na silo vzgona plovila (slika 19). Pri različnih hitrostih se je izkazalo, da bočni veter ozi- roma relativno gibanje plovila v vodoravni smeri pov- zroča povečanje sile vzgona (tabela 1). S povečevanjem hitrosti zraka se je večala vodoravna sila Fv. Prav tako pa se je večala tudi navpična sila Fp. Spremembe so bile nepričakovano velike. Hipoteza je bila ovržena. Tabela 1: Prikaz ene od serije merjenj, v kateri so razvidne spre- membe vpliva hitrosti na dvižno silo – vzgon (Fv). Vir (V) Hitrost (m/s) Fp (N) Fv (N) ∆F (N) Spre- memba (%) 1 4 2,92 –0,1436 –0,1782 0,0346 80 2 6 4,69 –0,1261 –0,1683 0,0422 75 3 8 6,18 –0,1093 –0,2091 0,0998 52 4 10 7,7 –0,1420 –0,2074 0,0658 68 5 12 8,85 –0,1149 –0,1655 0,0506 69 6 13 9,9 –0,1308 –0,2298 0,0990 57 Diagram 6: Diagram spremembe sile vzgona Fv. Fizika v šoli 49 Didaktični prispevki Prvih 11 sekund na diagramu 6 deluje plovilo s polno močjo in brez vpliva vodoravne hitrosti zraka. V etrovnik v tem času ne deluje. Po 11 sekundah tok zraka vetrov- nika poveča navpično komponento in s tem znatno spre- meni silo vzgona plovila. Znano je, da imajo različne oblike dronov različne vre- dnosti zračnega upora. Modeli oblike X imajo soraz- merno velik upor. Merjenja pri različnih nagibih in le- gah simulirajo situacije letenja in tudi skrajne situacije manevrov (slika 20). Slika 20: Različne lege plovila. Diagram 7: Najmanjša sila upora F u = 0,09457 N. Diagram 8: F u = 0,2304 N. Diagram 9: Največja sila upora F u = 0,4466 N. Diagrami 7, 8 in 9 prikazujejo sile upora zraka na različ- ne nagibe drona. Projekt »Avto – model« Interno projektno delo v razredu ni ravno udomačena metoda dela v naših šolah. Običajno se s tem načinom dela povezuje delo z drugimi deležniki. Najbolj so danes izpostavljeni mednarodni projekti, ki so že kar po pravi- lu tudi financirani (EU). Med oktobrom 2018 in marcem 2019 je 41 dijakov sred- njega strokovnega izobraževanja (strojni tehnik) iz- vedlo eksperimentalno-raziskovalno delo izdelave mo- dela vozila [12]. Vsak dijak je prejel kvader iz stirodura (slika 21). Slika 21: Kvadri stirodura. Slika 22: Rezanje z vročo žico. 50 Slika 23: Testiranje v merilni komori. Pričelo se je z idejno skico in čez nekaj mesecev končalo s končno meritvijo v vetrovniku (slika 23). Da bi bili po- goji za izračun in primerjavo koeficientov upora zraka enaki, so morali pri načrtovanju, oblikovanju in izdelavi obdržati osnovni presek modela. T orej niso smeli odsto- pati po treh določenih merah (dolžina, višina, širina). Praktično in ročno delo (slika 22) predstavlja dijakom izziv. Če pri tem sežemo še do nivoja raziskav, smo ujeli veter v polna jadra. T udi manj priljubljena izdelava teh- nične dokumentacije dobi pomen, ko gre za avtentičen izdelek in je avtorsko delo. Vsaka ideja in vsak model sta imela nekaj specifičnega. Široka paleta vrednotenja je omogočila veliko prostora za eksperimentiranje. Če do- kumentacija ni najbolje uspela, je obstajala možnost, da se skupna ocena izboljša s testiranji. Vsak posameznik je lahko našel svoje močno področje in se izkazal. T estira- njem in preskušanjem je sledila serijska meritev, ki je bila izvedena pod enakimi pogoji in z vsemi udeleženci. Do- bili smo najboljše v posameznih ocenah, a najpomemb- nejše je dejstvo, da so bili vsi uspešni. V etrovnik je omogočil čudovit interni projekt, ki je tra- jal nekaj mesecev in se končal z veliko merjenji in dob- rimi ocenami, naj je šlo za osebna mnenja ali za zapis v redovalnici. Kompetence Katere nove sposobnosti pridobijo dijaki s tovrstnim delom na vetrovniku? Vse cilje, ki so tako doseženi, je mogoče doseči tudi drugače. V erjetno tudi s klasičnim ponavljanjem, s kredo in tablo. Zagotovo pa je veli- ka razlika v pristopu in počutju. Na trenutke so lahko učitelji nekoliko manj suvereni, zato pa so dijaki bolj ustvarjalni in bolje razpoloženi. T emeljni cilj razisko- valno-eksperimentalnega dela je usposobiti dijaka za reševanje problemov, ki se pojavljajo pri obravnavi fizi- kalnih in tehničnih izzivov. Pri tem je ključnega pomena spoznavanje novih tehnologij in IKT. Ena glavnih nalog je pravilna interpretacija dobljenih podatkov in predsta- vitev rezultatov. Načrtno raziskovanje ali učenje z načrtom je pogosta oblika dela v naravoslovju. V našem primeru je nismo iskali, temveč nas je samo delo pripeljalo do opredelje- vanja, snovanja, načrtovanja, vrednotenja in ponovnega preoblikovanja. Zelo jasno so se kazali in v delu odra- žali cikli vračanja skozi spiralno rast napredka. Ključne kognitivne naloge pri reševanju realnih problemov so zahtevale generiranje idej, pripravo prototipnih reši- tev in modelov prek načrtovanja pa vse do preskušanja. Pridobljene veščine pa tudi kognitivne spremembe (nov pristop k reševanju problemov) so dobra popotnica za nadaljnji študij in pozneje za službo [1]. Prihodnost dela z vetrovnikom Kljub vse pogostejšim virtualnim pristopom (simulacije in animacije) ima tovrstno bazično raziskovalno in ek- sperimentalno delo svetlo prihodnost. Kronološki pre- gled aktivnosti kaže jasen trend povečevanja aktivnih ur. Vsako leto ga uporablja več dijakov in število obra- tovalnih ur narašča. Dijaki so napravo sprejeli in jo radi uporabljajo, naj gre za redne eksperimentalne vaje, raz- iskovalno delo pri pripravah na maturo ali za različne aktivnosti zunaj rednega pouka. Ideja za prihodnost je usmerjena v razvoj, ki bi omogočil širšo upora- bo vetrovnika. Za tako imenovani eksperiment na daljavo (angl. remote experiment) bo verjetno potrebnih več sredstev, znanja in časa. Ne gre zgolj za idejo. Izdelan je koncept (sli- ka 25), ki bi omogočil uporabo opreme tudi drugim šolarjem po Sloveniji. V naših šolah verjetno ni veliko tovr- stne opreme. T emeljni cilj tega dela pa je ne- dvomno popularizacija Slika 24: Modeli. Fizika v šoli 51 Didaktični prispevki znanosti – fizike in tehnike. T udi pričujoči prispevek je namenjen temu. Zaključek Izkušnje kažejo, da tovrstne naloge in raziskovalni način dela dijakom programa tehniških usmeritev omogočajo višjo raven uporabnega znanja. Naj bo to izdelava doku- mentacije, ki jo pripravljajo za nek konkreten izdelek in po svoji zamisli, ali pa praktično delo na izdelku, ki ga spreminjajo – izboljšujejo po lastnih željah. Sklop do- ločenih nalog in opravil vsakemu posamezniku ponuja možnost, da se »izkaže« na področju, ki ga obvlada. Ob tovrstnem delu lahko doživimo tudi očitek, da se ne držimo učnega načrta ali celo da to ni resno delo, saj se »igramo« z avtomobilčki. Skoraj po pravilu ti isti izposta- vljajo motivacijo in problem odgovornosti do učenja. Le učiteljeva spretnost in znanje iskanja srednje poti med tako imenovano igro in učenjem sta trdno zagotovilo za uspešno in zanimivo učenje. Izkušnje kažejo, da se s tovrstnim delom klasični model ponavljanja enakih vsebin in metod dela počasi, a vztraj- no pomika v ozadje. Z vsako učno enoto in navidezno zaključeno vsebino se pri tej obliki dela odpirajo nove ideje in vsebine. Učenje se evolucijsko razvija glede na trenutne potrebe, želje in ideje. Ob načrtovanju in izgradnji vetrovnika [13] in kasneje ob raziskovalnem delu [14] sta kontinuirano nastaja- li tudi spletni strani, ki omenjene aktivnosti prikažeta še nazorneje in v nekaterih primerih tudi ponazorita z živo sliko. Viri [1] Prispevek na 4. konferenci učiteljev naravoslovnih predmetov – NAK 2017, 26. in 27. oktobra 2017, Laško. https://www.zrss.si/nak2017/gradiva/Fizika-4-raziskovalni-vetrovnik-Pernar.pdf [2] http://lab-vetrovnik.si/merjenja_pogon.html [3] http://www2.arnes.si/~sssknm6/vetrovnik1/jango/theme/fizikalni_modeli.html [4] http://www2.arnes.si/~sssknm6/vetrovnik1/jango/theme/vetrnica2017.html [5] http://www2.arnes.si/~sssknm4/vetrovnik/tokovnice_okno.html [6] http://www2.arnes.si/~sssknm6/vetrovnik1/jango/theme/upor_vozila.html [7] https://www.vernier.com/ [8] http://www2.arnes.si/~sssknm6/vetrovnik1/jango/theme/sile_krilo.html [9] http://www2.arnes.si/~sssknm6/vetrovnik1/jango/theme/tlacno_krilo.html [10] Projekt »Drone Team«: http://www.droneteamproject.eu/ [11] http://www2.arnes.si/~sssknm4/vetrovnik2/jango/theme/dron.html [12] Projekt »Avto-model«: http://www2.arnes.si/~sssknm6/vetrovnik1/jango/theme/avto_model. html [13] http://www2.arnes.si/~sssknm4/vetrovnik/index.html (22. 3. 2018). [14] http://lab-vetrovnik.si/ (28. 3. 2019). Tabela 2: Ocenjevalni list. Aktivnost/ Dijak Idejna risba ali skica Izdelava načrta Obdelava izdelka Testiranja Merjenje Rezultat merjenja koeficienta upora Dokumen- tacija Video »bonus« Skupna ocena Dijak 1 Dijak 2 Slika 25: Eksperimentalno delo na daljavo.