ÉpÍtsÜnk ŰrszondÁt! fizikatanÍtÁs...
Post on 06-Sep-2020
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Környezetfizika
229
ÉPÍTSÜNK ŰRSZONDÁT! - FIZIKATANÍTÁS ÉRDEKESEN
Hudoba György Óbudai Egyetem, Alba Regia Egyetemi Központ, Székesfehérvár,
hudoba.gyorgy@arek.uni-obuda.hu,
az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója
ÖSSZEFOGLALÁS
Egy űrszonda modell építése gyakorlati, tevékenység orientált oktatást tesz lehetővé, mely
során az építésben részt vevő diákok összehangolt technológiák láncolatán keresztül a
természetudomány számos területével együttesen találkoznak. A cikk bemutatja az oktatási
célú kísérleti űrszondamodell építő program szerepét a fizikaoktatásban.
BEVEZETÉS
A 20. század hatalmas technikai fejlődést hozott, így korunkat hol atom-, hol űrkorszaknak
is szokták nevezni. Az eredetileg katonai célra kifejlesztett eszközök és technológiák
átszivárogtak a civil szférába (pl. számítógép, okostelefon, mikrohullámú sütő, GPS, MRI,
CAT,…), aminek köszönhetően mindennapi életünk teljesen átformálódott, kényelmesebbé
vált.
Az eredmények továbbviteléhez, a fejlődés fenntartásához és megújulásához a lassan
kiöregedő korosztálytól a fiataloknak fokozatosan át kell venniük a stafétabotot. A 21.
századba lépve napjainkban viszont azt tapasztaljuk, hogy a korábbi lelkesedés lelohadt, a
mérnöki és kutatói életpályák iránti érdeklődés vészesen csökken, a fiatalok hátat fordítanak a
műszaki és a természettudományi szakoknak, amire az elhibázott, folyamatos tantervi
módosítások még rá is dupláznak. A fent vázolt problémák orvoslására ad egyfajta választ a
15-től 21 éves korosztály számára meghirdetett kísérleti, gyakorló űrszonda építési program,
összefoglaló nevén a HUNVEYOR-projekt.
A KÍSÉRLETI, GYAKORLÓ ŰRSZONDA ÉPÍTŐ PROGRAM ÉS CÉLJAI
A kísérleti gyakorló űrszonda építési program a HUNVEYOR elnevezést kapta, amely a
„Hungarian UNiversity SurVEYOR‖ megnevezésből alkotott mozaikszó. Az első két tag
jelentése magától értetődő, az utolsó tag pedig azt jelzi, hogy mintául az ember Holdra
szállását előkészítő amerikai SURVEYOR-7 holdkutató robot szolgált.
Az űrszonda építés alapgondolata az ELTE-n született meg 1997-ben. A programhoz Pécs
és Szombathely után Székesfehérvár 2001-ben negyedikként csatlakozott, így űrszonda
modellünk a 4-es indexet kapta. A továbbiakban többnyire a HUNVEYOR-4 kísérleti,
gyakorló űrszonda építő programra szorítkozunk.
„A Föld környezetét végleg elhagyó űreszközöket űrszondáknak, vagy bolygóközi
szondáknak nevezzük. Céljuk a Naprendszer égitestjeinek megközelítése és helyszíni
vizsgálata, illetve a bolygóközi tér tanulmányozása.‖[1]
Természetesen senki nem gondolhatja komolyan, hogy a HUNVEYOR-4 elhagyja a
Földet. Nem is az a célja, mint azt a „gyakorló‖ jelző is mutatja. A HUNVEYOR-4 project
valódi célja az, hogy a hallgatókat bevonja az Intézetben folyó tudományos kutató és fejlesztő
munkába, valamint hosszú távon értelmes, hangulatos és vonzó keretet biztosítson, az ún.
project, TDK és diplomamunkáknak. Célja, hogy a hallgatók gyakorlatot szerezzenek a
Környezetfizika
230
mérnöki tervező munkában, szervezésben és kivitelezésben, ismerkedjenek meg a legújabb,
korszerű technikákkal és technológiákkal, gyakorlatot szerezzenek a "team-munkában". Az
egyes működő modulokkal ellátott szondával a tanulók kísérleteket, komplex adatgyűjtést, s
planetáris analóg helyszíneken terepgyakorlatokat végezhetnek.
Az nem célunk, hogy egy kész, befejezett űrszonda álljon elő. Maga az építés, a mérnöki
feladatmegoldó tevékenység gyakorlása illetve gyakoroltatása a cél, akár a már meglevő
egységek esetleges ismételt újratervezése és megépítése révén, követve a műszaki fejlődést, a
folyamatosan megjelenő újabb és újabb technikákat és technológiákat, nem felejtve el
mindennek az alapját, a fizikai jelenségek és törvényszerűségek mélyebb megismerését és
ezen ismeretek megszilárdítását.
A HUNVEYOR kísérleti, gyakorló űrszonda modell összetett robotikai oktatási eszköz,
melynek tervezése, építése és használata felvonultatja a különböző anyagokat, eszközöket,
mérési és informatikai technológiákat. A projekt a tudomány számos területét integrálja, mint
például a fizikát, elektronikát, számítógépes alkalmazás- és web-programozást, modellezést,
vagy akár animációk készítését. A szonda laboratóriumi és planetáris analóg terepgyakorlatok
során végzett tesztelése és használata, mint pl. hőmérséklet, szélsebesség, szélirány,
besugárzás monitorozása, szálló por mágneses anyag tartalmának vizsgálata, talaj pH mérés,
… stb. a fizikai környezet jobb megismerését célozza. A valódi, komplex szituációkat, nem
csupán a laboratóriumi, lecsupaszított, „steril‖ fizikát.
AZ ŰRSZONDA MODELL STRUKTÚRÁLIS FELÉPÍTÉSE
A HUNVEYOR-4 egy Internet felől elérhető és azon keresztül kezelhető mérési adatgyűjtő
robotszonda.
1. ábra. A HUNVEYOR-4 struktúrája.
Környezetfizika
231
A kezelő a böngészőjével felkapcsolódik az Internetre, és kapcsolatot teremt az ún. „Földi
Irányító Központ‖-tal, amely az intézmény szerverén fut. Itt kapott helyet a Postgre SQL
adatbázis is, mivel a szonda erőforrásai korlátozottak. A Földi Irányító Központ egy
XML/RPC protokollon keresztül lép kapcsolatba magával a HUNVEYOR-4-el, mely egy
Debian linux operációs rendszer alatt fut. Az XML/RPC protokollt megvalósító programot
(szervert) mindkét oldalra már a hallgatók írták. A parancs formátuma szabványosított:
2. ábra. Az XML/RPC parancsok szabványosított formája.
Az ábrán szereplő rövidítések:
1. ADDR - a kiválasztott egység címe
2. LG - parancshossz (a DI mezőtől kezdődően)
3. DI - eszköz azonosító (Device Identifier)
4. RESP - ha 0, csak hallgató, ha 1, válasz szükséges
5. CMD - parancskód
6. DATA - adatmező (az LG mezőben meghatározott hosszon)
Az űrszondán az EMU-val (Environment Monitoring Unit) jelölt műszercsoport a szonda
és környezetének fizikai paramétereit mérő eszközök, melyek a szabvány I2C műszer
interfészre vannak felfűzve. Ilyen mérési adatok pl. a hőmérséklet, légnyomás, páratartalom, a
gázelemző szonda adatai, szélirány és szélsebesség, megvilágítottság és annak spektrális
összetétele, környezeti zajszint, szálló por mérése, részecske/gamma sugárzás (beütésszám),
villámdetektor és a három láb végén elhelyezett rezgésmérők adatai. A szondán elhelyezett
webkamerák felhasználói parancsra körbe forgathatók. A kamerák léptetőmotorjainak,
valamint egyéb eszközök (pl. LED spektrométer, jelzőfények, .. stb.) vezérlése a párhuzamos
port bitjeinek segítségével történik. A HUSAR (Hungarian University Surface Analyzer
Rower) elnevezés egy rádió távirányítású, markoló karral ellátott talajminta gyűjtő kiskocsit
takar.
AZ ŰRSZONDA MODELL ÉPÍTÉS SZEREPE A FIZIKAOKTATÁSBAN
A HUNVEYOR projekt számos lehetőséget nyújt a fizikai ismeretek megszerzésére és
elmélyítésére. Kezdhetjük rögtön azzal, hogy ha valamilyen mennyiség (hőmérséklet,
szélsebesség, … stb.) mérésére mérőeszközt kell tervezni, először is alaposan meg kell
ismerni a mérendő mennyiséget. A konkrét eszköz megépítése során a komplexitásból
fakadóan elkerülhetetlenül olyan újabb és újabb problémák lépnek fel, melyek megoldása
további fizikai ismeretek elsajátítását igényli. A következőkben kiragadunk néhányat a szonda
építőelemei közül, s csupán vázlatszerűen felsorolunk néhány, a fizikával kapcsolatos
fogalmat vagy jelenséget mellyel a diák ezen építőelem kapcsán szembesül. A mérőeszközök
egy részét a diákok készítették, más esetben vásárolt szenzort vagy kész eszközt illesztettek a
rendszerbe. A fizikával való találkozás ilyen esetekben az egyes mérőeszközök bemérése,
hitelesítése, kalibrálása során, valamint a fentiekben felsorolt eszközök mérési adatainak
elemzése, kiértékelése révén valósult meg.
Környezetfizika
232
A szonda fémváza:
3. ábra. A szonda aluminiumból kézült váza.
Kapcsolódó fizikai fogalmak: erők, vektorok, stabilitás, állásszilárdság, nyomás, húzó-
nyomó, nyíró feszültség, makroszkópikus anyagi állandók, hőtágulás, rezgések
„Szélkakas”:
4. ábra A szélirány és szélsebesség mérő egység
Kapcsolódó fizikai fogalmak: hőmérséklet és mérési módszerei ,légáramlás – lamináris és
turbulens, szélsebesség és szélirány mérése, légnyomás – tengerszinten és magasságfüggése
Pascal és Bernoulli törvénye, besugárzás és a sugárzás spektrális összetétele, villámdetektálás,
elektrosztatika és elektromágnese hullámok
Webkamera:
5. ábra. A forgatható webkamera.
Kapcsolódó fizikai fogalmak: optika: geometriai és hullámoptika, leképezés és leképezési
hibák, a fény detektálása, a fény és anyag kölcsönhatása, a fény kvantumos tulajdonsága
fotonelmélet, a CCD működési elve
Környezetfizika
233
LED-spektrométer:
6. ábra. Különböző színű LED-ekből, mint fényforrásokból és egy detektorból álló
spektrométer.
Kapcsolódó fizikai fogalmak: az elektromágneses spektrum, az anyagok spektrális
tulajdonságai, abszorpció, transzmisszió, reflexió, a félvezetők fizikája: a félvezetők
sávmodellje, elektronok és lyukak, P és N típusú félvezetők, PN-átmenet, elektron-lyuk
rekombináció, fényemittáló diódák (LED-ek)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
muan
yagk
upak
timso
vizk
o
porcu
kor
vatta
feher
lap
liszt
gipsz
hungar
ocell
7. ábra. A LED spekrométerrel felvett néhány, az emberi szem számára egyaránt fehérnek
látszó anyag spektruma.
Részecskesugárzás detektor:
8. ábra. Az I
2C buszra illesztett, kereskedelmi forgalomban vásárolt sugárzásdetektor.
Kapcsolódó fizikai fogalmak: elektromágneses és részecske sugárzás, kozmikus sugárzás,
radioaktivitás, bomlástörvény, felezési idő, radioaktív kormeghatározás, elemi részecskék és
kutatásuk (CERN), sugárvédelem
Környezetfizika
234
Egyebek (terepi és űrbéli működés feltételei):
9. ábra. A Hunveyor-4 tart a célja felé (fantáziakép).
Kapcsolódó fizikai fogalmak: energiaellátás és energiagazdálkodás: egy feszültségről
(12V) való működés, feszültségforrás: akkumulátor/napelem, hűtés, hődisszipáció, mozgó
alkatrészek nélküli megvalósítás, rázásállóság, hordozhatóság, távirányítás, rádiós
kommunikáció, mérések: adatgyűjtés és adattovábbítás, mérési hibák, hibaszámítás,
statisztikák, mérési eredmények kiértékelése
ÖSSZEFOGLALÁS
Már a fenti vázlatos felsorolásból is nyilvánvaló, hogy a HUNVEYOR gyakorló űrszonda
modell rendszer számos olyan természettudományos kutatási és műszerépítési területet
összekapcsol, amelyek külön-külön nem rendelkeznek olyan vonzerővel, mint az egységes
egésszé megépített robot-együttes. A HUNVEYOR összehangolt technológiák láncolata,
szövete. Hosszú távon lehetővé teszi a természettudományok, mindenek előtt a fizika, az
elektronika, a számítástechnika és a robottechnika együttes oktatását és kutatási területekkel
való összehangolását.
A HUNVEYOR gyakorló űrszonda modell építése egy új, gyakorlati, tevékenységorientált
oktatási és tantárgypedagógiai formát kínál fel a környezettudomány-/fizika-
/földtudományok-/matematika-/informatika-/elektronika oktatására. A gyakorló űrszonda
modellen végzett munka rendszerszemléletre nevel, ugyanakkor mások munkájára való
építésre, mások munkájának megbecsülésére, kooperatív munkamódszerekre is ösztönöz. A
bemutatott oktatási forma további előnye, hogy a munkavégzés a projekt vezető (tanár) és
diák közötti egyenrangú partneri kapcsolat formájában valósul meg, felszabadítva ezzel a diák
alkotó fantáziáját és munkakedvét, a gúzsba kötő alá/fölérendeltségi viszonyból fakadó
állandó feszültség alól.
Összefoglalásként elmondható, hogy a HUNVEYOR projekt már több mint tíz éve
sikeresen folyik, az űrszondát a projektvezető útmutatása és aktív segítsége mellett, teljesen a
diákok építik. A HUNVEYOR-4 építése során eddig 12 diplomamunka készült, az egyes
megoldások konkrét részletei ezekben olvashatók.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
A konferencián való részvételt a „TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0030 – Önálló lépések a
tudomány területén‖ c. pályázat támogatása tette lehetővé.
IRODALOMJEGYZÉK
1. SH atlasz, Űrtan, 13. o., szerkesztők: Almár I.-Both E.-Horváth A.-Szabó Gy.,
Springer Hungarica, Bp. 1966. ISBN 963 845582 9
top related