Aardbevingen opsporen: seismologie in het klaslokaal

Vertaald door Roland Van Kerschaver en Erik Crampe

De auteurs

Chinese draken die aardbevingen voorspellen? Golven van gloeiende ”jelly babies”? Spaghetti die tegen een aardbeving kan? De fysicaleraars Tobias Kirschbaum en Ulrich Janzen leggen uit hoe ze het over geofysica hebben in hun lessen fysica.

Diffractie van golven en overdracht van energie zijn standaard onderdelen van cursussen fysica voor 16- tot 19-jarigen in Europa. Gewoonlijk moeten leerlingen hun kennis bewijzen in examens die het hebben over veren, slinkyveren® en andere klassieke mechanische apparaten.

Recent didactisch onderzoek heeft echter de noodzaak aangetoond om de wetenschappelijke theorieën en modellen te integreren in contexten die de leerlingen aanspreken. Niemand zal bijvoorbeeld onberoerd gebleven zijn bij het zien van de vernietigingen veroorzaakt door de orkaan Katrina in de VSA of door de aardbevingen in Iran.

Door het vereenvoudigen en het uitleggen van een concept aan de jongere leerlingen kunnen de oudere leerlingen nagaan of  ze een onderwerp volledig verstaan hebben. Effectieve demonstraties ontwikkelen, evenals de jongere leerlingen iets leren, kweekt multipele intelligentie aan bij alle groepen van leerlingen volgens Howard Gardner.

De basis van seismologie kan gelegd worden in de gewone les.
De experimenten die we beschrijven, zijn echter eveneens zeer geschikt om natuurwetenschappen en hun belang voor de maatschappij aan een breder publiek te tonen – bijvoorbeeld ter gelegenheid van de opendeurdag van de school. En vanzelfsprekend, zal de door de leerlingen verworven behendigheid om iets te presenteren belangrijk blijven gedurende hun verder leven.

Daaraan dachten we bij het op punt stellen van de cursus fysica met onze oudere leerlingen. Maar daarna namen die leerlingen het initiatief van ons over met veel creativiteit en enthousiasme.

De leerlingen maakten gebruik van bronnen die ze vonden op het internet, dagbladverslagen en hun handboek, maar bovenal, begonnen ze heel vlug hun eigen ideeën te hebben over wat essentieel is bij seismologie.
Ze begonnen modelexperimenten uit te vinden, startend met gekoppelde slingers en besluitend met een poging een model te maken van een tsunami.
Drie onderwerpen bleken bijzonder beloftevol: een antieke Chinese seismograaf, een eenvoudig toestel om golven op te wekken en het onderzoek van gebouwen die tegen aardbevingen bestand zijn.

Het reconstrueren van een antieke Chinese seismograaf

Er bestaan rapporten over een antieke Chinese seismograaf die enkele duizenden jaren geleden gebouwd is en waarvan aangenomen wordt dat de nauwkeurigheid ervan ongelooflijk was. Er bleven alléén beschrijvingen bewaard van hoe de seismograaf er van buiten uitzag, niemand weet wat er vanbinnen zat. Zelfs al zijn er boeken die suggesties daarover doen, toch heeft niemand – in zover we weten – het ooit klaargespeeld om een werkend model van deze Chinese seismograaf te reconstrueren. In de seismograaf, worden acht draken geplaatst rond een metalen  bel die kleine parels vasthouden in hun muil. Wanneer er een aardbeving optrad, liet de draak wijzend in de richting van het epicentrum van de aardbeving z’n parel vallen in een kom er recht onder. Aardbevingen op honderden kilometers ver werden zo betrouwbaar geregistreerd doordat een parel in een kom lag. Na het bestuderen van beelden op internet en in oude rapporten, besloten de leerlingen terecht dat de traagheid kon gebruikt zijn om de muilen van de draken te openen. De draken van de leerlingen waren gemaakt met twee houten blokken samengehouden met plakband en – niet essentieel voor hun functioneren – zo beschilderd dat ze leken op draken. Een puntige slinger zorgde voor de massa middenin de seismograaf die de draken moest aantikken, knikkers vervingen de parels en een op z’n kop staande vuilnisemmer diende als buitenkant van de seismograaf.

Het toppunt van recycleren: een Chinese seismograaf gereconstrueerd met een vuilnisemmer

De belangrijkste doelstelling van het model was een mogelijke verklaring te bieden van hoe de antieke Chinese seismograaf werkte, maar de resultaten waren beter dan al onze verwachtingen. Niet alleen deed zelfs een lichte tik op de tafel waarop de seismograaf geplaatst was een draak z’n knikker lossen, maar de richting waarin het tikken gebeurde was ook deze waarin de draak z’n knikker liet vallen. Verbeteringen, zoals een grotere massa, het beletten van de zijdelingse beweging van de drakenkoppen en het aanbrengen van stijve verbindingen tussen de slinger en de drakenkoppen, verhoogden de nauwkeurigheid van de seismograaf zelfs nog meer.

Een eenvoudig golftoestel

De meeste golftoestellen zijn gemaakt uit hout en metalen spaken, maar ze hebben de neiging breekbaar of te klein te zijn om goed gezien te worden door de leerlingen. Enkele van onze leerlingen kwamen daarom op het idee om brede rubberbanden, goedkoop verkrijgbare heupbanden voor hemden of broeken, te gebruiken. Vier oude fietswielen werden geschonken door de plaatselijke fietsenwinkel en de spaken deden het perfect om de golfbeweging weer te geven. De spaken werden verschillende keren door de rubberband geduwd en vastgemaakt met warme lijm. In het totaal, was het zelfgemaakt golftoestel ongeveer vier meter lang.

Met een rubber band is een fantastisch golftoestel te maken

Uitgestrekt in de lengte-as van het klaslokaal kan de rubberband gebruikt worden om alle belangrijke golfverschijnselen te demonstreren: lopende golven (zowel transversale als longitudinale), terugkaatsing van golven en staande golven. Voor de presentatie op de opendeurdag van de school, werden "jelly babies" vastgemaakt aan de uiteinden van de spaken. Met “black light”, gloeiden de golven mysterieus in het halfverduisterd klaslokaal – niet zo onmisbaar voor de fysica van de golven, maar in ieder geval een verbazingwekkend spektakel.

Onderzoek van gebouwen die tegen aardbevingen bestand zijn

Op zoek naar informatie over gebouwen die tegen aardbevingen bestand zijn, kwamen onze leerlingen al vlug terecht bij het Salters Horners Advanced Physics (SHAP) project van de York University Education Group. Om verschillende constructies van gebouwen te testen, suggereren de SHAP auteurs gebruik te maken van een aardbevingtafel uit hout, piepschuim en een oscillator. We maakten eveneens gebruik van andere  ideeën van het SHAP team: in plaats van gebouwen te construeren uit strootjes of metalen latjes, testten Liz Swinbank en haar UK team gebouwen gemaakt met spaghetti. Dit was niet alléén effectief, maar verbazingwekkend om naar te kijken.

Leerlingen experimenterend met staande golven

Onze leerlingen waren geïntrigeerd door die gekke maar zeer effectieve keuze van materiaal en begonnen spaghettimodellen te maken van verschillende ontwerpen die ze op internet vonden van gebouwen die bestand zouden zijn tegen aardbevingen. Ze legden zich vooral toe op het bestuderen van de factoren die een invloed hebben op de vorming van staande golven binnen de gebouwen. De aardbevingtafel met de verschillende modellen trok dan ook veel volk aan tijdens de opendeurdag van de school.

Nabeschouwing

Alhoewel het heel wat tijd vroeg om de demonstraties te bedenken en uit te voeren, mag het motiverend vermogen van deze werkwijze niet onderschat worden. De leerlingen besteedden vele uren na de schooltijd om hun modellen te verbeteren en telkens andere versies uit te testen. Alle leerlingen, ongeacht hun mogelijkheden, mochten meewerken aan het project. Het beleven van een succesvol project maakte niet alléén de groep sterker maar bevorderde ook de motivatie en de belangstelling voor andere aspecten van fysica: dit alleen al was de moeite om deze inspanning te leveren. En ... vanzelfsprekend verbeterde ondertussen ook de kennis van het golfverschijnsel en de onderliggende fysica enorm.

Referenties

Science Education Group, University of York (2001) Salters Horners Advanced Physics: A2 Student Book. Oxford, UK: Heinemann

Bronnen

Physics on Stage was de voorloper van Science on Stage, een internationale onderwijshappening georganiseerd door EIROforum. Zie 'Space balloons, mousetraps and earthquakes: it's Science on Stage!' en 'Science teachers take centre stage' in dit nummer van Science in School.

Een handig hulpmiddel voor het bestuderen van de voortplanting van golven, Seismic Waves, kan hier gratis ingeladen worden van het internet.

Tobias Kirschbaum geeft les aan het Städtisches Gymnasium Kamen en het Centrum voor Leraarsopleiding in Arnsberg, Duitsland, terwijl Ulrich Janzen les geeft aan het Franz-Stock-Gymnasium Arnsberg, Duitsland.