Motorul de cauciuc

Modul în care proiectul a început

În 2006, am luat parte la Experimentele 2007^w1 în Wels, Austria, o expoziţie bienală regionala de ştiinţă pentru şcoli. Sursa de inspiraţie pentru proiectul nostru a venit de la un efect simplu descris în capitolul privind termodinamica popularei carti de fizica „Prelegeri Feynman^w2: O banda de cauciuc întinsă se contracta la încălzire. Acest lucru este neobişnuit, deoarece cele mai multe materiale se dilata la încălzire, mai degrabă decât sa se contracte.

Ne-am concentrat in a vizualiza mai bine acest efect, am dezvoltat un lift, un motor, precum şi două tipuri de frigidere - toate actionate de dilatarea şi contractarea latexului, un tip de cauciuc. Avantajele latexului asupra altor tipuri de cauciuc sunt: calitatea ridicata, lipsa de aditivi, straturile subtiri in care se gasesc- plus distractia de a folosi prezervative colorate.

Acest proiect interdisciplinar a fost o experienţă valoroasă pentru toţi cei implicaţi: am colaborat cu profesorii de artă şi tehnologie pe design experimental; studentii au tradus texte, au conceput afise şi un site web^w3, si au exersat prezentarea acestora precum şi abilităţile de comunicare, nu numai în limba germană, dar şi în engleză şi spaniolă.

Ei s-au axat pe lucrarea proiectului aproape un an dupa ce au parasit scoala in 2007, si intreaga echipa inca organizeaza ateliere de lucru pe baza proiectului cum ar fi în Technorama, Swiss Science Center^w4 din Zürich (2009), Berlin, Germania (2010)^w5.

Principiul

Latexul este un polimer constituit dintr-un lant lung ,ca moleculele unitatii repetate de izopren (C5H8). În starea sa relaxata, lanţurile sunt interconectate in câteva puncte. Intre o pereche de legaturi, fiecare monomer se poate roti liber inspre vecinul său, şi la temperatura camerei, cantitatea de latex dispune de suficienta energie cinetică pentru a face acest lucru. Insa, când latexul este întins, monomerii nu mai sunt în măsură să oscileze, astfel energia lor cinetică este data afara sub formă de căldură în exces. În cazul în care latexul intins este incalzit, procesul este inversat: latexul absoarbe căldura, monomerii oscileaza, creşterile moleculare se pun in miscare, precum şi contractarea lui.

Experiment 1: liftul

Acesta este un experiment simplu, potrivit pentru elevii cu vârsta de peste 11 ani, pentru a introduce termodinamica din latex, aşa cum arată conversia energiei. Manusa de latex emite caldura atunci când s-a extins şi absoarbe căldură atunci când se contracta din nou.

Energie cinetică -> Energie termică

Deoarece acest efect este reversibil,o manusa de latex intinsa se contracta cand este incalzita de lumina reflectorului. Putem folosi acest lucru pentru a construi un lift.

Energie termica -> energie cinetică

Diferenta dintre efectul ce contracteaza latexul intins cand este incalzit si extinderea caldurii ar trebui mentionata.

Liftul poate fi construit de către studenţi cu putin efort şi materialele de bază (cum ar fi un joc Lego^® de construcţie). In atelierul de lucru organizat la Zürich, participanţii au construit diverse lifturi, cu mare succes, în întregime fără instrucţiuni. Instrucţiunile care sunt prea detaliate vor limita creativitatea studenţilor - incercati sa formulati scopul schimbului: efectul pe care banda intinsa de latex se contracta la încălzire, ar trebui să fie vizualizat. Pentru a îmbunătăţi gradul de vizibilitate al acestui efect mecanismul ar putea fi o pârghie, un scripete, etc. Mai jos sunt câteva linii directoare pe care ati putea dori să le utilizaţi.

Materiale

• O manusa subtire de latex sau prezervativ
• Un spot (minim de 500 W)
• O clama cu două dispozitive de fixare
• O clemă Wingnut sau un clip de sigilare
• Un material plastic / metal / braţ de lemn in echilibru cu găuri distanţate la intervale regulate
• Un cui sau un obiect similar cu un pivot (dacă este posibil, cu un rulment)
• Două cârlige
• O scară pentru agăţat talere si greutăţi

Mod de lucru

1. Reglati cele două dispozitive de fixare, la o distanţă de aproximativ 40 cm, de-a lungul clamei (în funcţie de banda de latex pe care o folosiţi - aceasta trebuie să fie intinsa).

2. Reglati braţul de echilibru flexibil cu clemă in partea de sus, folosind un cui ca un punct de pivot. Un braţ ar trebui să fie mult mai scurt decât celalalt: atunci cand apropiati si departati lumina de centrul benzii de latex veti observa mai usor dacă pârghia este mai lungă.

3. Prindeti manusa din latex in partea de jos (folosind degetele tale).

   
   
   

4. Prindeti la capatul mănuşii o clema Wingnut / clip de sigilare.
5. Agatati clema Wingnut / clipul de sigilare cu mănuşa de capatul scurt al barei cu ajutorul unui cârlig. Aveţi grijă să nu deteriorati latexul. Manusa ar trebui să fie întinsa la aproximativ ¾ din maximele sale, astfel încât să se poata scurta vizibil în experiment.
6. Atarnati scara pentru agăţat talere si greutăţi la sfârşitul barei (cel lung) folosind al doilea cârlig.
7. Folositi greutati pentru a regla poziţia braţului balanţei pentru a fi orizontal.
8. Apropiati spotul de centrul manusei - greutatea va fi ridicată datorită contracţie mănuşei.

Acest experiment poate fi utilizat

• Pentru a explica faptul că efectul Joule este o unitate de masura a lucrului mecanic şi a căldurii
• Pentru a demonstra că maşinile pot transforma căldura în lucru mecanic
• Pentru a introduce procese reversibile în fizică
• Pentru a calcula factorul de eficienţă al lifturilor.

Experiment 2: motorul de latex

Acest experiment are avantajul termodinamicii de cauciuc pentru a genera energie, creând un motor termic.

Materiale

• Un cerc de Hula (cu diametrul de aproximativ 1 m)
• 8 mănuşi de latex subţiri sau prezervative
• Un spot (minim de 500 W)
• Un rulment (acest lucru va spori eficienţa motorului)
• Un butuc (cu diametrul de aproximativ 20 cm)
• O axă (tija filetata)
• O platforma
• 16 clipuri de sigilare / cleme Wingnut

Mod de lucru

1. Construieşte o platforma care va limita forta de frecare exercitată pe axa.
2. Conectaţi axa şi butucul lhttp://www.scienceinschool.org/node/1334#overlay=node/1334/edita platforma.
3. Ataşaţi 8 clipuri / cleme de butuc (exemplu: cu ajutorul cablului).
4. Ataşaţi 8 clipuri / cleme, la intervale regulate distanţate la cercul hula.
5. Lucrati grupati pentru a fixa mănuşile/ prezervativele, intinse moderat între nodurile butucului şi cercului hula cu clipuri de etanşare.
6. Asiguraţi-vă că cercul Hula este perfect echilibrat pe butuc - altfel nu va funcţiona. Se reglează tensiunea mănuşilor / prezervativelor; utilizati greutăţi mici, pentru a echilibra sistemul.
7. Apropiati spotul de o singură parte a motorului - va începe sa se roteasca.

Spiţele contractate de latex, ajung pe partea care este încălzita, astfel încât au loc schimburi de mase. Astfel, roata începe sa se roteasca, pe de altă parte datorită răcirii-jos a spiţelor, este posibila o conversiune continua de energie.

Energie termica -> energie de rotaţie

Acest experiment poate fi utilizat

• Pentru a introduce motoare termice
• Pentru a afişa aplicarea unui efect fizic într-un mecanism simplu.

Experimentul 3: frigider I

Ca o introducere, extindeţi o manusa de latex şi aşteaptă ca acesta să emită căldura in aerul din jur. Dacă acum lăsaţi manusa sa se contracteze aceasta va fi rece.

Energie cinetică -> transfer de căldură

Urmatorul experiment ilustrează faptul că motorul latex, este un proces reversibil. În cazul în care cercul hula rulează în role de ghidare (propulsat de un motor electric), si axa nu este în centru, spitele de latex/ prezervativ sunt calde pe partea extinsa şi reci pe cealalta parte. Rezulta diferenţe de temperatură ce pot fi vizualizate numai cu ajutorul unui aparat de fotografiat cu infraroşu (a se vedea imagini).

Motor: diferenţa de temperatură -> rotaţie
Frigider: rotaţia -> diferenţa de temperatură

Experimentul 4: frigider II

Ceea ce urmează este o variantă a experimentului de mai sus, şi poate fi folosita pentru a explica conceptul de frigider (un cerc închis care absoarbe căldură pe o parte şi de a emite căldură pe de altă parte)..

Materiale

• O clemă cu două dispozitive de fixare
• Doi cilindri din lemn acoperit cu cauciuc (exemplu:un balon mic), unul dintre ei cu un maner
• O manusa de latex
• Foarfece
• Un aparat de fotografiat cu infrarosu (optional)

Mod de lucru

1. Reglati cele două dispozitive de fixare la o distanţă de aproximativ 20-40 cm, de-a lungul stativului (bucla latex va trebui să fie intinsa).
2. Fixati doi cilindri în cleme: ambele ar trebui să fie mobile.
3. Tăiati partea degetelor de la mănuşa şi rasuciti marginea din partea de jos. Este important sa tăiati curat, fără margini zdrenţuite.
4. Întinde bucla care rezultă din latex peste cei doi cilindri.
5. Dacă aveţi un aparat de fotografiat cu infraroşu, îl puteţi folosi pentru a monitoriza temperatura în diferite părţi ale maşinii.
6. Întoarceţi mânerul unei role cu putere. Pe celălalt lent si uşor in jos cu mâna.

Astfel, bucla latex este permanent intinsa (cald) pe de o parte şi în permanent relaxat (rece) pe de altă parte. Această maşină produce o diferenţă de temperatură de aproximativ 10° C.

Experimentul 4: frigider II (versiunea studenţilor)

Aceasta este o versiune simplificată a experimentului 3, care pote fi uşor efectuata în clasă, fără o mulţime de pregatiri. Acesta se face cel mai bine în grupuri de câte trei studenţi.

Materiale

• Două beţe de lemn rotunde (diametru de 3-5 cm, pot fi cumparate din magazine)
• Un balon
• O manusa
• Foarfece

Mod de lucru

1.  Acoperiti un băţ de lemn cu balonul.
2. Tăiaţi o buclă de latex de la o manusa cum este descris pentru experimentul 3.
3. SÎntinde bucla latex, peste cele două beţe.
4. Fiecare bat ar trebui să fie ţinut orizontal de un student, cu o mână la fiecare capăt (a se vedea imagine).
5. Batul acoperit cu balonul ar trebui să fie rotit in jurul axei sale. Al doilea bat este ţinut în continuare sau rotit încet.
6. Frecarea între balon şi bucla de latex trage o jumătate din bucla latex spre bat fiind intinsa; cealaltă jumatate devine slaba.
7. Al treilea student ar trebui să simtă acum diferenţa de temperatură între partea superioara şi cea inferioara a buclei latex. 

Sugestii şi sfaturi

Pentru emisii de căldură mai mari, limitati intinderea si elasticitatea latexului.
Straturi foarte subţiri de latex dau cele mai bune rezultate. Folosiţi mănuşi de latex, subţiri (mănuşi de unică folosinţă) sau prezervative. Înlocuiţi materiale după o perioadă de timp pentru a asigura rezultate bune.
Notă: Unii studenţi pot fi alergici la latex, verificati astfel încât să fiti siguri.
Lasati studenţii sa inventeze utilaje noi, bazate pe aceste efect!