Törik, vagy nem törik? - Feszültségi állapotok az anyagban

Kapcsolódás a biomimikrihez:

A természetben alig találunk négyszögletes formát - ez azért van, mert a természet ívelt formák használatával próbálja meg elkerülni a töréseket. Ha megfigyeljük a stabil képződményeket, mint például a fák, eltanulhatjuk tőlük, milyen formákat használnak.

Foglalkozás:

Eszközök és anyagok:

• tálca – csoportonként egy
• feladatlap - csoportonként egy
• átlátszó műanyag tárgyak (vonalzó, celluxtartó, CD tok stb.) – csoportonként 1 db
• polarizált napszemüveg, csoportonként 1 db
• monitor fehér háttérrel, csoportonként 1 db
• átlátszó fólia (PETE) – egészben, derékszögben bevágva, negyed kör belevágva, ívelt görbület belevágva – csoportonként 1 sorozat (ld. Előkészületek)

Előkészületek:

Beltéri foglalkozás.

Készítsük össze a szükséges eszközöket, csoportonként tegyük tálcára. Készítsük el a fóliákat a következőképpen:

• Vágjunk négyzet alakúra csoportonként négy fóliát! Csoportonként egyet hagyjunk négyzetesen!
• Csoportonként egy fóliából vágjunk ki ¼ négyzetet! (90 fokban bevágott)
• Csoportonként egy fóliából úgy vágjuk ki az ¼ négyzetet, hogy rajzoljunk negyed kört egy 5 forintos segítségével a hajlatnál! Bevágjuk valameddig, odatesszük a pénzérmét és negyed kört rajzolunk, majd vonalat húzunk a fólia széléig. (negyed körös ív)
• Csoportonként egy fóliából úgy vágjuk ki az ¼ négyzetet, hogy hiperbolát rajzolunk rá a lenti ábra alapján!

Nyomtassuk ki a feladatlapot a csoportok számának megfelelően!

Leírás:

A „Törhetetlen tojások” című biomimikri példában szereplő feladatban találhatjuk a „Tojástörés” című feladatot. Ebből kiderült, hogy puszta kézzel nehezen tudjuk összetörni a tojást, mert bár vékony a tojáshéj, az alakja segít abban, hogy elnyelje a nyomási energiát.

Miért fontos az ívelt forma? Nincsen rajta, vagy nagyon kevés és kicsi, a feszültségi góc, emiatt nehezebben, illetve nagyobb erő behatására törik csak el. A különböző alakú bevágásoknál (a négyzetestől az íveltig) más-más a feszültségi gócok száma, mértéke és eloszlása. Ezt fogjuk megfigyelni a négy lépcsős kísérletben polarizált fény és polarizált szűrő segítségével. Osszuk a gyerekeket 3-4 fős csoportokba!

1. Kapcsoljuk be a számítógépet, a monitorra nyissunk fehér oldalt (pl. Paint, vagy Word üres dokumentum)! A gyerekek a csoportokban sorra egymás után vegyék fel a polarizált (nap)szemüveget és nézzék meg a műanyag tárgyakat a monitor elé tartva! Gyengéden mozgassák, hajlítgassák, ami hajlékony!

A képernyő és a napszemüveg is tartalmaz polarizáló szűrőt, ami segít kiszűrni a szórt fényt, emiatt láthatóvá válik az anyagon belüli mechanikai feszültség. Ahol változás következik be az anyag sűrűségében, ott a fehér fény színeire bomlik szét. Figyeljék meg, ahogy a színes sávok megjelennek és megváltoznak! A színes sávok mutatják, hol van feszültség az anyagban. Néhány helyen vastagok a sávok és kevés van belőlük, máshol keskenyek és sűrűn állnak egymás mellett. Ahol a legsűrűbben, ott találhatók az ún. feszültségi gócok. Ha az anyagot külső erőbehatás éri, itt törnek szét vagy szakadnak el.

Figyeljék meg a négyzet alakú fóliát is!

2. Vegyék elő azt a fóliát, amelyik 90 fokban van bevágva! Ezt is hajlítgassák, figyeljék meg, hol jelennek meg a feszültségi gócok, hogyan változik az elrendezésük a fólia mozgatásával!

Azt tapasztaljuk, hogy a feszültségi gócok a bevágás sarkánál koncentrálódnak.

3. Most az a fólia következik, amelyiken egy negyed körös ívet vágtunk. Ezt is hajlítgassák, figyeljék meg, hol jelennek meg a feszültségi gócok, hogyan változik az elrendezésük a fólia mozgatásával!

Sokkal kevesebb feszültségi mintázatot tapasztalunk, de még mindig van! Vajon lehet-e még hatékonyabb görbületet kialakítani úgy, hogy minimálisra csökkenjen a feszültség gócok száma, vagyis segítsen a testre ható erőt biztonságosan, törés nélkül keresztülvezetni az anyagon?

4. Utolsóként vizsgálják meg a hiperbola alakban kivágott fóliát!

Magyarázat:

A fa görbülete alapján készített ív esetében tovább csökken a feszültség a fólián. A fa alapján található görbület arra van optimalizálva, hogy egyenletesen ossza el a nyújtófeszültséget, így elkerüli a mechanikai behatásra bekövetkező törések/repedések létrejöttét. Ez a fajta görbület nagyon hatékony abban, hogy elkerülje a feszültség felhalmozódását az ív bármely pontján.

A polarizált üveg vagy a képernyő láthatóvá teszi az anyagban lévő feszültségi gócokat. Ezt mutatják a színes vonalak: ahol sűrűbbek és keskenyebbek, ott vannak a feszültségi pontok. Itt, ha külső erőnek van kitéve a tárgy – pl. a műanyag vonalzót erősen meghajítjuk – el fog törni.)