Projekt „Nitkový telefón“

Andrea Marenčáková, K. Teplanová

Zvuk sa dostal do školských osnov základnej školy len nedávno, opodstatnenosť jeho zaradenia podporuje jeho „každodennosť“. Dlhodobá absencia zrejme súvisela s faktom, že hoci možno so zvukom  robiť „jednoduché čarovné pokusy“, samotná fyzikálna téma patrí ku komplexným dynamickým procesom, ktoré dlho neboli v „móde“. Dnes sú však pre chápanie procesov prírody aj pre moderné technológie nevyhnutnosťou; čím skôr sa k nim otvorene pristúpi, tým lepšie. „Zvuk náš každodenný“ a jednoduché, systematicky rozvádzané zvukové pokusy ponúkajú jedinečnú príležitosť.

Jedným z veľmi vďačných objektov na hru, skúmanie, rozvoj jednoduchých technických zručností a spoločné poznávanie technických a fyzikálnych pojmov a procesov je aj „NITKOVÝ TELEFÓN“. K jeho príprave stačia dve dutinky (kelímky, plechovky, rolky a pod.) a dlhšia spojovacia „šnúra“. Jednoduchými pokusmi môžeme ukázať ako kvalita prenosu zvuku závisí od parametrov telefónu - od výberu použitých materiálov, od geometrie a rozmerov jeho častí, techniky spájania, spôsobu „inštalácie“.

Skúsenosti z hry umožňujú prirodzene budovať základné fyzikálne pojmy (zdroj, prijímač, filter; tlmenie (pohlcovanie energie), ohyb, odraz zvuku, vlnenie, vlnová dĺžka, frekvencia, rýchlosť zvuku;) a fyzikálny náhľad na prebiehajúce procesy (mechanizmus šírenia zvuku rôznym prostredím a prechod zvuku z jedného prostredia do druhého - na makroskopické vlny a kmitanie molekúl, na superpozíciu a pod.).

Časti telefónu a ako telefón funguje

Prvotným zdrojom zvuku je hlas tlakové vlny - zhusťovanie a zrieďovanie vzduchu - sa šíria od rozochvených hlasiviek do nádobky. Nádobky slúžia na usmernenie zvuku a teda aj zosilnenie. V otvore dutiny sa rytmicky mení tlak vzduchu.

Časť dutiny, v strede ktorej je prichytená spojovacia šnúra, funguje ako membrána. Z membrány sa chvenie, priamym dotykom, prenáša na spojovaciu šnúru. Aby sa šnúra rozkmitala, musí byť napnutá. Zo šnúry sa prenáša chvenie priamym dotykom na „membránu“, ktorá je pevne spojená so stenami druhej dutiny. Dutiny i stĺpec vzduchu v dutine sa od membrány rozochvejú, chvenie vzduchu rozochveje membránu ucha.

Všeobecné zadanie

Každá z častí a funkcií „telefónu“ - zdroj zvuku, usmerňovače, membrány, šnúra, či prijímač zvuku si zaslúžia osobitnú pozornosť experimentátora. Začať možno alebo náhodne – žiaci majú na domácu úlohu pripraviť ľubovoľné „telefóny“ s povzbudením, že fantázii sa medze nekladú; alebo od začiatku a systematicky: Telefón má tieto časti, postupne ich preskúmame. Pri pokusoch s rôznymi nádobkami je rozumné porovnávať rovnaké tóny, hlásky, prípadne slová; porovnávať nádobky z rovnakých materiálov a rovnakých tvarov, ale rôznych veľkostí a pod. Výhoda spojenia oboch prístupov, náhodného a systematického, je zrejmá.

1. Usmerňovače

Ako vplýva tvar, veľkosť, materiál nádobiek na funkčnosť telefónu?

a) Valcovitý tvar

Potrebujeme: Dvojice rovnakých i odlišných plechoviek z konzerv alebo nápojov; otvárač konzerv, vytľkač na dierku (napríklad klinec a kladivo); pevnú niť/špagát (asi 3 m na každý telefón).

Ako sa to robí: Z plechoviek odstránime jedno dno, okraje zahladíme. Do každého zostávajúceho dna spravíme v strede dierku. Dvojice spojíme niťou dnami smerom k sebe.

Potrebujeme: Dve papierové alebo kartónové rolky (napríklad od papierových utierok), fóliu z umelej hmoty, alebo balónovú blanu na uzavretie jednej zo strán každej rolky, pružné lepidlo alebo lepiacu pásku, nožnice; pevnú niť/špagát (asi 3 m na každý telefón), korok, gombík, ihlu.

Ako sa to robí: Z fólie alebo blany vystrihneme kruhy s polomerom asi o 1 cm väčšom ako je polomer valca. Prevyšujúce okraje na niekoľkých miestach nastrihneme a napnutý kruh prilepíme na jednu stranu rolky ako dno. Do každého dna spravíme v strede dierku. Dvojice valcov spojíme niťou dnami smerom k sebe (Obr. 1a).

Zaujímavé sú valce s extrémnymi rozmermi – dlhý a úzky valec, krátky a široký.

b) Kužeľovitý tvar

Potrebujeme: Dvojicu rôzne veľkých pohárov z umelej hmoty (napríklad od jogurtu 180 ml, 250 ml, 500 ml). Poháre by mali byť dosť tvrdé na to, aby sa v ruke nestlačili a dosť pružné, aby sa energeticky slabými tlakovými vlnami vzduchu rozkmitali; pevnú niť/špagát (asi 3 m na každý telefón), ihlu.

Ako sa to robí: Na spodku dvoch kelímkov sa urobí ihlou dierka. Dvojice valcov spojíme niťou dnami smerom k sebe (obr.1b).

c) Lievikovitý tvar

Potrebujeme: Dvojice tvrdších papierov A4 a pružné lepidlo alebo lepiacu pásku; pevnú niť (asi 3 m na každý telefón), ihlu.

Ako sa to robí: Papier sa skrúti do lievika a zlepí sa. Cez uzavretý spodok sa podobne ako vo vyššie uvedených pokusoch pretiahne a upevní niť (Obr.1c).

Porovnanie funkcií rôznych nádobiek

Všetky vyššie uvedené druhy „telefónov“ nejaký zvuk prenášajú. Slová prenášané cez valcovitý telefón znejú duto - akoby zo „suda“; zrejmá je preferencia určitých tónov. Je to tým, že vo valcovej dutine ideálneho valcového tvaru by mala vzniknúť stojatá vlna jedinej frekvencie (podobne ako napríklad v píšťalke). Dĺžka valcovej dutiny predstavuje ¼ vlnovej dĺžky s uzlom v strede uzavretého dna a s kmitňou v mieste otvoru (Obr. 2).

Kužeľovité dutiny umožňujú prenos slov zrozumiteľnejšie ako dutiny valcovité.

Prvý kontrolný dotazník :

A. Urči a zdôvodni akú funkciu majú na telefóne nádobky?
1. zachytávajú zvuk; 2. zosilňujú zvuk; 3. usmerňujú zvuk do spojovacej šnúry a do ucha; 4. držia spojovaciu šnúru.

B. Čo by sa stalo, keby boli nádobky otočené, ako je znázornené na obrázku? Odpoveď zdôvodni.

2. Spojovacia „šnúra“

Ako ovplyvňuje funkčnosť telefónu materiál a tvar spojovacej struny?

a) a) Ktoré materiály sa hodia na spojovaciu šnúru lepšie

Potrebujeme: Valcové dutiny a namiesto nite, či špagátu použijeme

• rybárske lanko

• vlnu na pletenie

• šnúrku od topánok

• gumy rôznej hrúbky

• drôt

b) Musí byť drôt rovný?

Potrebujeme: Valcové dutiny a rôzne hrubé drôty

• napnuté,

• poohýbané,

• ostro lomené,

• špirály.

Ako sa to robí: Všímame si, cez ktoré tvary drôtu sa zvuk prenáša, cez ktoré nie. V prípade ohybov na drôte si v rámci možností všímame aj vzťah medzi polomerom krivosti ohybu a „optimálnou“ vlnovou dĺžkou.

Porovnanie funkcií rôznych spojovacích „šnúr“

Rybárske lanko ani guma nie sú vhodné na prenos zvukovej vlny. Zvuk, ktorý vychádza z druhej dutiny, je slabý - tlmený. Takisto tlmí zvuk aj „chlpatá“ pletacia vlna. Telefón ale funguje, keď je motúz mokrý.

Výborným spojovacím materiálom je kovový drôt. (Rýchlosť zvuku v kovoch je rádovo desaťkrát väčšia ako vo vzduchu a asi štyrikrát väčšia ako v rybárskom lanku (rýchlosť zvuku v rybárskom lanku je 1200 m/s). Nielen rovný (Obr. 3a), ale aj poohýbaný drôt (Obr. 3b) môže prenášať zvuk, ohyby ale nesmú byť ostré (Obr. 3c) a drôt musí „držať tvar“. V prípade, že drôt visí medzi nádobkami (Obr. 3d), je v strede a na koncoch drôtu nerovnaké pnutie, čo pôsobí utlmujúco. Kým na ostrom ohybe drôtu sa zvuková vlna odráža, cez voľnejší spojito ohnutý drôt – aj pevnú špirálu (Obr. 3e) zvuk prejde.

Nie je vhodný príliš hrubý drôt – energia zvuku nestačí na to, aby sa rozkmital.

Druhý kontrolný dotazník :

A. Akú funkciu plní na telefóne spojovacia „šnúra“?
1. prenáša zvuk, 2. funguje ako struna, 3. drží dutiny pokope

B. Čo sa stane 1. ak sa napnutej spojovacej šnúry dotkne ruka?
2. čo ak ide napnutá šnúra za roh?

Odpovede zdôvodni.

3. Membrána

Ako ovplyvňuje funkčnosť telefónu dno rezonančnej dutiny - jeho materiál, tvar, veľkosť, uchytenie?

Pre prenos zvuku z nádobky do nádobky je dôležité, z akého materiálu je vyrobené dno nádobky. Hoci pevnejšie by bolo na telefonovanie do ruky praktickejšie, ale pri dopade zvukových vĺn sa rozkmitá ťažšie (pohlcuje sa väčšia časť zvukovej energie).

Potrebujeme: Dvojice rovnako veľkých dutín, balóniky, niť asi 3 m na každý telefón, kúsky korku, ihlu.

Ako sa to robí: Opatrne vyrežeme kruhový otvor v dne dvoch kelímkov, tak aby ostal ešte úzky pevnejší okraj (aby sa kelímok nestlačil) a vlepíme (napríklad lepiacou páskou) do otvoru „membránu“ - balónik. Stredom balónika prevlečieme niť, ktorú na druhej strane upevníme napríklad malým kúskom drôtu či kúskom korku. Pokračujeme známym postupom.

Aké materiály sa hodia na membránu lepšie:

Potrebujeme: Kelímky a namiesto balónika použijeme

• papier

• materiál z fólie na spisy (tenší, hrubší)

• kartón

• látku a pod.

So všetkých vymenovaných materiálov funguje ako membrána najlepšie pružný balón.

Tretí kontrolný dotazník:

Fungoval by telefón aj so sklenenými pohármi? Odpoveď zdôvodni.

4. Uzol

Ako ovplyvňuje funkčnosť telefónu spôsob uchytenia šnúry – „uzol“?

Potrebujeme: Dvojice kelímkov (rovnako veľkých), niť (asi 3 m na každý telefón), gombík.

Ako sa to robí: Vyrobíme si telefón. Motúz upevníme pomocou gombíka. Namiesto gombíka použijeme

• gumu na gumovanie

• korok

• korálik

• kúsok drôtu

• plastelínu

• šnúru lepidlom prilepíme ku dnu kelímka

• prilepíme motúz ku dnu z vonkajšej strany kelímka bez dierky do dna kelímka).

Zo skúsenosti:

Podnet na skúmanie vlastností telefónu v závislosti od počiatočných a aktuálnych podmienok dali žiaci deviateho ročníka ZŠ, ktorí sa s nitkovým telefónom stretli prvýkrát a zaujal ich natoľko, že si sami začali vyrábať jeho rôzne prevedenia.

Žiaci zvyčajne zabúdajú na ľudský faktor. Štandardnou odpoveďou na otázku: „Čo je tu zdrojom?“, býva: „Jedna z nádobiek“. Tým, ktorí ešte nemali s „telefónom“ žiadnu skúsenosť, telefón pomerne často nefungoval - zabudli na nutnú podmienku prenosu: napnúť šnúru! Celé testovanie je veľmi subjektívne.

Hrou postupne prichádzali žiaci na to, ako sa menia prenosové vlastnosti telefónu, keď sa zmení niektorý z jeho parametrov. Každá nová skúsenosť vyvolávala nové otázky: Počuť hlas silnejšie? Ktoré tóny skresľuje viac? Bude prenášať aj keď…? A odtiaľ je už len krôčik k fyzike. Hra na hodine – zdanlivý hltač času – môže viesť k veľmi efektívnemu učeniu a poznávaniu. Učiteľ môže správnym prístupom a usmernením využiť skúsenosti žiakov k vysvetľovaniu prakticky celého učiva o akustike na úrovni základnej školy.

Súčasne, hra s „telefónom“ podporuje rozvoj jednoduchých technických a komunikačných zručností. Interaktívnosť je tu samozrejmosťou - telefón možno vyskúšať výlučne v dvojici (nie je teda vhodný na klasickú „učiteľskú demonštráciu“); skúsenosti priamo nútia k výmene názorov. Ani pojmy ako kvalita prenosu a vlastnosti zariadenia sme nezaviedli náhodne – kultivujú fyziku, približujú fyziku k technike.

Pokusy s „telefónom“ možno objektivizovať pomocou elektroniky, keď sa do vstupnej aj výstupnej dutiny umiestnia malé mikrofóny napojené na osciloskopy.

Viaceré z pokusov nemusia prejaviť na prvý pohľad očakávané vlastnosti. Napríklad neobstojí porovnávanie so stojatými vlnami v dychových nástrojoch ani na strunách.

Nejednoznačné závery provokujú k hľadaniu „lepších“ fyzikálnych modelov. Pri ich tvorbe sú veľmi užitočné skúsenosti s ďalšími jednoduchými pokusmi napríklad s Chladniho platňou (kovová platňa posypaná jemnými zrniečkami, ktoré po rozochvení sláčikom vykresľujú „vlnové obrazce“ (uzly), je dobrým priblížením dutiny s veľkým priemerom a malou výškou); spievajúce poháre na stopkách (navlhčený prst plynule krúžiaci po okraji pohára vyvoláva priečne stojaté vlnenie, kým klopkaním na pohár možno vyvolať pozdĺžne stojaté vlnenie – tieto pokusy napovedajú, že aj v nádobkách môže dochádzať ku vzniku rôznych typov vĺn - pozdĺžnych i priečnych); fľašový xylofón (fľaše čiastočne naplnené vodou sa pri klopkaní rozozvučia tónom s vlastnou frekvenciou skla s vodou, pri fúkaní do fľaše sa rozozvučia s vlastnou frekvenciou vzduchového stĺpca). Aj negatívna skúsenosť má svoju cenu – provokuje k zamýšľaniu sa nad príčinami i k hľadaniu lepších riešení.

Pri modelovaní odporúčame vychádzať z časticového modelu a až následne používať zobrazenie vlnenia pomocou sínusoidy. Výhodou časticového modelu je, že umožňuje priblížiť sa k porozumeniu komplexnosti procesu šírenia zvuku, vzniku tlakových vĺn, rozvoju dynamických štruktúr i účinkom tlakových síl.