Σχεδιάζοντας ένα ταξίδι στον Άρη

Planning a trip to Mars

Η δραστηριότητα που ακολουθεί αποτελεί παράδειγμα εκπαιδευτικού σεναρίου το οποίο μέσα από ένα σύγχρονο και εξαιρετικά ενδιαφέρον θέμα για τους μαθητές, την εξερεύνηση του διαστήματος, παρουσιάζει με απλές πειραματικές επιδείξεις μερικά εντυπωσιακά φυσικά φαινόμενα, χρησιμοποιώντας ως επί το πλείστον απλά υλικά και παιδικά παιχνίδια. 
Οι μαθητές καλούνται να πραγματοποιήσουν 12 αλληλεπιδραστικά πειράματα κάτω από τρεις εννοιολογικές ομπρέλες: α. προβλήματα που μπορεί να αντιμετωπίσουμε βγαίνοντας έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα λόγω των ακραίων συνθηκών, β. το σχεδιασμό της πορείας ενός διαστημόπλοιου προς τον Άρη, και γ. η ζωή των μελών της αποστολής στην επιφάνεια του Άρη. Ο σκοπός του σεναρίου είναι να εμπλέξει ενεργά τους μαθητές σε ένα επιστημονικό πρότζεκτ, να τους διδάξει ότι η επιστήμη είναι παρούσα σε κάθε δραστηριότητα της καθημερινής ζωής, σε κάθε παιχνίδι, σε κάθε αντικείμενο. Αιχμαλωτίζοντας καταρχάς την καρδιά τους, σκοπεύει να φωτίσει το δρόμο που οδηγεί στη χαρά της επιστημονικής ανακάλυψης και δημιουργικότητας.

The following proposal is in fact an educational scenario which utilizes a modern and extremely interest issue for the students, the space exploration, to present some impressive natural phenomena through hands on activities that use every day materials and toys. Students are asked to perform 12 interactive experiments under three conceptual umbrellas: a. the dangers that lay outside Earth’s atmosphere, b. a path planning to Mars, c. living on Mars’ surface. The aim of this scenario is to actively engage students in a science project, to teach them that science is present in any activity, game or every day object they use. Capturing, at first, their heart, its ambition is to light the way that leads to scientific discovery and creativity.

 Η δραστηριότητα παρουσιάστηκε στους 6ους Πανελλήνιους Αγώνες Πειραμάτων και Κατασκευών (Οκτώβριος 2010, Αθήνα) και επιλέχθηκε, μαζί με άλλες 7 προτάσεις, να εκπροσωπήσει την Ελληνική συμμετοχή και να διαγωνιστεί στο πρόγραμμα Science on Stage, που θα πραγματοποιηθεί στην Κοπεγχάγη 16-19 Απριλίου 2011.

Η πρόκληση

Η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA) σε επέλεξε να συμμετάσχεις στο σχεδιασμό μιας επανδρωμένης αποστολής στον πλανήτη Άρη. Όμως, ένα τόσο μεγάλο ταξίδι στο αφιλόξενο διάστημα μπορεί να κρύβει πολλούς κινδύνους και ο προγραμματισμός του απαιτεί γνώσεις από πολλά επιστημονικά πεδία. Σήμερα, θα ενημερωθείς για μερικές από τις σοβαρότερες προκλήσεις που έχει να αντιμετωπίσει μια τέτοια αποστολή, πραγματοποιώντας μερικά απλά πειράματα φυσικής…

The challenge

“Because of your excellence you have been chosen by European Space Agency (ESA) to participate in the planning of a manned mission to Mars. This long trip in the hostile space requires interdisciplinary expertise. Today you will be informed about the most difficult problems the mission has to overcome. This will be done by performing a few physics experiments…”

Α. Βγαίνοντας από την ατμόσφαιρα της Γης: οι κίνδυνοι του διαστήματος…

Problem A: Going out of Earth’s atmosphere: the dangers that lay in the hostile space

Ζώντας συνεχώς υπό την προστατευτική ομπρέλα της ατμόσφαιρας οι περισσότεροι δεν αντιλαμβανόμαστε πόσο πραγματικά προστατευτική είναι. Η ατμόσφαιρα, μεταξύ άλλων, μας προστατεύει από το κρύο του διαστήματος, την υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου, τις ριπές του φορτισμένου ηλιακού ανέμου. Άρα, μία αποστολή στο Άρη, η οποία θα πρέπει να βρεθεί για σχεδόν 3 χρόνια έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα, πρέπει να λάβει υπόψη, μεταξύ πολλών άλλων, αν οι ιδιότητες των υλικών από τα οποία φτιάχνουμε τις υποδομές (διαστημόπλοιο, εξοπλισμός, κ.α.) εξαρτώνται από τις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούν στο διάστημα.

As most people live all of their life under the shield of Earth’s atmosphere and Earth’s magnetic field, don’t realize how protective this shield is. For example, the atmosphere protects people from the outer space’s cold and the ultraviolet radiation of the Sun. The magnetic field deflects the charged blast of solar wind. So, a manned mission to Mars that has to be outside Earth’s atmosphere for almost a three years’ period, must take account of, among many other things, the properties of the materials that are going to be used to build various structures (spaceship, equipment, etc.).

Συγκεκριμένα:

·          1. Πώς επηρεάζει η χαμηλή θερμοκρασία τις ελαστικές ιδιότητες διάφορων υλικών;

(Πραγματοποιούμε το πείραμα που παρουσίασε ο Richard Feynman στην αμερικανική τηλεόραση, για να εξηγήσει στο εμβρόντητο κοινό την αιτία του ατυχήματος του διαστημικού λεωφορείου Challenger, το 1986).

·          

      1. Does the extremely cold environment, affect materials’ properties?  What caused the Space Shuttle Challenger disaster in 1986? 
     (The students use O-rings and iced water to perform the famous experiment that was conducted by R. Feynman to point out a likely reason for the Challenger disaster: the O-rings were made of a material which was not resilient in cold weather.)

Υλικά που απαιτούνται
Ένα ελαστικό δακτυλίδι Ο-ring (τσιμούχα).
Ένα ποτήρι με κρύο νερό και παγάκια (ή εναλλακτικά, ψυκτικό σπρέι).
Ένα κομμάτι σύρμα.

Διαδικασία
Πάρε ένα ο-ring, ένα ελαστικό δακτυλίδι, σύστρεψέ το σε σχήμα "8" και αφού το διατηρήσεις έτσι για μερικά δευτερόλεπτα, άφησέ το ελεύθερο.
Τι παρατηρείς; (το δακτυλίδι επανακτά άμεσα στο αρχικό του σχήμα).
Γιατί συνέβη αυτό; (λόγω των ελαστικών ιδιοτήτων του υλικού).

Μέσα σε ένα ποτήρι με νερό και παγάκια, τοποθέτησε για λίγα δευτερόλεπτα, το ίδιο δακτυλίδι, αφού πάλι το συστρέψεις σε σχήμα "8". Για να μπορέσεις να το βάλεις έτσι μέσα στο νερό δέσε το με ένα σύρμα. Βγάλε το δακτυλίδι από το παγωμένο νερό και λύσε άμεσα το σύρμα. Τι παρατηρείς;

Επιδεικνύοντας την επίδραση των χαμηλών θερμοκρασιών στις ελαστικές ιδιότητες των υλικών

Ανέκτησε το δακτυλίδι το αρχικό του σχήμα; (όχι).

Γιατί όχι; (Το δακτυλίδι δεν επανακτά το αρχικό του σχήμα, αλλά παραμένει παραμορφωμένο: η χαμηλή θερμοκρασία στην οποία εκτέθηκε έχει μεταβάλλει τις ελαστικές του ιδιότητες).

Η θερμοκρασία μέσα στο ποτήρι ήταν σχεδόν 0 βαθμοί Κελσίου. Πόση είναι η θερμοκρασία στο διάστημα όπου θα κινηθεί το διαστημόπλοιο της αποστολής; Θα πρέπει, κατά τη γνώμη σου, να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασμό της αποστολής; Τι προβλήματα θα μπορούσε να δημιουργήσει;

 (Αναφέρουμε στους μαθητές το ατύχημα του διαστημικού λεωφορείου Challenger, το 1986, 73 δευτερόλεπτα μετά την εκτόξευσή του. Τους δείχνουμε το βίντεο με τον R. Feynman να επιδεικνύει την αιτία του ατυχήματος: τη μεταβολή των ελαστικών ιδιοτήτων κάποιου o-ring εξαιτίας της χαμηλής θερμοκρασίας που επικράτησε στη βάση εκτόξευσης το προηγούμενο βράδυ.)


2. Πώς επηρεάζει η χαμηλή θερμοκρασία τις μαγνητικές ιδιότητες αγώγιμων υλικών;

Το παρακάτω πείραμα είναι πολύ εντυπωσιακό αλλά μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο εφόσον έχετε πρόσβαση σε υγρό άζωτο ή σε ξηρό πάγο.

Υλικά που απαιτούνται
Ένας χάλκινος σωλήνας μήκους περίπου 50 cm (ώστε να χωράει μέσα σε δοχείο Dewar με υγρό άζωτο).
Ένας ισχυρός κυλινδρικός μαγνήτης νεοδυμίου.
Ένα χαλίκι.
Υγρό άζωτο (ή εναλλακτικά, ξηρός πάγος).

Διαδικασία
Πλησίασε έναν ισχυρό μαγνήτη νεοδυμίου κοντά σε έναν χάλκινο σωλήνα. Τι παρατηρείς; Έλκεται ο χάλκινος σωλήνας; (όχι).

Γιατί; (ο χαλκός είναι διαμαγνητικό υλικό και όχι σιδηρομαγνητικό).

Πάρε ένα χαλίκι, το οποίο εύκολα μπορείς να διαπιστώσεις ότι επίσης δεν έλκει το χάλκινο σωλήνα, και άφησέ το να πέσει μέσα από το σωλήνα. Τι κίνηση κάνει; (ελεύθερη πτώση).

Τι νομίζεις ότι θα συμβεί αν αφήσεις το μαγνήτη να πέσει μέσα από το σωλήνα;
Δοκίμασέ το!

Τι παρατηρείς; (ο μαγνήτης πέφτει πολύ πιο αργά από ό,τι το χαλίκι).

Μπορείς να υποθέσεις γιατί συμβαίνει αυτό; (λόγω επαγωγής σχηματίζονται δινορεύματα στον αγώγιμο χαλκό. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τα δινορεύματα αντιτίθεται στην κίνηση του μαγνήτη).

Τοποθέτησε για περίπου 30 δευτερόλεπτα το χάλκινο σωλήνα μέσα στο υγρό άζωτο ή πάνω στον ξηρό πάγο. Αφού το βγάλεις προσεκτικά με ένα γάντι, άφησε και πάλι το μαγνήτη να πέσει μέσα από το σωλήνα. Τι παρατηρείς; (ο μαγνήτης πέφτει ακόμη πιο αργά από ό,τι προηγουμένως!)

Τι συμπεραίνεις; (η χαμηλή θερμοκρασία επηρέασε τις μαγνητικές ιδιότητες του χαλκού).

Όπως διαπίστωσες με τα δύο παραπάνω πειράματα, η έκθεση στις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες  του διαστήματος πρέπει να ληφθεί πολύ σοβαρά υπόψη στο σχεδιασμό του εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί στην αποστολή... Και τα προβλήματα δε σταματούν εδώ! 

3. Τι επίδραση έχει η υπεριώδης ακτινοβολία στις ιδιότητες των υλικών;

Η υπεριώδης ακτινοβολία που εκπέμπει ο Ήλιος, πέρα από τις πολύ σοβαρές επιπτώσεις που μπορεί να έχει στην υγεία των αστροναυτών, επιδρά και στα υλικά του εξοπλισμού της αποστολής. Για να διαπιστώσεις αυτή την επίδραση της αόρατης στα μάτια μας ακτινοβολίας, θα πραγματοποιήσεις δύο πειράματα. Το ρόλο του Ήλιου και στα δύο πειράματα παίζει μία φορητή λάμπα UVC, η οποία πωλείται στα διαδικτυακά καταστήματα ως φορητός αποστειρωτής επιφανειών και αντικειμένων καθημερινής χρήσης.

What phenomena can the ultraviolet radiation cause? 

(The students use a portable Ultra Violet C lamp to change the color of Ultra Violet beads and to demonstrate the photoelectric effect with every day materials.)

 ΠΡΟΣΟΧΗ! ΜΗ κοιτάξεις ποτέ απευθείας τη λάμπα UVC ενώ λειτουργεί και ΜΗ τη στρέψεις προς κάποια "γυμνή" περιοχή του δέρματός σου. Η ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει μόνιμες βλάβες στην όρασή σου και σοβαρά εγκαύματα στο δέρμα σου!

1ο πείραμα: Ανίχνευση της υπεριώδους ακτινοβολίας με καθημερινά υλικά
Υλικά που απαιτούνται
Λάμπα UVC.
Φακός LED.
Λάμπα blacklight.
Χάντρες ευαίσθητες στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV beads).
Μια γυάλινη πλάκα.
Γυάλινο μπουκαλάκι από κάποιο φάρμακο.

Διαδικασία
Αρχικά χώρισε τις χάντρες σε τρεις ομάδες.
Φώτισε την πρώτη ομάδα με έναν φακό LED για τουλάχιστον μισό λεπτό. Τι παρατηρείς; (δε συμβαίνει καμία αλλαγή, ανεξάρτητα από το χρόνο φωτισμού).

Φώτισε τη δεύτερη ομάδα με τη λάμπα blacklight για τουλάχιστον μισό λεπτό. Τι παρατηρείς; (οι χάντρες αλλάζουν χρώμα).  
Μπορείς να υποθέσεις γιατί συμβαίνει αυτό;

Η επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας: αλλαγή του χρώματος φωτοευαίσθητων υλικών

 Φώτισε την τρίτη ομάδα με τη λάμπα UVC για τουλάχιστον μισό λεπτό. Τι παρατηρείς; (οι χάντρες αλλάζουν χρώμα πιο γρήγορα και πιο έντονα).
Μπορείς να υποθέσεις γιατί συμβαίνει αυτό;
Μπροστά από την πρώτη ομάδα χαντρών, που δεν έχει αλλάξει χρώμα, τοποθέτησε μία γυάλινη πλάκα και φώτισε τις χάντρες με τη λάμπα blacklight. Τι παρατηρείς; (δε συμβαίνει καμία αλλαγή, ανεξάρτητα από το χρόνο φωτισμού).

Χρησιμοποιώντας και πάλι τη γυάλινη πλάκα μπροστά από την πρώτη ομάδα χαντρών, φώτισε τις χάντρες με τη λάμπα UVC. Τι παρατηρείς; (δε συμβαίνει επίσης καμία αλλαγή, ανεξάρτητα από το χρόνο φωτισμού).

Μπορείς να υποθέσεις γιατί συμβαίνει αυτό; (η γυάλινη πλάκα, όπως περίπου και η ατμόσφαιρα της Γης, απορροφά το μεγαλύτερο ποσοστό της υπεριώδους ακτινοβολίας).

Τοποθέτησε τις ίδιες αυτές χάντρες μέσα σε ένα άδειο γυάλινο μπουκάλι από  κάποιο φάρμακο και φώτισε το μπουκάλι τόσο με τη λάμπα blacklight όσο και με τη λάμπα UVC. Τι παρατηρείς;

(Και πάλι οι χάντρες δεν αλλάζουν χρώμα: τα μπουκάλια που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση φαρμάκων απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία για να προστατεύουν το περιεχόμενο από ανεπιθύμητες φθορές.)

2ο πείραμα: το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο με καθημερινά υλικά
Υλικά που απαιτούνται
Δύο κουτάκια από αλουμίνιο (κουτάκια αναψυκτικού ή μπύρας).
Ένα κουτάκι από λευκοσίδηρο (κουτάκι από γάλα εβαπορέ).
Γυαλόχαρτο.
Κολλητική ταινία.
Δύο πλαστικά ποτηράκια μιας χρήσης.
3 χάλκινα σύρματα μήκους  15-20 cm, το καθένα.
Χριστουγεννιάτικη τρέσα.
Ένας πλαστικός χάρακας.
Μία πλαστική σακούλα ή ένα κομμάτι γούνας.
Φακός LED.
Λάμπα blacklight.
Λάμπα UVC.
Μια γυάλινη πλάκα.

Διαδικασία
1. Τρίβοντας με το γυαλόχαρτο τα αλουμινένια κουτάκια,  αφαίρεσε όσο το δυνατόν περισσότερο από το χρώμα τους. Με την κολλητική ταινία στερέωσε κάθε ένα κουτάκι σε ένα αναποδογυρισμένο πλαστικό ποτήρι ώστε να διατηρείται οριζόντιο ως προς τον πάγκο εργασίας. Με την κολλητική ταινία στερέωσε στη ράχη κάθε κουτιού ένα χάλκινο σύρμα μήκους 15-20 cm και στην άκρη του κρέμασε από ένα θύσανο από χριστουγεννιάτικες τρέσες. Έχεις μόλις κατασκευάσει δύο ευαίσθητα ηλεκτροσκόπια!

2. Τρίψε τη γυάλινη ράβδο στην πλαστική σακούλα ή στη γούνα και ακούμπησέ την στο ένα αλουμινένιο κουτί. Επανάλαβε  μέχρι να δεις τις τρέσες να απομακρύνονται μεταξύ τους. Γιατί συμβαίνει αυτό; (Η γυάλινη ράβδος φορτίστηκε θετικά λόγω τριβής. Ακουμπώντας την στο αλουμινένιο κουτί αρνητικά φορτία-ηλεκτρόνια από το κουτί μεταφέρονται στη ράβδο, με αποτέλεσμα το αγώγιμο κουτί και οι τρέσες να απομείνουν θετικά φορτισμένα. Αφού οι τρέσες έχουν το ίδιο φορτίο απωθούνται μεταξύ τους.)

3. Ακούμπησε με ένα δάκτυλο το κουτί. Τι συμβαίνει;  Γιατί; (Νιώθεις ένα μικρό τίναγμα, το κουτί εκφορτίζεται και οι τρέσες παύουν να απωθούνται.)

4. Επανάλαβε το βήμα 2, αλλά αυτή τη φορά τρίψε έναν πλαστικό χάρακα με την πλαστική σακούλα ή τη γούνα και ακούμπησέ τον στο δεύτερο αλουμινένιο κουτί. Επανάλαβε μέχρι να δεις τις τρέσες να απομακρύνονται μεταξύ τους. Γιατί συμβαίνει αυτό; Παρατηρείς κάτι διαφορετικό σε σχέση με ό,τι παρατήρησες στο βήμα 2; (Ο πλαστικός χάρακας φορτίστηκε αρνητικά λόγω τριβής. Ακουμπώντας τον στο αλουμινένιο κουτί αρνητικά φορτία από την άκρη του χάρακα μεταφέρονται στο αγώγιμο κουτί, με αποτέλεσμα τόσο το κουτί όσο και οι τρέσες να φορτιστούν αρνητικά. Αφού οι τρέσες έχουν το ίδιο φορτίο απωθούνται μεταξύ τους. Ωστόσο, ΔΕΝ παρατηρείται καμία διαφορά σε σχέση με ό,τι παρατηρήθηκε στο βήμα 2.)

5. Φόρτισε και πάλι τα δύο αλουμινένια κουτάκια, το πρώτο (κουτί Α) ακουμπώντας πάνω του την τριμμένη γυάλινη ράβδο και το δεύτερο (κουτί Β) ακουμπώντας πάνω του τον τριμμένο πλαστικό χάρακα. Προσπάθησε οι τρέσες και στα δύο κουτιά να αποκλίνουν "το ίδιο", δηλαδή τα δύο κουτιά να φορτιστούν με ίσα, σχεδόν, φορτία, κατ' απόλυτο τιμή.

6. Φώτισε για 10-15 δευτερόλεπτα το κουτί Α με τη λάμπα UVC, από απόσταση λίγα χιλιοστά. Προσοχή στο χειρισμό της λάμπας! Τι παρατηρείς; (Οι τρέσες εξακολουθούν να απωθούνται.)

7. Φώτισε για 10-15 δευτερόλεπτα το κουτί Β με τη λάμπα UVC, από απόσταση λίγα χιλιοστά. Προσοχή στο χειρισμό της λάμπας! Τι παρατηρείς; (Οι τρέσες συγκλίνουν μεταξύ τους, γεγονός που υποδεικνύει ότι το κουτί εκφορτίστηκε.)

Μπορείς να δώσεις μία ερμηνεία για το φαινόμενο που παρατήρησες;

Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η ερμηνεία του δόθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905. Όπως παρατήρησες, ο φωτισμός του αλουμινίου με υπεριώδη ακτινοβολία οδήγησε στην εκφόρτιση του κουτιού Β που ήταν φορτισμένο αρνητικά. Συνεπώς, η ακτινοβολία οδήγησε στην απομάκρυνση (αρνητικά φορτισμένων) ηλεκτρονίων από το αλουμινένιο κουτί με αποτέλεσμα την εκφόρτιση του κουτιού και την αποκατάσταση ηλεκτροστατικής ισορροπίας.

Μπορείς να εξηγήσεις γιατί το θετικά φορτισμένο κουτί Α παρέμεινε φορτισμένο παρά την έκθεσή του στην υπεριώδη ακτινοβολία;
Αν χρησιμοποιούσες ένα βαθμονομημένο ηλεκτροσκόπιο μεγάλης ακρίβειας, τι θα περίμενες να συμβεί με το φορτίο του κουτιού Α όταν το φωτίζουμε με τη λάμπα UVC;

8. Ακούμπησε και τα δύο κουτάκια με τα χέρια σου για να εκφορτιστούν. Φόρτισέ τα και πάλι και τα δύο με αρνητικό φορτίο, ακουμπώντας τα, επανειλημμένως, με τον τριμμένο πλαστικό χάρακα.

9. Φώτισε το ένα κουτί με μία λάμπα blacklight για περισσότερο από 1 λεπτό. Τι παρατηρείς; (Το κουτί παραμένει φορτισμένο, ανεξάρτητα από το χρόνο που το φωτίζουμε.)

10. Φώτισε το δεύτερο κουτί με έναν μεγάλης φωτεινότητας φακό LED για περισσότερο από 1 λεπτό. Τι παρατηρείς; (Το κουτί παραμένει φορτισμένο, ανεξάρτητα από την ένταση του φωτός και το χρόνο που το φωτίζουμε.)

11. Τι συμπεραίνεις από τις τελευταίες δύο παρατηρήσεις; (Η συχνότητα του φωτός, το "χρώμα" του,  και όχι η έντασή του καθορίζει την εξαγωγή ή όχι ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο.)

12. Φώτισε ένα από τα δύο παραπάνω, αρνητικά φορτισμένα, κουτιά με τη λάμπα UVC αφού παρεμβάλλεις ανάμεσα στη λάμπα και το κουτί μια λεπτή γυάλινη πλάκα. Τι παρατηρείς; (Το κουτί παραμένει φορτισμένο ανεξάρτητα από το χρόνο φωτισμού.)

Η γυάλινη πλάκα απορροφά, όπως περίπου και η ατμόσφαιρα της Γης, το μεγαλύτερο ποσοστό της επικίνδυνης ακτινοβολίας UVC με αποτέλεσμα να μην παρατηρείς το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

13. Με την κολλητική ταινία στερέωσε το κουτάκι από λευκοσίδηρο σε ένα αναποδογυρισμένο πλαστικό ποτήρι ώστε να διατηρείται οριζόντιο ως προς τον πάγκο εργασίας. Με την κολλητική ταινία στερέωσε στη ράχη του κουτιού ένα χάλκινο σύρμα μήκους 15-20 cm και στην άκρη του κρέμασε ένα θύσανο από χριστουγεννιάτικες τρέσες.

14. Φόρτισε το κουτί με αρνητικό φορτίο, όπως ακριβώς φόρτισες και τα κουτιά Α και Β παραπάνω. Φώτισε με τη λάμπα UVC για περισσότερο από 1 λεπτό το κουτί, από πολύ μικρή απόσταση. Τι παρατηρείς; (Το κουτί δεν εκφορτίζεται, ανεξάρτητα από το χρόνο φωτισμού.)

Τι συμπεραίνεις;

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πέρα από τη συχνότητα της πηγής φωτός, εξαρτάται επίσης από το είδος του μετάλλου που φωτίζεται. Διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετική συμπεριφορά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Οι φυσικοί λένε ότι τα διάφορα υλικά έχουν διαφορετικό έργο εξόδου (ή  έργο εξαγωγής).


Άρα, από τα δύο πειράματα που πραγματοποίησες προκύπτει ότι η έντονη υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία στην οποία θα εκτεθεί ο εξοπλισμός της αποστολής μπορεί να προκαλέσει φθορές και μεταβολή των ιδιοτήτων των υλικών. Αυτό θα μπορούσε να έχει δραματικές συνέπειες στην επιτυχή έκβαση της αποστολής. Η επιλογή, λοιπόν, των κατάλληλων υλικών αλλά και  αυστηρών μέτρων προστασίας, είναι επιβεβλημένη!

·       
        4. Ποια επίδραση μπορεί να έχει ο φορτισμένος ηλιακός άνεμος στα ηλεκτρικά κυκλώματα ενός διαστημόπλοιου;

Στις δραστηριότητες που ακολουθούν χρησιμοποιείται το παιχνίδι Fun Fly Stick, στην πραγματικότητα μια φορητή και ισχυρή γεννήτρια Van der Graaf υπό μορφή ραβδιού, για να προσομοιωθεί ο φορτισμένος ηλιακός άνεμος που εκπέμπεται από τον Ήλιο. Στην μία άκρη του ραβδιού, που είναι κατασκευασμένη από σκληρό, ηλεκτρικά μονωτικό χαρτόνι,  συσσωρεύεται θετικό φορτίο όταν η συσκευή τεθεί σε λειτουργία, δημιουργώντας ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στο χώρο γύρω από αυτή. Τοποθετώντας ένα χάλκινο σύρμα σε αυτή την άκρη του ραβδιού, το θετικό φορτίο "διαρρέει"  κατευθυνόμενα στον περιβάλλοντα αέρα μέσω αυτού, δημιουργώντας μια ροή φορτίου που προσομοιώνει τη ροή ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων από τον Ήλιο: τον ηλιακό άνεμο.

·         

            How does the solar wind affect electronic equipment? 

     (The students use the Fun Fly Stick toy, i.e. a portable Van de Graff generator, to simulate the flow of solar wind and to turn on the test light of a screwdriver by distance. They can also induce sparks to an electrical circuit.)

How Aurora is formed? 

(The students use the Fun Fly Stick toy against a tube filled with neon to ionize the gas which emits a bright orange light.)

Υλικά που απαιτούνται
Fun Fly Stick (μικρή γεννήτρια Van der Graaf)
20 cm χάλκινο σύρμα
Λαστιχάκι
Δοκιμαστικό κατσαβίδι
Λαμπάκι νέον
Σωλήνας Geisler με νέον (περιέχεται στο "κόκκινο" βαλιτσάκι των Γενικών Λυκείων)
Μπαταρία 9V
Λαμπάκια
Κροκοδειλάκια

Διαδικασία
Φτιάξε ένα από ηλεκτρικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας τη μπαταρία, 1-3 λαμπάκια και αντίστοχα καλώδια. Στερέωσε με το λαστιχάκι το χάλκινο σύρμα στην άκρη του χάρτινου άκρου του Fun Fly Stick. Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό και οι λάμπες φωτοβολούν, θέσε σε λειτουργία το Fun Fly Stick και πλησίασέ το πολύ κοντά στους πόλους της μπαταρίας, έτσι ώστε η άκρη του χάλκινου σύρματος να απέχει λίγα χιλιοστά αυτούς. Τι παρατηρείς; (δημιουργούνται σπινθήρες).

Γιατί; (Λόγω του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργεί το Fun Fly Stick, ο αέρας γύρω από αυτό ιονίζεται. Τα διάφορα τμήματα της μπαταρίας, λόγω της σταθερής διαφοράς δυναμικού που δημιουργεί, δέχονται διαφορετικό αριθμό φορτίων και φορτίζονται διαφορικά. Οι ηλεκτρικές εκφορτίσεις δημιουργούν σπινθήρες.)

Τι προβλήματα μπορούν να δημιουργήσουν οι σπινθήρες αυτοί στο κύκλωμα; (Υπερφόρτωση, υπερθέρμανση και καταστροφή.)

Τι θα μπορούσε  να συμβεί αν το κύκλωμα ήταν μέρος ενός ηλεκτρονικού συστήματος σε κάποιο διαστημόπλοιο που ταξιδεύει προς τον Άρη, και δεχόταν τη ριπή του ηλιακού ανέμου; (Καταστροφή των κυκλωμάτων, μέχρι και απώλεια του σκάφους, όπως συνέβη με το δορυφόρο Telstar 401 στις 11/1/1997.)

Πάρε ένα δοκιμαστικό κατσαβίδι και κράτησέ το με το ένα σου χέρι, έτσι ώστε ο αντίχειράς σου να ακουμπάει το πίσω του μέρος και να το γειώνει. Με το άλλο σου χέρι θέσε σε λειτουργία το Fun Fly Stick. Τι παρατηρείς; (Το λαμπάκι του δοκιμαστικού κατσαβιδιού ανάβει!). Δοκίμασε να πλησιάσεις ή να απομακρύνεις το δοκιμαστικό κατσαβίδι στο Fun Fly Stick. Τι παρατηρείς; (Όσο πλησιάζουμε το κατσαβίδι το λαμπάκι του ανάβει πιο έντονα, ενώ όταν το απομακρύνουμε το λαμπάκι ανάβει ασθενέστερα.)

Γιατί συμβαίνει αυτό;

(Το δοκιμαστικό κατσαβίδι ανιχνεύει διαφορές δυναμικού. Το Fun Fly Stick δημιουργεί ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο γύρω από αυτό, το οποίο φθίνει όσο απομακρυνόμαστε. Ακουμπώντας το πίσω μέρος του κατσαβιδιού το γειώνουμε, δηλαδή το δυναμικό σε αυτό είναι ίσο με "μηδέν". Αντίθετα, η μύτη του κατσαβιδιού βρίσκεται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του Fun Fly Stick όπου το δυναμικό είναι πολύ μεγάλο. Λόγω της διαφοράς δυναμικού το λαμπάκι ανάβει.)

Ακούμπησε το δοκιμαστικό κατσαβίδι σε μία οριζόντια επιφάνεια, ένα τραπέζι, ώστε να "δείχνει" προς το Fun Fly Stick. Πλησιάσε το Fun Fly Stick προς το κατσαβίδι. Τι παρατηρείς; (Το λαμπάκι ανάβει, αν και λιγότερο έντονα από ό,τι όταν το κρατάει κανείς στο χέρι.)

Γιατί συμβαίνει αυτό; (Το ηλεκτρικό πεδίο γύρω από το Fun Fly Stick φθίνει με την απόσταση. Άρα, κατά μήκος του κατσαβιδιού το δυναμικό μεταβάλλεται και το λαμπάκι του ανάβει. Επειδή η διαφορά δυναμικού είναι μικρότερη σε σχέση με όταν το γειώνουμε με το δάκτυλό μας, φωτοβολεί ασθενέστερα.)

Πάρε ένα λαμπάκι νέον και κράτησέ το με δύο δάκτυλα από το ένα του άκρο ("ποδαράκι"). Θέσε σε λειτουργία το Fun Fly Stick και πλησιάσέ το στο άλλο "ποδαράκι". Τι παρατηρείς; (το λαμπάκι ανάβει εκπέμποντας ένα χαρακτηριστικό πορτοκαλί φως.)

Κράτησε το σωλήνα Geisler από το ένα άκρο και πλησίασε στο άλλο άκρο το Fun Fly Stick. Τι παρατηρείς; (Σχηματίζεται αίγλη μέσα στο σωλήνα, το άεριο του οποίου εκπέμπει το χαρακτηριστικό για το νέον πορτοκαλί φως. Σημειώστε ότι για να δούμε το ίδιο φαινόμενο στο εργαστήριο χρησιμοποιούμε τάση μερικών χιλιάδων Volt!!)

Γιατί συμβαίνει αυτό; (Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα δύο άκρα του σωλήνα Geisler επιταχύνει ιόντα τα οποία δημιουργούνται λόγω διακυμάνσεων και θερμικών συγκρούσεων. Τα ιόντα αυτά συγκρούονται με τα άτομα του νέον και τα διεγείρουν. Κατά την αποδιέγερσή τους τα άτομα εκπέμπουν το χαρακτηριστικό πορτοκαλί φως.)

Τι συνέπειες θα είχε στην επιτυχή έκβαση μιας αποστολής στον Άρη μια ισχυρή ηλιακή έκλαμψη; Τι μέτρα θα μπορούσαν να ληφθούν;

Β. Σχεδιασμός της τροχιάς
Problem B: A path planning to Mars

Ποια πορεία πρέπει να ακολουθήσει το διαστημόπλοιο για να φτάσει με ασφάλεια, οικονομία στα καύσιμα και όσο το δυνατό πιο σύντομα στον Άρη; Για να σχεδιάσεις την τροχιά της αποστολής θα πρέπει να γνωρίζεις τις βασικές φυσικές αρχές που καθορίζουν τις κινήσεις των πλανητών γύρω από τον Ήλιο και κατά συνέπεια των διαστημόπλοιων γύρω και ανάμεσα από τους πλανήτες.

Which path has the spaceship to take in order to touch down with safety on Mars’ surface as soon as possible consuming the least of fuels? To plan this path you must know the fundamental principles of physics that govern the motion of planets around the Sun as well as the motion of your spaceship too. In order to answer the following questions you should perform some hands-on activities.

·        
           5. Γιατί η Σελήνη δεν πέφτει πάνω στη Γη;
Ο Νεύτωνας απέδειξε ότι η Γη έλκει τη Σελήνη όπως έλκει κι ένα μήλο. Το μήλο όμως πέφτει στην επιφάνεια της Γης. Γιατί η Σελήνη δεν πέφτει κι αυτή πάνω στη Γη; Γιατί οι πλανήτες δεν πέφτουν πάνω στον Ήλιο;

     Why doesn’t Moon fall on the Earth? 

     (The students use a tennis ball, a string and a heavy metal ball to simulate the free fall of Moon around Earth.)

     
     Υλικά που απαιτούνται
Πλαστικός σωλήνας μήκους 20 cm ή ένα καλαμάκι
Νήμα μήκους 1 m περίπου
Ένα μπαλάκι του τένις
Ένα βαρύ κουρσούμι ή μια πέτρα

Διαδικασία
Δέσε το μπαλάκι του τένις με το νήμα, έτσι ώστε να μπορείς να το περιστρέφεις με ασφάλεια χωρίς αυτό να εκσφενδονίζεται από το νήμα. Πέρνα την άλλη άκρη του νήματος μέσα από το σωλήνα και δέσε σε αυτήν ένα βαρύ κουρσούμι ή μία πέτρα.

Κράτησε κατακόρυφο το σωλήνα ώστε η πέτρα να βρίσκεται κάτω και το μπαλάκι στο πάνω μέρος του σωλήνα. Τράβηξε το μπαλάκι κατά 20-30 cm και άφησέ το ελεύθερο. Τι παρατηρείς; (Το μπαλάκι "πέφτει" μέχρι να εξαντληθεί το μήκος του νήματος που βρίσκεται πάνω από το σωλήνα.)

Μπορείς να υποχρεώσεις το μπαλάκι να μένει σε σταθερή απόσταση από το πάνω άκρο του σωλήνα, χωρίς να πέφτει προς αυτόν; (Ναι. Αρχίζουμε να περιστρέφουμε με μικρές κυκλικές κινήσεις το σωλήνα.)

Τι θα συμβεί αν περιστρέψεις πιο γρήγορα το σωλήνα; (Η πέτρα ανεβαίνει και η ακτίνα περιστροφής της μπάλας μεγαλώνει.)

     Πώς συνδέεται αυτό το απλό πείραμα με το γεγονός ότι η Σελήνη δεν πέφτει πάνω στη Γη;
     (Η βαριά πέτρα παίζει το ρόλο της Γης και το μπαλάκι του τένις το ρόλο της Σελήνης. Αν η Σελήνη δεν περιστρεφόταν γύρω από τη Γη, τότε, όπως το μπαλάκι που το αφήνουμε ελεύθερο, θα έπεφτε  πάνω στη Γη.  Και για να είμαστε ακριβείς, στην πραγματικότητα, ο Νεύτωνας απέδειξε ότι η Σελήνη όντως πέφτει προς τη Γη λόγω της βαρυτικής έλξης που ασκείται ανάμεσα στα δύο σώματα. Εξαιτίας, όμως,  της γραμμικής ταχύτητας περιστροφής της, δεν πέφτει κατακόρυφα, όπως δεν πέφτει κατακόρυφα και μία μπάλα που κλωτσάμε από μία ταράτσα, για παράδειγμα. Η καμπύλη τροχιά που ακολουθεί, λόγω της ταχύτητας περιστροφής της, την υποχρεώνει να "πέφτει" διαρκώς γύρω από τη Γη χωρίς να φτάνει ποτέ σε αυτή. Ό,τι δηλαδή ακριβώς κάνει και η περιστρεφόμενη μπάλα του τένις στο παραπάνω πείραμα!)

    

          6. Γιατί οι κοντινοί στον Ήλιο πλανήτες γυρίζουν πιο γρήγορα από ό,τι οι μακρινοί;
      Ο Ερμής, ο κοντινότερος στον Ήλιο πλανήτης, περιστρέφεται μία φορά κάθε 88 ημέρες γύρω από τον Ήλιο. Η Γη χρειάζεται 365 ημέρες και ο Δίας σχεδόν 12 χρόνια. Γιατί συμβαίνει αυτό; Τι θα γινόταν αν η Γη είχε μεγαλύτερη μάζα αλλά βρισκόταν στην ίδια απόσταση από τον Ήλιο; Τι θα συνέβαινε αν ο Ήλιος είχε διπλάσια μάζα; Θα άλλαζαν οι ταχύτητες περιστροφής των πλανητών γύρω από αυτόν;

     

·         Mercury takes 88 days to completely orbit the Sun, Earth 365 days and Jupiter almost 12 years. Why so? (The students use two mugs of different masses, a pencil, a string and a couple of nuts to simulate the rotation of planets around the Sun. They can watch the conservation of angular momentum in action!)

     Υλικά που απαιτούνται
     Νήμα μήκους περίπου 80-100 cm
     Μερικές βίδες μάζας 10 g η κάθε μία
     Ένα μολύβι ή ένα στυλό
     Δύο πέτρες ή βαρίδια μάζας περίπου 100 g και 200 g αντίστοιχα

     Διαδικασία
     Δέσε μία βίδα στη μία άκρη του νήματος. Στην άλλη άκρη του νήματος δέσε το βαρίδι.  Κρατώντας τεντωμένο με το αριστερό σου χέρι το μολύβι, ανάρτησε το βαρίδι ώστε να κρέμεται λίγα εκατοστά του μέτρου χαμηλότερα από το μολύβι, και διατηρώντας το νήμα οριζόντιο κράτησε τη βίδα σαν να πρόκειται για κάποιο τόξο (βλέπε παρακάτω Εικόνα).

Εικόνα. Η διάταξη του πειράματος

     Τι θα συμβεί αν αφήσεις ελεύθερη τη βίδα να κινηθεί; (Αν και οι περισσότεροι υποθέτουν ότι το μεγάλης μάζας βαρίδι θα παρασύρει και θα ρίξει την ελαφριά βίδα στο έδαφος, συμβαίνει κάτι εξαιρετικά ενδιαφέρον: η πτώση του βαριδίου σταματάει σε κάποιο ύψος και η βίδα περιστρέφεται γύρω από το μολύβι, μέχρι το νήμα να τυλιχτεί όλο γύρω από αυτό.)

      Επανάλαβε μερικές φορές το πείραμα και παρατήρησε προσεκτικά την κίνηση που κάνει η βίδα καθώς περιστρέφεται. Είναι σταθερή η ταχύτητα περιστροφής της; (Όχι. Όσο το μήκος του νήματος μειώνεται, τόσο πιο γρήγορα περιστρέφεται η βίδα.)

      Γιατί συμβαίνει αυτό; (Λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορμής της βίδας: όσο μειώνεται η ακτίνα περιστροφής κι επομένως η ροπή αδράνειας της βίδας ως προς τον άξονα περιστροφής, αυξάνεται η γωνιακή της ταχύτητα.)
     
     Το φαινόμενο που παρατήρησες είναι μια προσομοίωση της διαφορικής περιστροφής των πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Οι κοντινότεροι πλανήτες περιστρέφονται πιο γρήγορα από τους πιο μακρινούς.


     Πρόσθεσε και το δεύτερο βαρίδι και επανάλαβε το πείραμα. Τι αλλάζει στην ταχύτητα περιστροφής  της βίδας; (Περιστρέφεται με μεγαλύτερη γωνιακή ταχύτητα.)
     Αυτό σημαίνει ότι ο ίδιος πλανήτης θα περιστρεφόταν ταχύτερα αν βρισκόταν στην ίδια απόσταση, γύρω από ένα άστρο μεγαλύτερης μάζας.
 
      Αφαίρεσε το δεύτερο βαρίδι και πρόσθεσε μια επιπλέον βίδα στην πρώτη. Επανάλαβε το πείραμα. Τι παρατηρείς; (Οι δύο βίδες περιστρέφονται πιο αργά από ό,τι η μία βίδα.)
      Έτσι, ένας μεγαλύτερης μάζας πλανήτης θα περιστρεφόταν πιο αργά αν βρισκόταν στην ίδια απόσταση γύρω από το ίδιο άστρο.

      7. Πώς ένα διαστημόπλοιο βρίσκει το δρόμο του;

·         Το ταξίδι προς τον Άρη είναι μακρύ. Πώς άραγε ένα διαστημόπλοιο μπορεί να προσανατολίζεται στο διάστημα; Μπορεί να χρησιμοποιήσει πυξίδα, όπως κάνουμε στη Γη; Η απάντηση βρίσκεται στο πείραμα που ακολουθεί.

·          

     How a spaceship finds its way into the space? 

     (The students investigate the wonderful gyroscope.)

 
      Υλικά που απαιτούνται
      Ένα Γυροσκόπιο(παιχνίδι)
      Έναν πύραυλο-διαστημόπλοιο (παιχνίδι!)

      Διαδικασία
     Θέσε σε περιστροφή το γυροσκόπιο, χρησιμοποιώντας το νήμα που το συνοδεύει. Τοποθέτησέ το πάνω στο ρύγχος του πυραύλου και άφησέ το ελεύθερο! Τι παρατηρείς; (Το γυροσκόπιο περιστρέφεται χωρίς να πέφτει!)

      Στρέψε τον πύραυλο, με απαλές όχι απότομες κινήσεις, σε διάφορες διευθύνσεις. Τι παρατηρείς να συμβαίνει με τον προσανατολισμό του γυροσκοπίου; (Το γυροσκόπιο δεν ακολουθεί την αλλαγή προσανατολισμού του σώματος του πυραύλου, αλλά εξακολουθεί να περιστρέφεται γύρω από άξονα που διατηρεί, για κάποιο χρονικό διάστημα, σταθερό τον αρχικό του προσανατολισμό.)

     Γιατί συμβαίνει αυτό; (Λόγω αρχής διατήρησης της στροφορμής. Η εξωτερική ροπή του βάρους του γυροσκοπίου είναι ίση με μηδέν, αφού το βάρος του ασκείται στο κέντρο μάζας του από το οποίο διέρχεται ο άξονας περιστροφής. Το γυροσκόπιο θα κάνει τελικά μεταπτωτική κίνηση λόγω των εξωτερικών ροπών της αντίστασης του αέρα και τελικά θα πέσει.)

     Πώς ένα διαστημόπλοιο βρίσκει το δρόμο ανάμεσα στους πλανήτες; (Προφανώς δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει πυξίδα, όντας εκτός του σταθερού προσανατολισμού μαγνητικού πεδίου της Γης. Το διαστημόπλοιο, όπως και όλα τα αεροπλάνα, διαθέτει ένα γυροσκοπικό μηχανισμό, όπως αυτός που χρησιμοποίησες στο πείραμα. Ο μηχανισμός αυτός συντηρεί, με την παροχή ενέργειας, την περιστροφική  του κίνηση αμετάβλητη. Ο σταθερός άξονας περιστροφής παρέχει μια σταθερή διεύθυνση στο χώρο, ακόμη κι όταν το διαστημόπλοιο ελίσσεται, όπως ακριβώς και ο δικός σου πύραυλος στο παραπάνω πείραμα!)

        

     8. Πώς ένας πλανήτης επιταχύνει ένα διαστημόπλοιο αλλάζοντας την κατεύθυνση κίνησής του;  Το φαινόμενο της "σφεντόνας".
     Κατά το σχεδιασμό της τροχιάς ενός διαστημοπλοίου οι μηχανικοί πτήσης αξιοποιούν τα βαρυτικά πεδία των πλανητών και του Ήλιου για να αλλάξουν την πορεία μιας διαστημοσυσκευής. Πώς όμως γίνεται αυτό;

·       

           How a spaceship goes into orbit around a planet? 

      (The students use the Hover football gadget and a strong neodymium magnet to simulate the gravitational pull of the planet to an approaching spaceship.)

      Υλικά που απαιτούνται
      Ένας ισχυρός μαγνήτης νεοδυμίου
      Ένας δίσκος από το παιχνίδι Hoover football
      Μία βαριά σιδερένια σφαίρα (κουρσούμι)

      Διαδικασία
     Στην προσομοίωση αυτή θα χρησιμοποιήσεις ένα δίσκο από το παιχνίδι Hoover football (βλέπε παρακάτω βίντεο), ο οποίος αξιοποιεί ένα μικρό κινητήρα για να δημιουργήσει ένα στρώμα αέρα και να κινείται με ελάχιστη τριβή (προσομοίωση κίνησης διαστημόπλοιου στο διάστημα χωρίς τριβές).
     Στερέωσε, με λίγη κολλητική ταινία, ένα μικρό ισχυρό μαγνήτη νεοδυμίου στο πλάι του δίσκου και θέσε σε λειτουργία τον κινητήρα του.  Σπρώξε το δίσκο απαλά προς μια ακίνητη σιδερένια σφαίρα που έχεις τοποθετήσει  σε απόσταση 1 m περίπου από αυτόν. Προσπάθησε ώστε η πορεία του δίσκου να τον φέρνει σε απόσταση 10 cm περίπου από τη σφαίρα, στο πλησιέστερο προς αυτή σημείο.

     Τι παρατηρείς να συμβαίνει; (Ο δίσκος αρχικά κινείται σε ευθεία τροχιά. Όταν πλησιάζει προς τη μεταλλική σφαίρα η τροχιά του καμπυλώνεται, τόσο περισσότερο όσο πιο κοντά περνάει από τη σφαίρα, ενώ ταυτόχρονα ο δίσκος περιστρέφεται γύρω από άξονα που διέρχεται από το κέντρο του.)

      Γιατί συμβαίνει αυτό; (Ο δίσκος κινείται με σταθερή σχεδόν ταχύτητα, χάρη στην ελαχιστοποίηση της τριβής ολίσθησης που προσφέρει το στρώμα αέρα. Όταν πλησιάζει προς τη σιδερένια σφαίρα ο μαγνήτης πάνω στο δίσκο έλκει τη σφαίρα και ταυτόχρονα, λόγω του τρίτου νόμου του Νεύτωνα, η σφαίρα έλκει το μαγνήτη, άρα και το δίσκο στον οποίο είναι στερεωμένος. Επειδή ο δίσκος έχει πολύ μικρότερη μάζα επιταχύνεται αισθητά περισσότερο από ό,τι η μεγάλης μάζας σφαίρα και εκτρέπεται από την πορεία του.)

      Επιχείρησε να σπρώξεις το δίσκο έτσι ώστε να κινηθεί με μικρότερη ή μεγαλύτερη ταχύτητα, σε τροχιά που τον φέρνει πιο κοντά ή πιο μακριά από τη σιδερένια σφαίρα. Τι παρατηρείς; (Όταν η ταχύτητα του δίσκου είναι μεγαλύτερη ή η απόσταση που πλησιάζει τη σφαίρα είναι μεγαλύτερη, η εκτροπή του είναι μικρότερη από όταν πλησιάζει σε κοντινότερη απόσταση τη σφαίρα ή με μικρότερη ταχύτητα. Για πολύ μικρές ταχύτητες ή για πολύ κοντινές αποστάσεις, ο δίσκος πέφτει πάνω στη σφαίρα.)

     Στην κίνηση των διαστημοσυσκευών ή των διαστημοπλοίων, το ρόλο της μαγνητικής αλληλεπίδρασης παίζει η βαρυτική  αλληλεπίδραση ανάμεσα σε έναν πλανήτη και μια διαστημοσυσκευή. Επειδή η μάζα του πλανήτη είναι εξαιρετικά μεγαλύτερη από αυτή της διαστημοσυσκευής, η τροχιά της διαστημοσυσκευής μεταβάλλεται. Όσο πιο κοντά περάσει η διαστημοσυσκευή από τον πλανήτη, τόσο μεγαλύτερη είναι η εκτροπή που υφίσταται. Για πολύ κοντινές διελεύσεις η διαστημοσυσκευή μπορεί να αιχμαλωτιστεί στο βαρυτικό πεδίο του πλανήτη. Κάτι τέτοιο είναι επιθυμητό, βέβαια, όταν όπως σε αυτή την αποστολή, επιθυμούμε να προσεδαφιστούμε στον πλανήτη.

Γ. Φτάνοντας στον Άρη

Problem C: Living on Mars’ surface

Μετά από 6 μήνες ταξιδιού η αποστολή σου προγραμματίζεται να φτάσει στον κόκκινο πλανήτη. Για την ασφάλεια του πληρώματος θα πρέπει να λάβεις υπόψη τις ιδιαίτερες περιβαλλοντολογικές συνθήκες που επικρατούν στον Άρη. Για παράδειγμα, ο Άρης περιβάλλεται από πολύ αραιή ατμόσφαιρα η οποία έχει πίεση ίση περίπου με το 1/100 της ατμοσφαιρικής πίεσης που έχουμε στην επιφάνεια της Γης, ενώ, ταυτόχρονα, ο πλανήτης διαθέτει εξαιρετικά ασθενές μαγνητικό πεδίο. Αφού λάβεις υπόψη σου αυτούς τους παράγοντες, θα πρέπει να εξασφαλίσεις την ενεργειακή επάρκεια της αποστολής. Πώς μπορεί να παραχθεί ενέργεια στην επιφάνεια του Άρη. Είναι αρκετό το ηλιακό φως για να θέσει σε λειτουργία φωτοβολταϊκά συστήματα; Τι άλλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί;

·          
      9. Γιατί έχει ο Άρης τόσο αραιή ατμόσφαιρα;
     

·         Why the Martian atmosphere is so thin?  

     (The students use the Fun Fly Stick toy and a candle to demonstrate the effect of solar wind to Martian atmosphere.)

 Υλικά που απαιτούνται
      Fun Fly Stick
      20 cm χάλκινο σύρμα
      Λαστιχάκι
      Κεράκι ρεσώ
      Αναπτήρας

      Διαδικασία
      Άναψε, προσεκτικά με τον αναπτήρα το κεράκι ρεσώ.
      Στερέωσε με το λαστιχάκι το χάλκινο σύρμα στο χάρτινο άκρο του Fun Fly Stick και θέσε τη συσκευή σε λειτουργία. Πλησίασε την άκρη του σύρματος στη φλόγα του κεριού.  Τι παρατηρείς; (Η φλόγα τρεμοπαίζει, γέρνοντας σε κατεύθυνση αντίθετη από αυτή του σύρματος, ακόμη και σβήνει!)

      Γιατί συμβαίνει αυτό; (Η ροή φορτίων από την ακίδα δημιουργεί ρεύμα αέρα που σβήνει τη φλόγα του κεριού. Μπορείτε να αισθανθείτε τη ροή αυτή ως ένα ελαφρύ ψυχρό ρεύμα αέρα αν πλησιάσετε το χάλκινο σύρμα στο εσωτερικό της παλάμης σας.)

      Όταν ο ηλιακός άνεμος, που πνέει με ταχύτητες μεταξύ 300 Km/s και 800 Km/s, κατευθυνθεί  σε πορεία σύγκρουσης με τη γήινη ατμόσφαιρα, τα φορτισμένα σωματίδια του ηλιακού ανέμου, λόγω του ισχυρού μαγνητικού πεδίου της Γης, εκτρέπονται στους πόλους δημιουργώντας το φαντασμαγορικό Σέλας.

      Ο Άρης, όμως, έχει εξαιρετικά ασθενές μαγνητικό πεδίο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι ριπές του ηλιακού ανέμου σκόρπισαν την ατμόσφαιρα του Άρη στο διάστημα, όπως ακριβώς το Fun Fly Stick, που προσομοιώνει τον ηλιακό άνεμο, παρασύρει και σβήνει τη φλόγα του μικρού κεριού στο πείραμα που πραγματοποίησες.

      10. Τι θα γινόταν αν ένας αστροναύτης έβγαζε το κράνος του στην επιφάνεια του Άρη; 

      
      What will happen if an astronaut takes off his/her helmet? 

      (The students use a 60 ml syringe, balloons and marshmallows to demonstrate the effect of a lower pressure atmosphere.)

  Υλικά που απαιτούνται

       Δύο σύριγγες των 60 ml (χωρίς βελόνα)

       Μερικά μικρά, μακρόστενου σχήματος μπαλόνια

       Ζαχαρωτά Marshmallow

      Διαδικασία

     Αφαίρεσε προσεκτικά το έμβολο της σύριγγας και τοποθέτησε μέσα σε αυτή ένα ζαχαρωτό marshmallow. Ομοίως, στην άλλη σύριγγα τοποθέτησε ένα μικρό, μακρόστενου σχήματος μπαλόνι του οποίου έχεις δέσει την άκρη κόμπο, χωρίς να το έχεις φουσκώσει, ώστε να μη μπορεί να διαφύγει ο λίγος αέρας που περιέχει. Τοποθέτησε το έμβολο και σπρώξτο μέχρι να φτάσει λίγο πριν ακουμπήσει το ζαχαρωτό ή το μπαλόνι. Κλείσε με ένα δάκτυλο το στόμιο της σύριγγας, στο μέρος που  τοποθετείται η βελόνα, και άρχισε να τραβάς σιγά-σιγά το έμβολο προς τα πίσω. Πρόσεξε να διατηρείς προσεκτικά κλειστό το στόμιο της σύριγγας με το δάκτυλό σου, ώστε να μην μπει καθόλου άερας! Τι παρατηρείς; (Τόσο το ζαχαρωτό όσο και το μπαλόνι αρχίζουν και φουσκώνουν!! Όσο περισσότερο τραβάμε το έμβολο τόσο περισσότερο φουσκώνουν.)

   

      Γιατί συμβαίνει αυτό; (Κλείνοντας με το δάκτυλο το στόμιο της σύριγγας δεν επιτρέπουμε στον αέρα να μπει ή να βγεί από τη σύριγγα. Τραβώντας το έμβολο προς τα έξω ο όγκος που καταλαμβάνει ο  αέρας μέσα στη σύριγγα αυξάνεται κι επομένως μειώνεται η πίεσή του. Τόσο το ζαχαρωτό όσο και το μπαλόνι, όμως, περιέχουν εγκλωβισμένο αέρα με πίεση ίση με την αρχική ατμοσφαιρική πίεση. Καθώς η πίεση αυτή είναι μεγαλύτερη από την πίεση που επικρατεί πλέον μέσα στη σύριγγα ο αέρας μέσα σε αυτά διαστέλλεται (εκτονώνεται) ώστε ομοιώς να μειωθεί η πίεση και να εξισωθεί με αυτή του περιβάλλοντος αέρα.) 

      Αν ο όγκος του αέρα μέσα στη σύριγγα διπλασιαστεί, ενώ η θερμοκρασία του παραμείνει σταθερή,  πόση θα γίνει η πίεσή του; (Θα γίνει η μισή.)

      

     Στην επιφάνεια του Άρη η  ατμοσφαιρική πίεση είναι περίπου 100 φορές μικρότερη από αυτή που επικρατεί στην επιφάνεια της Γης. Πόσο μεγάλη σύριγγα θα χρειαζόσουν  ώστε, τραβόντας και πάλι το έμβολό της, η πίεση στο εσωτερικό της να γίνει ίση με την ατμοσφαιρική πίεση  στον Άρη; 

     Τι θα γινόταν αν ένας αστροναύτης, που μπορεί να κρατήσει για μερικά  λεπτά την αναπνοή του, έβγαζε το κράνος του στην επιφάνεια του Άρη; (Ο αέρας στο σώμα του αστροναύτη θα εκτονωνόταν, όπως το μπαλόνι και το ζαχαρωτό στο παραπάνω πείραμα, και ο αστροναύτης θα εκρήγνυτο! Ταυτόχρονα, λόγω της χαμηλής πίεσης η θερμοκρασία βρασμού του αίματος θα έπεφτε τόσο πολύ ώστε σχεδόν ακαριαία το αίμα του θα έβραζε!)

      11. Παράγοντας ενέργεια στην επιφάνεια του Άρη

·          
      How can we produce energy to supply a manned base on Mars? 

      (The students use a Peltier system, a candle and iced water to supply a simple electrical circuit with power.)

·         
            Υλικά που απαιτούνται
       Σύστημα Πελτιέ (Peltier)
       Πολύμετρο
       2 "σκαφάκια" αλουμινίου για κέικ
       Κεράκι ρεσώ
       Νερό
       Παγάκια
       Μερικά κομμάτια φελιζόλ
      
      Διαδικασία
      Τοποθέτησε τα δύο αλουμινένια "σκαφάκια" πλάτη με πλάτη, όπως φαίνεται στο παρακάτω βίντεο. Ανάμεσά τους τοποθέτησε το σύστημα Πελτιέ, ενώ για να αποφύγεις τη μεταξύ τους επαφή, τοποθέτησε επίσης μικρά κομμάτια φελιζόλ, κατάλληλα κομμένα.
      Τοποθέτησε το κάτω σκαφάκι πάνω σε μικρά κομμάτια φελιζόλ προκειμένου η κατασκευή να υπερυψωθεί ελαφρά και να μπορεί τοποθετηθεί απο κάτω ένα αναμμένο κερί ρεσώ.
      Αρχικά, προτού ανάψεις το κερί, σύνδεσε το σύστημα Πελτιέ με ένα πολύμετρο και κατέγραψε την τάση μεταξύ των δύο ακροδεκτών του. Τι παρατηρείς; (είναι ίση με μηδέν.)

      Άναψε το κερί και τοποθέτησέ το προσεκτικά κάτω από χαμηλό σκαφάκι. Παρατήρησε την ένδειξη του πολυμέτρου. Τι συμβαίνει; (Το πολύμετρο καταγράφει διαφορά δυναμικού που αυξάνεται διαρκώς.)

      Πρόσθεσε νερό στο πάνω σκαφάκι. Τι δείχνει το πολύμετρο; (η τάση αυξάνεται πιο γρήγορα.)

     Πρόσθεσε παγάκια στο νερό. Τι δείχνει το πολύμετρο; (η τάση συνεχίζει να αυξάνεται ακόμη πιο γρήγορα!)

     Γιατί συμβαίνει αυτό; (Το σύστημα Πελτιέ αποτελείται από ένα θερμοζεύγος: όταν υπάρχει θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ των δύο πλακών του, αναπτύσσεται μεταξύ τους διαφορά δυναμικού. Η τάση αυτή είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη η θερμοκρασιακή διαφορά.)

·          Πώς μπορεί να αξιοποιηθεί αυτό το φαινόμενο για την παραγωγή ηλεκρικής ενέργειας στην επιφάνεια στον Άρη; (Επειδή στον Άρη η ατμόσφαιρα είναι αραιή, υπάρχουν μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ σκιάς και φωτεινής επιφάνειας. Μια συστοιχία συστημάτων Πελτιέ θα μπορούσε να παράσχει αξιοποιήσιμη ηλεκτρική τάση όταν η μία πλευρά κάθε συστήματος στραφεί στον Ήλιο, ενώ η άλλη παραμένει στη σκιά.)

      12. Επικοινωνώντας με τη Γη: ασύρματη μετάδοση ήχου με φωτεινή δέσμη

      Το πείραμα που ακολουθεί είναι απλό και ταυτόχρονα πολύ εντυπωσιακό. Στηρίζεται σε μια ιδέα του Graham Bell ο οποίος πρώτος οραματίστηκε και υλοποίησε το 1880, μαζί με το βοηθό του Charles Sumner Tainter , το «φωτο-τηλέφωνο» (photo phone). Οι μαθητές αν και είναι απόλυτα εξοικειωμένοι με τις ασύρματες επικοινωνίες, οι οποίες στηρίζονται στη χρήση των αόρατων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, εντυπωσιάζονται ιδιαίτερα όταν, συμμετέχοντας στο πείραμα, γίνονται μάρτυρες της μετάδοσης ήχου με ορατό φως. 

    Το πείραμα παρουσιάστηκε από τη συνάδελφο κ. Παρασκευή Τσακμάκη, Φυσικό στο Γυμνάσιο Γουμένισσας,  στους 6ους Πανελλήνιους Αγώνες Κατασκευών και Πειραμάτων.

     

     Οι αστροναύτες πρέπει να επικοινωνούν καθ' όλη τη διάρκεια της αποστολής με τη Γη. Στο πείραμα που ακολουθεί θα διαπιστώσεις πώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, εδώ το ορατό φως, μπορούν να μεταφέρουν πολύτιμη πληροφορία.

·          

     How astronauts communicate with the mission control center on Earth? 

     (The students connect a flashlight to a MP3 and transmit the sound through the light beam.  The receiver is a solar panel connected to a speaker.)

     
Υλικά που απαιτούνται

      1 φωτοβολταϊκό στοιχείο

      1 ζευγάρι στερεοφωνικά ηχεία 2W με ανεξάρτητη τροφοδοσία και εσωτερικό ενισχυτή

      1 φακός LED

      1 συσκευή αναπαραγωγής Mp3

      1 στεροφωνικό βύσμα 3.5 mm

      Καλώδια

     

      Διαδικασία

      Με ένα κολλητήρι σύνδεσε δύο μικρά καλώδια με το στερεοφωνικό βύσμα όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

         Σύνδεσε το ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με με το ένα ζευγάρι ηχείων. Άνοιξε την τροφοδοσία των ηχείων και στρέψε το φωτοβολταϊκό στοιχείο προς διάφορες πηγές φωτός: τον Ήλιο, ένα κερί, μία λάμπα πυρακτώσεων, μία λάμπα φθορισμού. Περίγραψε αυτό που ακούς. Τι διαφορές υπάρχουν μεταξύ των διάφορων ήχων;

Σύνδεσε παράλληλα με τη τροφοδοσία του φακού (συνήθως 3 μπαταρίες ΑΑΑ) τα δύο καλώδια που έχουμε συνδέσει με το στερεοφωνικό βύσμα της παραπάνω εικόνας (προαιρετικά, μπορείς να χρησιμοποιήσεις κολλητήρι για να είναι σταθερότερες οι συνδέσεις). Σύνδεσε το βύσμα με το Mp3 player το οποίο και θέσε σε λειτουργία.

Πλησίασε τον αναμμένο φακό σε απόσταση 10-15 cm από το φωτοβολταϊκό στοιχείο, το οποίο είναι συνδεδεμένο με τα ενεργοποιημένα ηχεία.Τι ακούς;

  Ενεργοποιήστε τα ηχεία σας καθώς βλέπετε το βίντεο αυτό!

Απομάκρυνε το φακό για να διαπιστώσεις ποια είναι η μέγιστη απόσταση από το φωτοβολταϊκό στοιχείο για την οποία εξακολουθεί να υπάρχει λήψη σήματος.

Βάλε το χέρι σου μπροστά από το φωτοβολταϊκό στοιχείο: ο ήχος διακόπτεται άμεσα. Τράβηξε το χέρι σου: ο ήχος επανέρχεται!

Στρέψε τη φωτεινή δέσμη  του φακού προς την επιφάνεια ενός οπτικού δίσκου (CD) ή ενός καθρέφτη έτσι ώστε η δέσμη να ανακλαστεί και να κατευθυνθεί προς το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Τι παρατηρείς; (Ο ήχος ακούγεται κι έτσι!)

  Ενεργοποιήστε τα ηχεία σας καθώς βλέπετε το βίντεο αυτό!

Δοκίμασε διαδοχικές ανακλάσεις του φωτός, χρησιμοποίησε μεγεθυντικούς φακούς, έγχρωμα φίλτρα, γυάλινες πλάκες και δοχείο με νερό ως μέσα διάδοσης, για να ελέγξεις πώς διαδίδονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, και κατ' επέκταση οι πληροφορίες, όταν χρησιμοποιείς το κινητό σου ή όταν βλέπεις τηλεόραση...

  Ενεργοποιήστε τα ηχεία σας καθώς βλέπετε το βίντεο αυτό!

Τι συμβαίνει στα παραπάνω πειράματα;

Η βασική αρχή λειτουργίας των πειραμάτων είναι ουσιαστικά η διαμόρφωση σήματος κατά πλάτος (amplitude modulation, ΑΜ). Οι μπαταρίες παρέχουν ένα ισχυρό και σταθερό συνεχές ρεύμα στις φωτοδιόδους - λάμπες LED. Έτσι οι λάμπες αυτές λάμπουν με σταθερή φωτεινότητα. Όταν συνδέεται το Mp3 player με το φακό και  τίθεται σε λειτουργία προσθέτει ένα ασθενές και μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό σήμα στο σταθερό ρεύμα από τις μπαταρίες. Τώρα οι λάμπες «αναβοσβήνουν» σε συμφωνία με το σήμα εξόδου από το Mp3 player. Στο ισχυρό ρεύμα των μπαταριών υπερτίθεται το ασθενές σήμα της ηχητικής πηγής. Αυτές οι διακυμάνσεις φωτός (που δεν είναι ορατές από το μάτι μας) καταγράφονται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο και μετατρέπονται σε ηλεκτρικούς παλμούς οι οποίοι με τη σειρά τους μετατρέπονται σε ήχο από τα ηχεία.