Räjähtävää ilmakehätutkimusta fysiikan työkurssilla

Kirjoittaja: 

Otso Huuska, lehtori (FY+MA), Rauman Lyseon lukio
SkyStarin työntekijä esittelee MoLabia suojakotelossaan ennen asettamista laukaisuputkeen. [Kuva: Hornankoje/YouTube]

 

Neljän vuoden työurani aikana fysiikan työkurssi oli vuosittain kerännyt vain kymmenisen osallistujaa, eikä tilanne ollut ainakaan paranemassa. Säästötoimet poistivat pienimpiä kursseja tarjottimelta, ja työkurssikin oli uhattuna. Viime syksynä kurssi tuli ensimmäisen kerran minulle järjestettäväksi, ja päätin toteuttaa kurssilaisten kanssa jonkin näyttävän, isomman projektin nostaakseni kurssin profiilia ja kiinnostavuutta. Vuoden kuluttua nähdään, oliko räjäytyksellä tehoa.

Idea syntyy

Rauman Lyseon lukion fysiikan työkurssilla opiskelijat ovat perinteisesti tehneet pienryhmissä kymmenisen ennalta määrättyä kokeellista työtä. Niiden aiheet on valittu tasaisesti lukiofysiikan eri alueilta; veden ominaislämpökapasiteetin määrityksestä vaihtovirtapiirin tutkimiseen. Näiden töiden lisäksi opiskelijat ovat suunnitelleet itse yhden kokeellisen työn ja tehneet siitä tutkimussuunnitelman ja -raportin. Jäljelle jääneitä tunteja on käytetty esimerkiksi yritysvierailuihin. Koska tämä konsepti ei vetänyt opiskelijoita toivotulla tavalla, oli aika keksiä jotain uutta. Jotta kurssin sisältö ei olisi pelkästään uuden projektin onnistumisen varassa, jätin vanhat työt hieman tiivistettyinä jäljelle ja päätin kurssin toteuttavan ilmakehätutkimusprojektin niiden ohessa. Siitä eteenpäin annoin idean kehittelyn opiskelijoille.

MoLab paketoituna suojakoteloon asettamista varten. [Kuva: Hornankoje/YouTube]

 

Koulullamme on pienikokoisia MoLab-mitta­laitteita, joihin voidaan liittää maksimissaan neljä eri anturia. Vaihtoehtoja on lukuisia lämpömittarista säteilyanturiin. Ajatukseksi muotoutui nopeasti saada tällainen ylös, ja tavoitteeksi asetettiin vähintään sadan metrin korkeus. Opiskelijat ideoivat eri tapoja tavoitteen saavuttamiseksi. Ideat vaihtelivat kuumailmapallosta minihelikopteriin tai lennokkiin. Myös jonkinlainen ammunta raketin kyydissä oli esillä jo alkuvaiheessa, mutta todettiin silloin vielä epärealistiseksi. Toteuttamiskelpoisuutta mietittiin yhdessä, ja aluksi helpoimmalta vaikutti minihelikopteri.

Ongelmia

Ideoinnissa opiskelijat pääsivät soveltamaan fysiikan osaamistaan monipuolisesti avoimen ongelman parissa. Mittalaitteen massan ja koon havaittiin vaikuttavan tehtävän haastavuuteen oleellisesti. Osa suunnittelusta kohdistuikin siihen, mitä antureita laitteeseen olisi mielenkiintoisinta kytkeä ja kuinka suuri lisämassa niistä kertyisi. Kuumapalloideaa harkittaessa oli laskettava nosteen ja ideaalikaasun tilanyhtälön avulla vaaditun pallon koko, kun taas erilaisia ammunta- tai heittosuunnitelmia varten tuli arvioida tarvittavaa lähtönopeutta mekaanisen energian säilymisen kautta. Merkittävässä osassa oli ehdotettujen mallien hinta, sillä operaatio oli käynnistetty nollabudjetilla.

Lennokki- ja minihelikopteriajatukset kariutuivat, koska tiedossa olleet omistajat eivät suostuneet lainaamaan laitteitaan hanketta varten. Myös nostokapasiteetti oli kyseenalainen. Kuumailmapallon osalta suurimmiksi haasteiksi todettiin riittävän kevyen ja kuumuudenkestävän materiaalin saanti palloa varten, sekä pallon pitäminen paikallaan kokeen ajan ja saaminen alas hallitusti. Kurssin puoliväliin mennessä oli saatu aikaan paljon pohdintaa, mutta ei mitään konkreettista.

Puukäsitöitä

Projekti nytkähti eteenpäin, kun räjähteistä ja räjähdyksistä innostunut kollega vihjaisi paikallisesta SkyStar-ilotulitefirmasta, jonne MAOL-Rauma ry oli aikanaan tehnyt yritysvierailun. Olin yhteydessä heihin, ja innostus omaperäiseen projektiimme oli yhtiön henkilöstössä käsin kosketeltavaa. He huomauttivat, että mittalaitteemme selviäminen vaurioitta olisi kovin epävarmaa, mutta lupasivat saada sen ylös ja alas. Mittalaite päätettiin ampua taivaalle suurten ilotulitteiden tavoin. Putken pohjalle asetettaisiin ruutipanos, ja sen päälle taivaalle ammuttava asia. SkyStar oli projektista niin innostunut, että tarjosi asiantuntemuksensa ja laukaisuun tarvittavat välineet ilmaiseksi projektin käyttöön.

Mittalaitteen kotelointi ja suojaaminen jäivät opiskelijoiden tehtäväksi. He saivat osoittaa käytännön taitojaan laitteen kotelointia suunniteltaessa ja koteloita rakennettaessa. Johtaviin rooleihin nousivat eri henkilöt kuin teoreettisempia laskuja ratkaistaessa. Laukaisuputkeen juuri sopivia sylinterinmuotoisia koteloita valmistettiin koeammuntoja varten useampia, ja fysiikanluokan lattia peittyi sahanpuruun. Massa-hyöty -suhdetta analysoituaan opiskelijat valitsivat mukaan kytkettäviksi lämpötila-, kiihtyvyys-, paine- ja magneettikenttäanturit. Suojuksineen laitteen massaksi tuli vajaat 400 grammaa.

3-2-1-Nyt!

H-hetki koitti lopulta viileänä ja aurinkoisena pakkasiltapäivänä 15.12.2016. Työkurssilaiset ja pari muuta kiinnostunutta saatiin pikkubussilla kuljetettua SkyStarin koeampuma-alueelle parinkymmenen kilometrin päähän koulultamme, ja mediaakin saatiin paikalle runsaasti. Panostuksen ja laukaisimen virityksen aikana jännitys tiivistyi. Mittausajaksi oli säädetty 20 minuuttia, ja mittaus käynnistettiin juuri ennen laitteen lataamista laukaisuputkeen. Lopulta mittalaite lähti kunnon pamauksen kera kotelossaan taivaalle. Lakipisteessään heittopanos työnsi mittalaitteen ulos puukotelostaan. Kahdesta laskuvarjosta 75 % aukesi, ja mittalaite leijui rauhallisesti alas. Valkoisine laskuvarjoineen ja pehmusteineen sen etsiminen talvisesta maastosta toi oman haasteensa, mutta kilpajuoksu laitteen löytämiseksi oli kova.

Tutkimuslaite on laukaistu! [Kuva: Hornankoje/YouTube]

 

Kurssin opiskelija löysi mittalaitteen männyn alaoksalta näennäisen vahingoittumattomana. Pehmusteet olivat ulkopinnaltaan hieman sulaneet ja mustuneet kuumien palokaasujen takia. Itse laite näytti muuten ehjältä, mutta kosketusnäyttö oli liikahtanut paikaltaan ja laite oli sammunut. Vaikka koulupäivä oli jo ehtinyt loppua, kurssin opiskelijat halusivat päästä äkkiä koululle sisätiloihin analysoimaan laitteen muistia mahdollisesti tallentuneen datan pelastamiseksi.

Mitä ensi kerralla tehdään toisin

Paljastui, että laite oli vaurioitunut heti laukaisussa, eikä siis ollut mitannut lennon aikana mitään. Laitteen sisällä akku oli paikallaan heikkojen kiinnikkeiden varassa, ja lähtökiihdytyksessä se oli iskeytynyt niitä vasten ja vaurioitunut. Samoin näyttö oli irronnut ja pyyhkäissyt pari komponenttia irti piirilevyltä mennessään. Laite olisi pitänyt älytä purkaa ja suojata akku, virtapiiri ja näyttö kukin erikseen. Anturit onneksi säilyivät ehjinä.

MoLabin näyttö oli liikahtanut pois paikoiltaan ja irrottanut samalla muutaman komponentin piirilevyltä. [Kuva: Hornankoje/YouTube]

 

Akkua paikallaan pitävät muovikielekkeet olivat rikkoneet akun. Vieressä ehjä MoLab. [Kuva: Otso Huuska]

 

Opettajan näkökulmasta sekä kerätyn palautteen perusteella projekti oli menestys. Opiskelijat saivat soveltaa fysiikan tietojaan monipuolisesti suunnitteluvaiheessa ja projekti yhdisti käytännön tekemistä, yritysyhteistyötä ja fysiikan teoriaa. Kaiken huipuksi saatiin näyttävä, mieleenpainuva loppuhuipennus ja medianäkyvyyttä. Jää nähtäväksi, riittääkö tämä nostamaan kurssin mainetta opiskelijoiden keskuudessa.

On ilmeistä, mitä teknisiä ratkaisuja tulisi tehdä toisin, jos saman projektin toteuttaisi uudestaan. Saattaa olla, että on kuitenkin mielekkäämpää tehdä jotain ihan muuta: esimerkiksi tähdätä merten syvyyksiin korkeuksien tavoittelemisen sijaan. Toteutuksesta on opittavissa myös se, että epämääräisiä projekteja ei tarvitse pelätä. Vaikka lopputulos ei olisi teknisesti täydellinen, opiskelijat oppivat matkan varrella asioita ja pääsevät näyttämään taitonsa kurssiarviointia varten. Jatkossa työkurssin projektille kannattaa varata enemmän aikaa ja tehdä opiskelijoiden suunnittelu paremmin osaksi kurssiarviointia.

Lisää eDimensiossa

Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00
GeoGebra-täydennyskoulutuksia verkossa , 6. joulukuu 2016 - 9:00
Dimensio 6/2016 , 6. joulukuu 2016 - 9:00
Taide taittaa matematiikkaa – Osa 2(2) , 26. lokakuu 2016 - 9:00
MAOLin syyskoulutuspäivät Oulussa , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Lukion tärkein ainevalinta? , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 5/2016 , 26. lokakuu 2016 - 9:00
GeoGebra tänään , 26. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 4/2016 , 24. lokakuu 2016 - 9:00
Taide taittaa matematiikkaa – Osa 1(2) , 22. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 3/2016 , 21. lokakuu 2016 - 9:00
Dimensio 2/2016 , 12. lokakuu 2016 - 9:00
Lukion tärkein ainevalinta? , 24. syyskuu 2016 - 9:00
Lukion fysiikan OPS muutosten edessä , 8. syyskuu 2016 - 9:00
Hattulan silloilta , 8. syyskuu 2016 - 9:00