Pod tym linkiem jest nasza nowa praca konkursowa wykonana w ramach projektu Być jak Ignacy „Kopalnia wiedzy”
Wstęp: Nasz film podzieliliśmy na dwie części. W pierwszej opowiadamy o ciekawych właściwościach skał zawierających żelazo i co z tego wynika. W drugiej badamy dźwięki metali: aluminium, stali, mosiądzu i miedzi. Nam najbardziej podobało się brzmienie aluminium i mosiądzu ale struny z nich wykonane, zwłaszcza aluminiowe, bardzo łatwo się rozciągają i urywają. Teraz wiemy dlaczego struny gitarowe robi się ze stali. Choć struny miedziane brzmią jak gitara basowa. Też fajnie! Badaliśmy mnóstwo zależności i więcej o naszych badaniach w filmie „Kulisy powstawania pracy konkursowej” ( https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=117K6d3FvR0). Pod tym linkiem https://www.spwroblik.pl/slownik-i-in… znajdują się informacje dodatkowe i słownik z trudniejszymi pojęciami.
Uczniowie z koła naukowego Kwant nie mogli się zdecydować na realizację jednego projektu i jak zwykle w jednej pracy mamy dwie hipotezy:
Hipoteza: Czy pole magnetyczne Ziemi się zmienia, czy jest od zawsze takie samo?
Pytanie badawcze: Muzyka metali, czyli od czego zależy dźwięk, jaki wydają metale.
Hipoteza
Uczniowie na lekcjach geografii oraz z filmów popularnonaukowych dowiedzieli się, że Słońce co 11 lat zmienia bieguny magnetyczne. Zadali więc pytanie: czy Ziemia też zmienia te bieguny? Jak to sprawdzić? Uczniowie przeanalizowali informacje z podręcznika do fizyki dla klasy 8 wydawnictwa Nowa Era i dowiedzieli się, że Ziemia jest ogromnym magnesem, który chroni nas przed wysokoenergetycznymi cząstkami docierającymi do Ziemi ze Słońca. Widać to w postaci zórz polarnych. Podczas silnych wybuchów na Słońcu zorze widać nawet w Polsce. Uczniowie dowiedzieli się też, że takie wysokoenergetyczne cząstki pochodzące ze Słońca powodują degenerację DNA więc pole magnetyczne Ziemi jest nam potrzebne do przeżycia. Dużo tym słyszeli w telewizji podczas misji kosmicznej Sławosza Uznańskiego-Wiśniewskiego. Podczas kolejnych prac w kole naukowym Kwant poznali budowę wewnętrzną Ziemi. Dowiedzieli się, jak jest zbudowane jądro Ziemi i poznali podział substancji na ferromagnetyki, diamagnetyki i paramagnetyki. Naszą igłę magnetyczną umieściliśmy na parapecie wewnętrznym tak, aby nie było w jej pobliżu żelaznych przedmiotów. Igła pokazała prawidłowo północny i południowy biegun geograficzny Ziemi. Przy okazji, z ww podręcznika dzieci dowiedziały się, że biegun geograficzny i magnetyczny, to nie to samo. Biegun geograficzny północny Ziemi, to biegun magnetyczny południowy. Przy okazji rozwialiśmy fake news, że igła magnetyczna kompasu jest „pomalowana odwrotnie”. Najpierw młodzi naukowcy sprawdzili jak się zachowuje igła magnetyczne pod wpływem nienamagnesowanego żelaznego młotka. Młotek namagnesowuje się na chwilę pod wpływem igły i wszystko jedno którą stroną zbliża się go do igły magnetycznej, bo igła kręci się za młotkiem. Inaczej jest, gdy do igły magnetycznej zbliżamy magnes trwały. Dzieci w łatwy i trwały sposób namagnesowały śrubokręt przesuwając w tę samą stronę silny magnes. Ze skałami zawierającymi żelazo (sprawdzano magnetyt, hematyt i bazalt) nie było łatwo. Tylko hematyt oddziaływał z igłą magnetyczną a bazalt i hematyt nie. Dzieci postanowiły sprawdzić, czy taka metodą, jak śrubokręt da się namagnesować magnetyt i bazalt. Magnetyt udało się namagnesować bardzo słabo i to tylko na ostrych brzegach. Na ostrzach jest najsilniejsze pole magnetyczne. W szkole mamy elektromagnes zrobiony przez uczniów. Jego rdzeń z gwoździa trwale się namagnesował (elektromagnes jest często używany). Postanowiono owinąć skały izolowanym przewodem i podłączyć do baterii 9V. Po około 30 min magnetyt wykazał trwałe namagnesowanie (sprawdziliśmy to używając igły magnetycznej). Podobnie postąpiliśmy z bazaltem. Obie skały trwale się namagnesowały. Bazalt to skała, która powstaje w wyniku krzepnięcia lawy. Skały zawierające żelazo można trwale namagnesować ale nie da się namagnesować np. wapienia czy piaskowca. Co to oznacza? „Stare” skały zawierające żelazo namagnesowały się tak, jak Ziemia była namagnesowana miliony lat temu. Naukowcy odkryli takie skały. Nasz kompas ustawiony na namagnesowanej przez nas skale „wariuje”. Nie pokazuje prawidłowo biegunów geograficznych Ziemi. Zatem pole magnetyczne Ziemi się zmienia. Po sprawdzeniu w encyklopedii PWN okazuje się , że pole magnetyczne Ziemi zmienia się co kilkaset tysięcy lat.
Muzyka metali, czyli od czego zależy dźwięk, jaki wydają metale.
Inspiracją była pozytywka przyniesiona do szkoły przez nauczyciela. Jeśli głębiej się nad tym zastanowić, to w orkiestrze symfonicznej trudno byłoby znaleźć instrument, do budowy którego nie użyto by metalu. Aby sprawdzić od czego zależy dźwięk, jaki wydaje metal użyliśmy 4 identycznych pudełek oraz 4 metali: aluminium, stali (stop żelaza z węglem), mosiądzu (stop miedzi z cynkiem) i miedzi. Mieliśmy do dyspozycji po trzy każdego z tych trzech metali o średnicach 0,2 mm, 0,8 mm i 1 mm. W każdym z pudelek wbito gwoździe w taki sam sposób. Rozciągając struny między przeciwległymi gwoździami uzyskano struny długości 35 cm a po przekątne -36,2 cm. Już po rozciągnięciu pierwszej struny stalowej o średnicy 0,2 mm i wprawieniu jej w drgania dzieci zauważyły, że dźwięk, jaki wydaje w dużym stopniu zależy od naprężenia struny. Z tym naprężaniem nie było łatwo, gdyż dzieci robiły to ręcznie. Najcieńsza struna mosiężna i aluminiowa bardzo łatwo się urywały. Podobny problem był ze strunami aluminiowymi i mosiężnymi o średnicy 0,8 mm. Struny stalowe o grubości 0,8 mm i 1 mm były bardzo trudne do umieszczenia w naszych instrumentach, stal jest bardzo sprężysta i „twarda”. Dzieci przetestowały też położenia struny w pudełku. Ze zdziwieniem stwierdziły, że struna rozciągnięta między gwoździami wbitymi najbliżej ścianki (długość struny 35 cm) i struna o tej samej długości ale rozciągnięta przez środek pudełka wydaje inny dźwięk. W naszej grupie wielu uczniów gra na gitarze więc wiedzą, że wysokość dźwięku zależy od grubości i długości struny. Nam z tą długością nie bardzo się udało. Nie było słychać większej różnicy między dźwiękiem struny o długości 35 cm i 36,2 cm. Pierwsze testy wykonano wprawiając strunę w drgania paznokciem. Testując dalej dzieci zauważyły, że ważne jest też w którym miejscu wprawia się strunę w drgania. Ta sama struna wydaje inne dźwięki trącana w różnych miejscach. Dzieci postanowiły, że ustalą miejsce, w którym będą wprawiać strunę w drgania i wybrały środek pudełka. Na każdym pudełku zaznaczyły to miejsce niebieskim flamastrem. Pierwszy dzień eksperymentów wykazał, że oprócz wyżej wymienionych czynników wysokość dźwięku struny zależy od metalu, którego została zrobiona. Im większa gęstość metalu, tym niższy dźwięk. Czasem stal i mosiądz „zamieniały się miejscami” ale mosiądz to stop i czasem jego gęstość może być bardzo zbliżona do gęstości stali. Kilka dni później ponowiono eksperyment wprawiając struny w drgania plastikowym breloczkiem (bo Zosia obcięła paznokcie). Wyniki były podobne ale dźwięk struny był jakby bardziej „miękki”. Mogliśmy to ocenić tylko na ucho, bo nie posiadamy odpowiednich narzędzi pomiarowych. Ostatecznie jeden z uczniów (grający na gitarze akustycznej i elektrycznej) uznał, że najbardziej profesjonalnie będzie, jeśli do pobudzania strun do drgań użyjemy kostki plastikowej. Tak też zrobiono. Tym razem dźwięki brzmiały bardziej „ostro”. Wykonano po raz trzeci testy położenia, długości i grubości strun. Dzieci były zdziwione, że tak wiele czynników powoduje zmianę w brzmieniu struny a w szkole nie posiadamy żadnych profesjonalnych narzędzi do wykonywania takich testów. Dzieci mogły same się przekonać, jak trudna jest praca muzyka (naprężenie struny, idealne dopasowanie jej długości, grubość a nawet to, czy uderzamy ją kostką do gitary, czy paznokciem). Kulisy naszej pracy nad przedstawiliśmy w oddzielnym filmie https://youtu.be/117K6d3FvR0, który trwa zaledwie ok. 5 minut ale nagrany materiał zajął ponad 2 godziny. Wybraliśmy z tego najważniejsze fragmenty. Na koniec zagraliśmy „Wlazł kotek na płotek” ale zagranie prostej melodii zajęło nam ok. godziny, bo na ogół dźwięk nie brzmiał tak, jak chcieliśmy więc z tego godzinnego materiału trzeba było wybrać poszczególne nury i zmontować to w całość. Kolejna godzina pracy L
Wnioski:
Z części I
Stalowy śrubokręt łatwo namagnesować, co jest przydatne, bo on nam „trzyma” śrubki. Skały zawierające żelazo można trwale namagnesować. Najlepszą metodą jest owinięcie skały izolowanym drutem i podłączenie jej do źródła prądu stałego. W niektórych miejscach na Ziemi są skały (zawierające żelazo), które są namagnesowane inaczej, niż wskazywałoby na to pole magnetyczne Ziemi. Niektóre skały magmowe (np. bazalt) i osadowe (magnetyt) są świadkami tego, że pole magnetyczne Ziemi ulega zmianom. Udało się nam to potwierdzić trwale namagnesowując bazalt i magnetyt.
Z części II
Po pierwsze dzieci bardzo szybko się przekonały, jak trudnego zadania się podjęły. Postanowiły jednak kontynuować projekt, gdyż w kole naukowym jest czworo gitarzystów. Wysokość dźwięku (jego częstotliwość) zależy od bardzo wielu czynników. Wśród nich najbardziej zauważalna jest zależność: im grubsza struna tym niższy dźwięk. Wysokość dźwięku zależy od jej położenia w naszym pudełku, od długości struny, od miejsca w którym struna jest pobudzana do drgań a nawet od tego, jakim narzędziem wprawiamy strunę w drgania. Te różnice zależą są ledwo uchwytne w jednych metalach (np. mosiądzu) i wyraźniejsze w stali. Ale to też było zależne od grubości struny. Wyraźniejsze w grubszych strunach. Napotkaliśmy na problem praktycznie nie do rozwiązania bez specjalistycznego sprzętu. Widać jednak wyraźnie, że bardzo wiele zależy od naprężenia struny. Im lepsze naprężenie tym wyższy i czystszy dźwięk. Z pewnością wpływ na wysokość dźwięku ma gęstość metalu. Im mniejsza gęstość metalu tym wyższy dźwięk wydaje. Dźwięki o największej częstotliwości wydaje aluminium a miedź (z naszych metali ma największą gęstość) – najniższej. Ze stalą i mosiądzem było różnie ale to są stopy i czasem mosiądz ma niemal jednakową gęstość jak stal. Uczniowie zgodnie stwierdzili, że najładniej brzmi mosiądz a drugie miejsce zajęło aluminium.
Wniosek ostateczny z drugiej części pracy: porwaliśmy się z motyką na Słońce, w szkole nie da się zrealizować tak trudnego projektu. Do tego potrzeba prawdziwego laboratorium.