Kézbenfekvő fizika

Tószegi Zsuzsanna (TZS): Honnan jött az ötlet, hogy kifejlesszen olyan alkalmazást, amelynek köszönhetően okostelefonon fizikai kísérletek eredményeit lehet mérni, majd a mért eredményeket ki lehet értékelni?

Szabó Lóránt (SZL): A középiskolai fizikaórákon jelentős mennyiségű tananyagot adnak le a tanárok a mechanika, a hőtan, elektromosságtan, fénytan, modern fizika és csillagászat köréből. Ezeknek a témáknak a megfelelő szintű ismertetése egyenként is jóval időt igényelne, mint ahány fizikaóra van. További gondot okoz, hogy a fizika elméleti része meglehetősen elvont gondolkodást kíván, így nem csoda, ha keveseket érdekel. A korombeliek sajnos, az egész tudományt egy száraz, tankönyv-szagú fizikával azonosítják, mivel a tanórán a hangsúlyt az elméleti oktatás kapja. A gyakorlat háttérbe szorul, holott – szerintem – a kísérletezés lenne a fizika legérdekesebb és kézzelfoghatóbb része, amivel a tantárgytól idegenkedők figyelmét is le lehet köti.

Manapság főleg a fiatalok körében egyre jobban terjed az okostelefon-kultusz, a készülékek felhasználási területe rendkívül széles, a telefonálás egyike a legkevesebbet használt funkcióknak. Zenelejátszástól kezdve internetezésig számos dologra használható, csak a megfelelő alkalmazást kell hozzá letölteni. Az okostelefonok hardver szinten is fejlettek, számítási kapacitásban egy 5-6 éves PC teljesítményével vetekednek, vezeték nélküli kommunikációs eszközökkel is jól el van látva, valamint számos szenzorral rendelkeznek.

Innen jött a gondolat: mi lenne, ha okostelefonokkal lehetne fizikai kísérleteket, méréseket végezni és azokat kielemezni.

TZS: Sokféle okostelefon és táblagép van. Az összes operációs rendszerre gondolt?

SZL: Nem, a célom az Android rendszert futtató okostelefonokon, tableteken használható, a fizikai kísérletekben mérő, majd a mérés után kiértékelő program elkészítése volt. Szem előtt tartottam a tényt, hogy nem szabad eszközspecifikusan dolgozni, ezért az általam alkalmazott különböző kommunikációs protokollok és szenzorkezelések egyszerűek és más eszközökre is kivitelezhetőek. Törekedtem a szükséges külső alkatrészek árának minimális szinten tartására, azok összeszerelésének egyszerűségére, hogy bárki, akár otthon is össze tudja rakni az eszközt. Szerettem volna elérni, hogy a fizika több területén is sikerrel legyen alkalmazható az eszköz.

TZS: Kérem, mutasson be néhány érdekes feladatot, gyakorlati alkalmazást!

SZL: Először egy kellően nagy kapacitású kondenzátor kapacitásértékének meghatározását mutatom be. Ehhez hasonló feladat volt kitűzve a Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok szeptemberi számának M 325-ös mérési feladatában.

A mérőlapka belső,  ellenállását tekintsük a fogyasztónak, amelyen keresztül kisül a kondenzátor. A méréshez használjuk a külső mérőrendszert a feszültségmérő modullal. Csatlakoztassuk a kondenzátor fegyverzeteit a mérőlap megfelelő polaritású aljzataihoz. Ezt követően az androidos eszközön indítsuk el a külső szenzoros mérést az alapértelmezett paraméterekkel. A kondenzátort töltsük fel egy 9^V-os elem segítségével: az androidos eszköz 9V körüli (az elem elhasználtságától függő) értéket fog mutatni. A hasznos mérést igazából akkor kezdjük, amikor megszakítjuk az elem által biztosított feszültséget. Először hirtelen csökkenő feszültségértékeket látunk, majd 1-2V körül lelassul a csökkenés, és ekkor már meg is lehet állítani a mérést a ,,vissza” gomb megnyomásával.

Töltsük be a mérést elemzésre. Válasszuk ki (empirikus úton meghatározva) a hasznos mérési részletet onnantól, ahol a konstans 9V körüli értékről hirtelen csökkenés tapasztalható egészen addig, amikor már csak 2-3V a feszültségérték. Az elemzés menüpontban válasszuk ki az adatok illesztését. Az elméleti modell szerint exponenciális függvényt várunk  alakban, ezért ennek megfelelően állítsuk be az illesztendő függvényt. Az illesztett függvény jól illeszkedik a mért adatpontokra, az előző képlettel összevetve  és  értékek adódnak.  Az utóbbi képletből kifejezve ^C-t és behelyettesítve , a keresett mennyiséget megkapjuk, mely jó közelítéssel .

Másodikként a harmonikus rezgőmozgás vizsgálatát mutatom be.

Vegyünk egy iskolai kiskocsit és két rugót, a rugókat kapcsoljuk a kiskocsi két oldalára, majd a rugókat feszessé téve, húzzuk szét azok végeit. Helyezzük az androidos eszközt a kiskocsira úgy, hogy az ne tudjon megcsúszni (pl. gumis tokban) és egyik oldala párhuzamos legyen a kiskocsi oldalával (hogy csak az egyik tengely mentén mérjünk gyorsulást). Állítsunk be és indítsunk el egy 20Hz-es mintavételű gyorsulásmérőt használó mérést. A kiskocsi – kitérítve az egyensúlyi helyzetéből – periodikus rezgőmozgásba kezd. Az asztallal való súrlódás miatt a rezgés csökkenő kitérésű lesz, és mintegy fél perccel az elindulás után megáll.

Nyissuk meg elemzésre a mérést: válasszuk ki azt a tengelyt, amely a rezgés elmozdulással megegyező irányú volt. Ha nagyon zajos a jel, szűrjük meg egy 0,6-os paraméterű alul-áteresztő szerelővel. Nézzük meg, hogy a rezgőmozgásnak milyen harmonikus összetevői vannak, azaz Fourier-transzformáljuk az adatsort. Jól látható, hogy lesz egy csúcs a frekvencia-intenzitás grafikonon. Ez a csúcs lesz nagy valószínűséggel a rezgés frekvenciája, a többi a mérés tökéletlenségéből származó zaj. A periódusidő 2,32 másodpercnek adódik.

TZS: Milyen további lehetőségeket lát az androidos készülék fejlesztése terén?

SZL: A mérőrendszer, ha csak belső szenzoros méréseket végzünk, semmilyen külső hardvert nem kíván, így messze olcsóbb, mint a kereskedelemben kapható didaktikai céllal megalkotott eszközök (CASSY Lab 2 és Pasco-rendszerek). A külső egység nagy előnye, hogy nem hardverspecifikus, egyszerűen a könnyen használható protokoll ismeretében akármilyen soros portú profilt támogató, bluetooth modullal felszerelt rendszerrel kompatibilis: hobbi szinten is lehet hozzá újabb, több funkcióval rendelkező felületet illeszteni. Itt látom a továbbfejleszthetőség egyik forrását: a szenzorok listáját lehet bővíteni. Jelenleg a külső gyorsulásmérő, giroszkóp, mágneses érzékelő és hőmérő digitális kommunikációs portú (I²C) illesztését végzem. Ezáltal például egy ingának meg lehetne mérni a gyorsulásértékeit és a szögelfordulását, ugyanis a kicsiny, körömnyi nagyságú szenzorok jóval könnyebben elhelyezhetőek és nem zavarják úgy a mérést, ahogy egy jóval nagyobb és nehezebb telefon vagy tablet. Fénykapuk által vizsgált kísérletek automatizálására is alkalmasak lennének, az elmozdulás vagy a megszakítási időpillanat adatainak mentésével és elemzésével.

A másik jövőbeli lehetőségként a külső mérőmodulok teljes elhagyását látom. A mikrokontroller analóg-digitális konvertáló feladatát az androidos eszköz mikrofon bemenetével lehetne helyettesíteni. Ez a mérőrendszer árát jelentősen csökkentené és előállítását is egyszerűbbé tenné. Továbbá így lehetőség nyílna rezgőkörök vizsgálatára is 20kHz frekvenciáig.

A webes felületet is ki szeretném bővíteni: a Google App Engine felhő alapú webapplikáció szerverrel lehetne saját WebSocket szervert készíteni, mindamellett, hogy a mérési adatok tárolására is szolgálhatna. Így egy mérési eredmény-adatbázis készülhetne el.

TZS: A díjat ketten kapták. Mi volt társának, Antalicz Balázsnak a szerepe? Ő is a Bessenyei György Gimnáziumban tanul Kisvárdán?

SZL: Antalicz Balázs a hódmezővásárhelyi Bethlen Gábor Református Gimnázium és Szathmáry Kollégium diákja. Egy nyári fizikus táborban ismerkedtünk meg. Balázs az ötleteivel vett részt a munkában.

TZS: Ki volt a felkészítő tanáruk?

SZL: A mentorunk dr. Egri Sándor, a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Tanszékének tanára volt, aki a Debreceni Egyetem Fizikai Intézetének Tehetséggondozó Szakkörét (Hipertér) is vezeti. Egyúttal szeretném megköszönni a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalának a felajánlott különdíjat.

Az interjút készítette: Dr. Tószegi Zsuzsanna