K ö r n y e z e t i f i z i k a a k ö z é p i s k o l á b a n

Bevezető gondolatok „Kísérletek a fizikában, kísérletezés az iskolában” Mit? Mikor? Kinek? új utak keresése (a körülmények, igények változtak…) A jöv ő generációi felkészültebbek legyenek ( a középiskolai oktatás által is) a környezettudatos életmód gyakorlására

Kutatási terveimről röviden Alapcél: a környezeti fizika középiskolai oktatásba való integrálása (az egyetemek már látják)  Miért és kinek fontos?  Hogyan illeszkedik ez a jelenlegi gyakorlathoz? (igen is, meg nem is) Segédanyag  Kidolgozott modulok (célcsoport – mikor – milyen „környezetben”), pl. energetika, radioaktivitás (nukleáris környezetvédelem), környezeti áramlások  Munkafüzet a feldolgozandó témákhoz  CD-ROM (hosszú távú cél)

Gondolatébresztő ötletek Coriolis-er ő  Az inerciarendszerek elvontsága (túl idealisztikus)  Földi tapasztalataink  Merjünk komplexen gondolkodni (földrajz is)  Coriolis-er ő és környezet Az energiáról egy kicsit másképp  Mi a célunk a tanításával?  Elvont fogalom ugyan, de…  Mennyiségi szemlélet általában hiányos

Coriolis-erő Miért szükséges? (mekkora tömegeket mozgat, kinetikus energia, pl. Golf-áramlat – a Föld összes folyójának vízhozama) Milyen mélységig érdemes? (most kiegészít ő anyag, „bezzeg”…) Adalékok egy esetleges óra(vázlat) megtervezéséhez  szemléletalakítás – fizikai és környezettudatos  környezeti vonatkozások (Emma – él ő fizika)  érdekességek

Általános tudnivalók Gaspard Gustave de Coriolis, ( )  Az er ő minden forgó rendszerben hat az ott v sebességgel mozgó testekre.  nagysága: F C =2mv Ω, ahol Ω a forgás szögsebessége, i ránya a sebességre mer ő leges, ezért eltérít ő er ő F C = - 2m( Ω x v).  A testen munkát nem is képes végezni!  Az óramutató irányával egyez ő forgás, pozitív szögsebesség esetén a Coriolis-er ő mindig a sebességt ő l jobbra mutat. Az északi félgömbön mindig jobbra, a délin balra térít el.  Az els ő alkalmazás, a Foucault-inga: a Föld forgásának els ő dinamikai bizonyítéka. 1851, Paris, Pantheon: l=67m, T=16 s. Az inga síkja körbefordul 1.4 nap alatt. Leon Foucault ( )

UL D Az eltérülés mértéke – az inerciarendszer használhatósága  U sebesség ű test L út megtétele után mennyire térül el pozitív forgásirányú rendszerben? - Kis eltérülést feltételezve, t=L/U. - A gyorsulás az eredeti irányra mer ő legesen a C =2U Ω, ezért az eltérülés D=a C /2 t 2 = Ω L 2 /U. - Ebb ő l a D eltérülésnek a teljes L elmozduláshoz viszonyított aránya: D/L= Ω L/U  Az eltérülés fordítottan arányos a sebességgel, ugyanis gyorsabb mozgás esetén a Coriolis-er ő rövidebb ideig hat!  D/L az a mér ő szám, mely megadja, hogy mekkora hibát követünk el, ha inerciarendszernek tekintjük a laboratóriumot. Közepes földrajzi szélességen L=10m méret ű szobában U=1m/s tipikus sebességgel, D/L = 5 ∙10 -4, vagyis 0,05 % relatív hibát követünk csak el, ha a Coriolis-er ő t elhanyagoljuk! UL D

A Coriolis-hatás távolságfügg ő !  A D/L= Ω f L/U relatív eltérülés n ő a távolsággal (közel állandó sebességek mellett).  Egyre nagyobb L távolságokon, U=10 m/s sebességre (közepes szélességeken) L D/L 1km 0,5% a Coriolis-hatás kicsi 10 km 5% a Coriolis-hatás jól mérhet ő 100 km 50% a Coriolis-hatás fontos 1000 km 500% a Coriolis-hatás dominál  A nagy lépték ű tartományok nem inerciarendszerek!

A lefolyó és a ciklon A várt módosulás: Az óramutatóval ellentétes irányú forgás az északi féltekén.  Ha kizárólag a Coriolis-er ő hat, akkor …  Lefolyó: A valóságban a víz kicsit hullámzik (az edény nem szimmetrikus). Ha l=1cm-en a vízfelszín Δ h=0.1mm–t változik, akkor a A terület ű lapokon ható nyomáskülönbség miatt az er ő F= ρ g Δ h A (a tömeg: ρ l A), a gyorsulás a =g Δ h/l = m/s 2 A Coriolis-gyorsulás U=10cm/s esetén a C =2 Ω f U= m/s 2 azaz 4 nagyságrenddel kisebb! A lefolyónkban nem a Coriolis-erő dominál. A hétköznapi tapasztalat szerint mindkét forgásirány közel egyformán gyakori. l ΔhΔh ρ A

A ciklon mint „felfolyó”  Az alacsony központi nyomás miatt a ciklon közepén feláramlás, a talaj közelében pedig lassú összeáramlás zajlik. Az összeáramló leveg ő t a Coriolis-er ő jobbra téríti, az óramutató járásával ellentétes körbeforgásúvá teszi. Az elrendezés egy fejjel lefelé álló lefolyóhoz hasonló.  Az, amit a konyhai lefolyóban hiába kerestünk, annál tízmilliószor nagyobb méretben (1000 km/10 cm) kivétel nélkül mindig megvalósul: az örvénylés az északi féltekén az óramutató járásával ellentétes. (Tengeri áramlatok: az óceáni áramlások alapvet ő en aszimmetrikusak: az er ő s óceáni áramlatok kivétel nélkül a medencék nyugati pereme mentén folynak, s mindössze száz km szélesség ű ek. A Golf-áramlat például olyan gyorsan folyik, mint a Duna (sebessége 5km/h), 100 km széles, és vízhozama több 10 millió m 3 /s, nagyobb az összes földi folyó együttes vízhozamánál. A szélnyirás erejét a Coriolis-er ő (és annak szélességt ő l való függése) koncentrálja ilyen er ő s áramlatokká. ) M ű holdfelvétel egy Anglia felett elhelyezked ő ciklon alacsony szint ű felh ő zetér ő l. Ezen jól látszik az, amit a lefolyó kapcsán vártunk: a középpont felé haladó áramlás jobbra eltérül [European Space Agency].

Néhány érdekesség még  Irányítás, célzás: - repül ő gépek - a Falkland-i céltévesztés 1914., déli szélesség 50. fok angolok, beépített kompenzáció – az É-i féltekén megcélzott hajók bal oldalán Coriolis-hatás kétszerese (100 m)  Nagy folyók aszimmetrikus partmosása  Duna medre A 10 km-es skálán a Coriolis-er ő egy jól megfigyelhet ő békés következménye, hogy az északi félgömb nagy kanyarulatokat leíró folyói, mint pl. a Volga, a jobb partot er ő sebben mossák, mint a bal oldalit. Ez a különbség az élesen kanyargó folyókon, ahol a kanyarulatok átlagos görbületi sugara kisebb 10 km-nél, még nem érzékelhet ő.

 holtágak, Mikovinyi térképe, Duna vándorlása (meder hol itt, hol ott)  ezer éves völgyszakasz  a Coriolis-er ő medreknek nem alakításában, hanem átlagos helyzetének meghatározásában, s egyúttal a völgyek kialakításában játszik szerepet.  Sík vidéken a folyók meandereznek. Azért teszik ezt, mert vizük turbulens mozgása kanyargós pályákra kényszeríti ő ket. A meanderek összképe eléggé szabálytalan. Ami viszont minderre rárakódik, az az, hogy a meanderek összességükben jobbra vándorolnak, s EZ tekinthet ő a Coriolis-er ő közvetlen hatásának A meanderek jobbra vándorlása azt eredményezi, hogy a folyó völgye jobb felé egyre szélesedik.

 földtani-geomorfológiai helyzetb ő l következ ő höz képest fordított hatás, sok-sok folyóvölgy összességét tekintjük, és csak kéregmozgásokkal számolunk, kb. azonos gyakoriságot kellene várnunk a jobb és bal partok kiemelt helyzeté-ben. A gyakoriság azonban nem azonos: szinte kivétel nélkül a jobb partok magasabbak és meredekebbek. Ezért magya-rázatul általában a Coriolis-er ő t fogadják el. (munka-hipotézis, közvetlen bizonyítéka nincs)  Duna medre a völgy jobb oldalán (Nilus, Volga, nagyobb európai és ázsiai folyóknál is)  a Dunántúl jóval a Duna Paks környéki megjelenése el ő tt már emelked ő ben volt, az Alföld pedig süllyed ő ben  folyóvölgy az emelked ő területr ő l a süllyed ő terület felé "csúszna". A valóságban azonban fordítva történik!

 Coriolis-hatás - jól megtervezett kísérletekben (1 napig áll a víz, több m sugarú pontosan hengeres edény) a várt forgásirány valóban megvalósul: 1859: Párizs, A. Perrot; 1911: Bécs, O. Turmlitz 1961: Boston, A. Shapiro, Nature 196, : Sidney, Trefethen, Nature 207, 1084  ELTE, Kármán labor - forgókádas kísérletek - áramlás akadály körül (2D), szennyezések terjedése  Coriolis-platform Laboratóriumi kísérletek A befecskendezett festék függöny-alakban terjed szét a Coriolis-er ő következtében, mint a sarki fény. Az áramlás kétdimenziós, a felülnézeti kép: A folyadék megkerüli az akadály folytatását is. Indoklás: Az áramlás nem függ a magasságtól, kétdimenziós. A szennyezések szálas szerkezetek mentén terjednek a Coriolis-er ő miatt. Példa: Csernobil

Európai nagyberendezés: a Coriolis-platform (Grenoble)

Amerikai „egyetemi” oktatási segédanyag – CD ROM – egy jó példa

Energetika Mikor és mit tanítunk most (érdemes végiggondolni, melyik lépcs ő ben mit is teszünk hozzá, problémacentrikus fogalomértés, kritikus olvasás) Mennyiségi szemlélet (energiaprobléma – méretezési kérdések) Projekt módszer (9. osztály) - Miért lehet megcsinálni? (csoportkialakítás, tartalmi és formai követelmények) - Milyen témákat lehet kiadni? („alternatív” energiák, a jöv ő háztartásainak energiaellátása, egy-egy eszköz m ű ködésének értelmezése – pl. aszaló, energia és társadalom, a Föld energiaháztartása, ökológiai lábnyom…), szabadban (Agostyán) - hány óra szükséges – felkészülés, el ő adás, el ő re feltett kérdések – mire keressék a választ - feladatlap Szakkör: ELTE TTK mérés – sörkollektor vizsgálata jegyz ő könyvkészítés, mérés – képességfejlesztés (magasabb szinten)

1, Számold ki a sörkollektor mennyi energiát termelt 10 vagy 15 vagy 20 perc alatt! 2, Számold ki a kollektor hatásfokát v 1 vagy v 2 stb. sebességnél! 3, Számolj K értéket v 1 vagy v 2 h ű lési görbére! 4, Mennyi id ő alatt térül meg a kollektor ára? Számolj a weboldalon található 2004 vagy 2005 vagy 2006 vagy 2007-es adatokkal! Vedd figyelembe a f ű tési szezont! 5, Számolj teljesítményt v 1 vagy v 2 melegedésre!

Összefoglalás Nyilvánvaló környezeti problémák A fizika tanításának is be kell kapcsolódni a tények megismertetésébe illetve a lehetséges megoldási utak felvázolásába „Egységes” hozzáállás Mindenki ismerje föl a környezettudatos magatartás fejlesztésének fontosságát Ezt (is) szem el ő tt tartva tanítsunk fizikát!

Köszönetnyilvánítás Horváth Ákos – ELTE TTK, Atomfizikai Tanszék témavezet ő Tél Tamás – ELTE TTK, Elméleti Fizikai Tanszék doktori iskola programfelel ő s Balla Zoltán – Magyar Állami Földtani Intézet tudományos tanácsadó (földtani kutatási osztály) Juhász Edina – ELTE TTK környezettan szakos hallgató (laborgyakorlat vezet ő ) Juhász András – ELTE TTK, Anyagfizikai Tanszék fizika tanítása doktori program szervez ő je A jelenlév ő hallgatóság – Köszönöm a figyelmet!