Elektronikus Könyv és Nevelés

Oktatástörténet

TanszerMúzeum (Nádasi András rovata)

O

k

t

a

t

á

s

t

ö

r

t

é

n

e

t

Muzeális „egyszerű gépek” a főbb mechanikai alapfogalmak szemléltetéséhez

Öveges József, a kiváló piarista tanár és fizikus, a „Kis fizika” című¹ , az ifjúságnak írt, népszerű-tudományos könyvében a megfigyelésekre alapozott egyszerű, a méréseken nyugvó tudományos fizika, a képletbe foglalt törvény és a grafikus ábrázolás fogalmakat használja és alkalmazza következetesen a természettudományos gondolkodásmód lényegének megvilágításához.

Jelen írás a fizika tanításának klasszikus és egyben modern taneszközeit ezen nézőpont szerint igyekszik megközelíteni, azzal a megfontolással kiegészítve, hogy a modern kísérleti és demonstrációs eszközöknek, kísérleteknek a tanórákon, a muzeális taneszközöknek az oktatás- és iskolatörténeti kiállításokon – interaktív és virtuális múzeumokban – azonos didaktikai (tágabb értelemben pedagógiai illetve múzeumpedagógiai) funkciója lehet. Az ék-készülék óriás rekonstrukciója pl. biztos nagy sikert aratna egy interaktív iskolatörténeti kiállításon vagy múzeumban.

Vizsgálódásunk tárgya a fizika tantervek és tankönyvek egyik meghatározó, szemléletformáló, jelentős fejezete a mechanika, amelyet ma is több évszázada ismert kísérleti eszközökre alapozva tanulunk és tanítunk. A klasszikus mechanika foglalkozik – többek között – a fizikai mennyiségek, a mozgástan, az erőtan, a statika, a munka és energia, az egyszerű gépek és a szilárdságtan kérdéseivel.

Mielőtt a szertárból előkeresnénk, vagy a múzeumban megnéznénk, esetleg kipróbálnánk ezen egyszerűnek tűnő fizikai fogalmak szemléltetésére használt taneszközöket, tekintsünk meg egy „muzeális” taneszköz árjegyzéket (L. melléklet: Calderoni – 71. sz. árjegyzéke a középiskolai tanszerekről) az 1800-as évekből, majd idézzük fel az alapfogalmakat, amelyek meghatározása – természetesen – az Internetről is letölthető.

Egyszerű gépnek – erőtranszformátornak – nevezzük azokat az eszközöket², melyek alkalmasak egy erő hatását erősíteni, kényszermozgások révén. Az egyszerű gépek fő jellemzője az áttétel ill. módosítás, mellyel teher súlya és azt egyensúlyban tartani képes erő viszonyát fejezi ki. Az egyszerű gépek alkalmasak arra, hogy egy adott terhet annál lényegesen kisebb erővel mozgassunk meg, nagyobb út megtételének az árán. Az emelőrendszerű egyszerű gépek: az emelő, a csiga és a hengerkerék, a lejtőrendszerűek a lejtő, a csavar és az ék. Emelőnek nevezzük azokat az eszközöket, ahol a teher egy olyan rúdra van erősítve ami egy pontján elforgathatóan rögzítve van. Ilyenkor a forgástengelytől minél távolabb mozgatjuk a rudat, annál kisebb erő kifejtése elegendő. Ha a teher és a mozgatási pont a tengely egyazon oldalán van, akkor egykarú emelőről beszélünk. Ha a tengely a teher és a mozgatópont között van, akkor kétkarú emelővel van dolgunk. Az Országos Pedagógiai Könyvtár és Múzeum természettudományi gyűjteményében számos, a mechanika tanítását segítő, muzeális értékű kísérleti és demonstrációs taneszköz található. Ezek közül néhány Eötvös Loránd és Jedlik Ányos találmánya, sőt keze munkája.

Nem véletlen, hogy Csekő Árpád fizikus-tanár – az OPKM természettudományi gyűjteményének utolsó őre – az Eötvös Loránd által tervezett mechanikai taneszközök történetéről és használatáról külön tanulmányt készített³. Ennek bevezetőjében írja, hogy „A mérlegelés volt az, amely Eötvöst előadásai kezdete óta foglalkoztatta, ebből alkotott Eötvös, a tudós, a legnagyobbat.” A mérleg egyébként az emelő egyik gyakorlati alkalmazása. Segítségével a forgatónyomaték egyenlősége alapján meghatározhatjuk a test súlyát (tömegét). Eötvös találmánya a szabálytalan alakú mérleg, amelynek segítségével jól szemléltethető a mérlegelés legelső követelménye, vagyis az, hogy a mérleg gyorsan álljon be az egyensúlyi állapotba, valamint a kettős-mérleg is. A kettős-mérleg kereskedelmi változatát Süss Nándor államilag segélyezett Mechanikai Tanműhelyében gyártották „Báró Eötvös-féle mérlegminta” elnevezéssel.

Hengerkeréknek nevezzük azokat az eszközöket, ahol két egymáshoz rögzített henger a közös szimmetriatengelyen forog, és a kisebb palástján kötél van tekercselve. A nagyobb henger általában kerék, ezen az elven működik a kerekeskút.

Csigának nevezzük azokat az eszközöket, ahol egy vagy több henger palástjára kötelet fektetünk, amely így a tengely körül elfordulva ellentétes irányba mozgatja a terhet. Az erőviszonyok: egyszerű állócsiga esetén F = G, a mozgócsiga esetén F = G/2, az egyszerű csigasornál F = G/2n, ahol n = a csigák száma. A csigasor álló és mozgó csigákból, valamint ezeket összekapcsoló láncból, vagy kötélből álló emelőszerkezet. A gyakorlatban a az álló és mozgócsigákat nem egymás fölé, hanem egymás mellé, egy-egy tengelyre szerelik, mert így nagyobb emelési magasság érhető el.

Lejtőnek nevezzük azt az eszközt, mely alkalmas a teher ferde csúsztatására, elhanyagolható súrlódás mellett. Ezáltal a teher súlyára merőleges erővel is lehet emelni. A lejtő alkalmazásának számos formáját és megoldását ismerjük.

A rendkívül szellemes az Erdély és Szabó Tudományos Műszergyár által gyártott Weinhold-féle fémkocsis lejtőkészülék amely alkalmas a vízszintes és a lejtőre merőleges erőösszetevők bemutatására. Természetesen a mérésekhez fontos része a készüléknek a három serpenyő és a súlysorozat is. Az 1929-ben gyártott, az ábrán látható lejtőkészülék a demonstrációs taneszközök kiváló példája, mivel a működést, az elvet, a mérési lehetőséget, az erőviszonyok „grafikus reprezentációját” is megvalósítja.

Csavarnak nevezzük azt az eszközt, mely henger (orsó) palástján elhelyezkedő – egyazon menetemelkedéssel futó – ferde barázdák, annak mintázatához illeszkedő lyukba (csavartokba vagy orsóba) helyezve, elforgatással a henger hossztengelyével párhuzamos elmozdulás keletkezik.

A csavar lényegében egy hengerre csavart lejtő. Az erő annál kisebb a tehernél, minél kisebb a menetmagasság az orsó átmérőjéhez képest. A csavarokat leginkább bontható kötések készítésére használják. Ismert alkalmazás még a csavarprés és a csavaremelő.

A végtelenített csavar a szélkerék által hajtott vízátemelők egyik fontos, klasszikus eleme.

Az ék háromoldalú hasáb. Segítségével két testet tudunk eltávolítani egymástól, annak középréselésével ilyen pl. a kés, a balta, a véső, vagy a hidegvágó.

Ismeretes még a rögzítő ék, amely ékeknél általában nagy súrlódást is kihasználja. Az ék-készülék segítségével különböző meredekségű ékek erőviszonyait vizsgálhatjuk és tanulmányozhatjuk

A 2005-ben érvényes általános iskolai fizika tanterv⁴ így fogalmazza meg módszertani ajánlását a tanárok számára: „Egyszerű jelenségeken, alkalmazási példákon keresztül mutassuk meg, hogy a természet jelenségei kísérletileg vizsgálhatók, megérthetők, és az így szerzett ismeretek a hétköznapi életben hasznosíthatók. A fizikaórák akkor válhatnak élményszerűvé és ezáltal hatékonnyá, ha a tananyag bőséges jelenségbemutatásra és sok jól kiválasztott kísérletre épül.” A dinamika alapjaiként tárgyalt, az Egyszerű gépek: emelő, lejtő témakörre vonatkozó legújabb tantervi ajánlás⁵ a következő:

Áttekintvén a jelenlegi taneszköz kínálatot, könnyű megállapítani, hogy a témakör taneszköz rendszere ma már olyan míves eszközöket, mint a „lejtőkészülék”, vagy az „ék-készülék”, nemigen tartalmaz. Szerencsére ezeket a történeti taneszközöket sok iskola és múzeum nemcsak őrzi, hanem használja is.

A cikk mellékletében a Calderoni cég természettani taneszközeit mutatjuk be a 71 sz. árjegyzék vonatkozó oldalainak közreadásával.

Jegyzetek

Melléklet