Vlnění, kmitání a šíření zvuku - soubor pomůcek pro demonstraci

Soubor pomůcek je určen k demonstraci vlnění, kmitání a šíření zvuku při výuce fyziky na 2. stupni ZŠ, lze využít i pro mladší žáky jako interaktivní hračku.

V hodinách fyziky k pochopení principu šíření zvuku se žáci nejdříve seznamují s tím, co je vlnění a kmitání, jakým způsobem se šíří zvuk. Po zhlédnutí animací na videu vznikl projekt na vytvoření vlastních pomůcek pomocí 3D tisku.

K vytváření 3D modelů využívají žáci Tinkercad, s kterým už se dříve seznámili (cca 6 hodin výuky ovládání základních funkcí programu). Jako inspiraci k vytváření modelů využíváme i modely na Prinstables.com. Následně vytvořené modely exportují do formátu .stl pro „slicování“. V programu PrusaSlicer nastaví parametry pro tisk (s dopomocí vyučujícího), soubory uloží na SD-kartu. 

Cílem projektu na vytvoření vlastních pomůcek pomocí 3D tisku, které umožní objasnění a pochopení principu vlnění a kmitání, rozlišení příčného a podélného vlnění, vlnění stojatého a postupného, rozlišovat pojmy vlnová délka, frekvence (kmitočet), perioda, kmitání matematického kyvadla, rezonance, vyzkoušet princip vzniku a šíření zvuku na struně, na bláně a rozkmitáním sloupce vzduchu.

Běžné vybavení počítačové učebny, Tinkercad, PrusaSlicer, 3D tiskárna s příslušenstvím, lepidlo

1. Seznámení s principem kmitání a vlnění v hodinách fyziky (3 hodiny)
2. Vytvoření návrhů, hledání inspirace, rozdělení jednotlivých činností (2 hodiny)
3. Modelování v Tinkercadu (20 hodin - při ovládání základních funkcí)
4. Slicování v PrusaSliceru, nastavení tisku (3 hodiny)
5. 3D tisk (všechny modely cca 150 hodin - 30 dní)

Po seznámení s principy kmitání, vlnění a šíření zvuku v hodinách fyziky jsme pokračovali ve vytváření vlastních pomůcek v programu Tinkercad. Inspirací nám byly animace s pokusy a hudební nástroje.

Kmitání struny

Jako inspirace poslouží housle. Vytvořili jsme držák k upevnění struny (gumičky) a posuvné podložky ke změně délky struny. Napnutí struny se mění navíjením na kolíky upevněné v držáku.

Kmitání blány

Bubínek je válec potažený blánou, která se úderem rozkmitá a vydává zvuk. Vytvořili jsme 4 různě velké bubínky. Každý bubínek má ouško k zavěšení. Na jedné straně je tenká vytisknutá vrstva plastu, na druhou stranu lze upevnit blánu z nafukovacího balónku nebo gumových rukavic. 

Kmitání sloupce vzduchu

Jako nástroj pro demonstraci kmitání sloupce vzduchu jsme zvolili zobcovou flétnu.
K pokusu jsme potřebovali model flétny, který opravdu hraje. Vyzkoušeli jsme model The Recorder Flute od autora Michala Fanty (https://www.printables.com/model/94103-the-recorder-flute). Tento model jsme upravili - dovnitř jsme vložili válec, který současně uzavřel původní otvory flétny. Vytvořili jsme píst, který se v tomto válci bude pohybovat. 
Po sestavení modelu se pohybem pístu mění výška sloupce vzduchu uvnitř těla modelu a tím se mění i výška tónu.

Kmitání a vlnění s magnety

Při pokusech s magnety na tyči se souhlasné póly magnetů odpuzují. Při jejich stlačení se rozkmitaly.
Vytvořili jsme puky s magnety a síť, po které se budou pohybovat. Podstavec jsme osadili magnety (při tisku jsme museli magnety přilepit, protože se nám pořád spojovaly). V horní části magnety být nemusí, puky vlastní tíhou klesají dolů, magnetická síla podstavce je naopak odpuzuje (jsou otočeny stejnými póly k sobě). Posunem tyče s magnety se magnety rozkmitají. Puky s magnetem se vychýlí, potom se vrací zpět. Můžeme pozorovat vlnu, která vznikne při šíření rozruchu. 
Při tisku jsme museli při vkládání magnetů použít lepidlo - magnety neustále vyskakovaly a přichytávaly se k sobě. 

Kmitání  a  vlnění

K demonstraci kmitání potřebujeme zavěšené kuličky. Inspirovali jsme se modelem Newton's Cradle (Every part 3d printable) od autora RISEOFKONG (https://www.printables.com/model/120285-newtons-cradle-every-part-3d-printable). 
Model jsme upravili tak, že jsme otočili úchyty na závěsy o 90° a závěsy udělali jen jednoduché. Přidali jsme počet závěsů, aby měl model více kuliček, kuličky jsme zmenšili, aby se nedotýkaly. Přidali jsme dvě desky s důlky, do kterých se kuličky mohou naskládat v různých vzdálenostech. Jedna umožňuje demonstrovat příčné vlnění, druhá podélné. Po uvolnění se kuličky krátce rozmitají. Pozorujeme změny výchylek. 

Na tomto modelu lze ukázat, že při různé hmotnosti kuliček (3 velikosti kuliček) se doba kmitů nezmění. Naopak změnou délky závěsu se doba kmitu zkracuje. 
Je možné vyzkoušet i princip Newtonovy houpačky. V tomto případě je potřeba použít největší kuličky, aby se vzájemně dotýkaly.

Vlnostroj

Naše pokusy jsme doplnili vyzkoušeným modelem Wave Machine od autora HeiLaut (https://www.printables.com/model/1028504-wave-machine).

U modelu jsme jednotlivé části propojili rybinovým spojem a přidali destičky na zpevnění. Vzhledem k prostorovým možnostem potřebujeme model před uložením složit. Ostatní části jsme použili beze změny. 

Přesnější popis postupu je v přílohách.

Modely jsme tiskli, upravovali a spojovali postupně asi dva měsíce. Některé části jsme museli po výtisku upravit a tisknout znova.