Projekt podporuje interaktivní výuku fyziky - studenti si vyzkouší vedení tepla různými překážkami.
Projekt lze realizovat v několika variantách podle toho, jak chcete měřit teplotu. Jednou z variant (orientačního) měření teploty je teplocitlivý filament, který mění barvu při teplotě kolem 30 stupňů a hezky tak vizualizuje nárůst teploty při šíření tepla testovacím boxem. Lze ho použít i pro celý výtisk, my jsme použili jen nalepovací indikátory (terčíky).
Teplotní indikátory - vlevo plně zahřátý, vpravo studený:

Možné varianty potřebného vybavení podle zvoleného způsobu sledování teploty:
- teplocitlivý (v nabídce obchodů též “termosenzitivní” nebo “měnící barvu”) filament pro celý výtisk - ukázkový box cca 300 g
- teplocitlivý filament pouze pro teplotní indikátory (např. vzorek 10 m struny 1,75mm má objem 24 cm3 a s rezervou vystačil na čtyři indikátory pro ukázkový box), vteřinové lepidlo pro nalepení indikátorů
- nalepovací akvarijní teploměr nebo jiný kontaktní teploměr pro každou stěnu výtisku, kde chceme sledovat teplotu
- bezkontaktní teploměr (více kusů umožní sledovat teplotu současně na více stěnách), u běžných lékařských teploměrů může být relativně úzký rozsah měřitelných teplot (např. 32-43 stupňů).
Dále je pro experiment potřeba voda o teplotě kolem 50 stupňů (pro exaktnější měření tedy teploměr a horká voda z kohoutku, případně rychlovarná konvice či vařič).
Volitelně je možné vkládat do otvorů ve výtisku (ukázkový box pojme s rezervou desku 88 x 78 x 5,5 mm) materiál s různou tepelnou vodivostí, např.:
- polystyren či jiná pěnová izolační hmota
- kovová deska či plechy
- ukázkový box, víčka a indikátory:
- složka modely - soubory .stl, lze použít jako základ a upravit
- složka PrusaSlicer - soubory .3mf s přípravou k tisku, pro různé části boxu je nastavena různá výplň
- složka gcode - soubory .gcode k nahrání na SD kartu a vytištění (tiskárna Original Prusa i3 MK3S+, standardní tryska 0.4 mm, materiál PLA)
- PrusaSlicerRuznaVypln.docx - návod, jak použít různé výplně pro části jednoho výtisku v PrusaSliceru
- VedeniTeplaExperiment.docx - použití ukázkového boxu při experimentu s vedením tepla ve výuce fyziky
Volba způsobu měření teploty, objednání vybavení (pouze vyučující)
Prohlédněte si ukázkový box a přečtěte si, jak jsme ho použili při experimentu na vedení tepla.
Rozhodněte se, jakou variantu sledování teploty zvolíte (viz “Potřebné vybavení”) a podle toho vybavení objednejte. Zohlednit je vhodné:
- zda potřebujete teplotu jen orientačně sledovat, nebo přesně měřit
- vybavení, které již máte k dispozici
- dostupnost a cenu potřebného vybavení
- počet studentů a míru jejich zapojení do projektu (počet a velikost boxů, počet stěn)
Úvodní schůzka (vyučující a studenti)
Schůzku lze uspořádat např. na závěr hodiny fyziky, kde se probírá šíření tepla.
Připomeňte si se studenty dle potřeby principy šíření tepla - vedením a prouděním, význam tepelné vodivosti materiálu a tloušťky stěny. Zmiňte příklad dutiny v materiálu (plyn vede teplo hůře než pevná látka, uvnitř dutiny se ale teplo šíří prouděním v důsledku přirozené cirkulace plynu).
Pro studenty bude zábavnější, pokud teoretické principy zkusí sami aplikovat při realizaci projektu. Konkrétní závěry ohledně velikosti dutin v materiálu (např. dobrý izolant má malou hustotu a malé bublinky) pak raději nechte až na diskusi v závěru experimentu.
Seznamte studenty se záměrem experimentu:
- Chceme porovnat rychlost šíření tepla stěnami různé konstrukce.
- Vytvoříme box (nádobu), kterou naplníme teplou vodou a budeme pozorovat, jak rychle se ohřejí vnější stěny, případně i jaké ustálené teploty dosáhnou.
Studenti (sami nebo ve skupinkách) navrhnou konstrukci “své” stěny, případně celého boxu. Cílem může být vytvořit stěnu, která povede teplo nejlépe, nebo bude nejlépe izolovat. Studenti odhadnou, která stěna povede teplo nejlépe, sestaví žebříček.
Tipy pro konstrukci boxu:
- Plné stěny tloušťky 2mm jsou i v rozměru 10x10 cm dostatečně pevné a vodotěsné, tenčí jsme nezkoušeli, fungovat mohou.
- V PrusaSliceru je možné volit pro různé části výtisku různou výplň - ukažte studentům, jak to udělat (viz samostatný návod).
- Mají-li různé stěny různou výplň, je vhodné ji popsat např. reliéfním textem v modelu.
- U podlážky ukázkového boxu jsme zvolili tloušťku 1 cm a 20% výplň, aby byl box zespodu trochu izolován.
- Velká poklička na box není nutná, pomůže ale udržet teplotu vody a může nést např. logo školy nebo týmu. Pokud chcete nechat dutinu v některé stěně bez výplně, malá poklička na její zakrytí je nezbytná, aby teplo z dutiny neunikalo.
Proti ukázkovému boxu je možné např.:
- zvolit větší počet stěn (složitější model)
- zvolit menší velikost, limitující je jen to, aby objem vody stačil na prohřátí boxu
- sestrojit stěnu s nestejnou tloušťkou a pozorovat teplotu v jejích částech
- v dutině pro vkládání izolace vytvořit svislou přepážku a vložit vedle sebe dva různé materiály
Pokud se chcete přidržet námi popsané jednoduché verze experimentu, kdy sledujeme především rychlost šíření teploty boxem, doporučujeme vyloučit tyto možnosti:
- výplň dutiny o různé počáteční teplotě
- výplň dutiny, která během ohřívání projde skupenskou přeměnou (např. led)
- výplň dutiny o velké tepelné kapacitě (např. voda), která by podstatně zpomalila prohřátí stěny i v případě dobrého vedení tepla
Výstupem schůzky je pro každou skupinu:
- schéma navrženého testovacího boxu
- kdo vytvoří model, kdo bude slicovat a tisknout, případně lepit
- kdo případně připraví materiál na výplň dutiny.
- studenty tipovaný žebříček stěn - odhad, která stěna povede teplo nejlépe, nejhůře
Modelování, slicování a tisk (studenti, případně vyučující)
Studenti vytvoří model svého boxu, naslicují ho, vytisknou a případně nalepí teplotní indikátory nebo teploměry. Při tisku mohou studenti svůj box vyfotit, aby zachytili výplň stěn.
Výplň stěn při tisku ukázkového boxu:

Experiment (vyučující a studenti)
Po dokončení výroby boxů následuje experiment popsaný v samostatném dokumentu a diskuse o zjištěných výsledcích (kde se odhad trefil, kde ne a proč).