Jelenség leírása
Nyomásmérõ mûszer felhasználása nélkül mérjük meg, hogy egy kerékpár jól felfújt gumitömlõjében mekkora a légnyomás! (A kapott eredményt hasonlítsuk össze a személyautó kerekében lévõ légnyomás elõírt értékével. Indokoljuk meg a különbséget!
Összeállítás
A méréshez használt kerékpárok legtöbbje a manapság igen elterjedt típusú ,,mountain-bike'' volt, de akadt közöttük 30 éves klasszikus nõi kerékpár és gyermekbicikli is. Legtöbben a komplett kereket használták a méréshez, néhányan azonban csak a belsõt.
Eszközök
autógumi, gumicső, hosszú vonalzó vagy mérőszalag
Magyarázat
Ez a mérési feladat érthetõ okokból igen kevés tanulót mozgósított (egyeseket a nyári szünet elõtt, másokat az érettségi-felvételi vizsgák között talált), mindössze tízen küldtek be megoldást. A feladat megoldása azonban valamennyiük fantáziáját alaposan megmozgatta, hiszen nem kevesebbrõl, mint egy keréknyomás mérésére alkalmas eszköz megtervezésérõl, megépítésérõl és annak tényleges kipróbálásáról volt szó. E komplex folyamat egyes fázisai nem egy esetben komoly baráti vagy családi segítségnyújtást is igényeltek.
Lássuk a nyomásmérés különbözõ módozatait! Tízen 6-féle (!) módszert alkalmaztak:
1. Leggyakoribb eljárás a nyomás definíciójának (nyomóerõ/felület) megfelelõ módszer volt; ezt öten alkalmazták. (A kiértékelésnél nem szabad megfeledkezni arról, hogy itt a légköri nyomáson felüli túlnyomást mérjük.) Ennél a módszernél a kritikus pont a felület minél pontosabb meghatározása volt, ezért a versenyzõk különbözõ ,,trükkökhöz'' folyamodtak. Sikó Lóránt (Kecskemét, Bányai J. Gimn., 10. évf.) és Szekeres Balázs (Szolnok, Verseghy F. Gimn., 12. évf.) benedvesítették a biciklikerekeket, Vigh Máté (Pécs, Babits M. Gimn., 11. évf.) festékes vízzel, Juhász Anikó (Eger, Gárdonyi G. Gimn., 10. évf.) pedig élénkpiros rúzzsal kente be, ,,így a lenyomat szép tisztán látszódott'' a fehér papíron. Sikó Lóránt figyelembe vette a kerék mintázatát, Vigh Máté ellenben jobbnak látta, hogy e célra vásároljon egy erõsen lekoptatott gumit egy kerékpárkereskedõtõl. Sikó Lóránt saját súlyával, Juhász Anikó családtagjainak segítségével fejtette ki a megfelelõ nyomóerõt, Vigh Máté baráti segítséget vett igénybe, Szekeres Balázs pedig könyvekkel terhelte a kiszerelt belsõt. A nyomóerõt a tömegbõl számolták (Szekeres B. és Sikó L.), vagy pedig a kereket mérlegre helyezve mérték azt (Juhász A. és Vigh M.). Igen elmésen használta e módszert Szabó Áron (Debrecen, Fazekas M. Gimn., 11. évf.), aki a tömlõ levegõjét egy 5 kg-os (!) nehezékkel lefedett tölcsérhez csatlakoztatta, amelyre még egy rugós erõmérõvel megemelhetõ 1 kg-os nehezéket is helyezett. Ezzel állította be finoman az egyensúlyi helyzetet (amikor kezdett kiáramlani a levegõ).
2. Egy, a környezettõl elhatárolt, de változtatható térrészben lévõ levegõ izoterm összenyomását hozták létre hárman is a kerékpártömlõ nagyobb nyomású levegõjének segítségével. Komjáthy Júlia (Szekszárd, Garay J. Gimn., 12. évf.) egy vízszintes Melde-féle csõben higanycseppel elzárt levegõoszlopot, Rakyta Péter (Révkomárom, Selye J. Gimn., 11. évf.) egy vizet tartalmazó U-alakú csõ egyik szárában levõ levegõoszlopot, Szabó Áron pedig egy iskolai szertárból származó dugattyús hengerben lévõ levegõt nyomott össze ily módon.
3. Ennél a módszernél maga a kerékpárbelsõben lévõ levegõ került izoterm módon jól mérhetõ térfogatú és nyomású állapotba. Vigh Máté egy fürdõkádat feltöltött langyos vízzel, majd várt néhány órát, hogy a víz és a szoba hõmérséklete kiegyenlítõdjék. Ezután egy téglatest alakú, lefelé fordított 20 literes akváriumot helyezett a vízbe. A kerékpár ,,szelelõsre'' beállított szelepére gumicsövet erõsített, amelynek másik végét az akváriumba vezette az ábrán látható módon.
A szelepbõl addig áramlott ki a levegõ, amíg a külsõ és a belsõ nyomás ki nem egyenlítõdött. Az akvárium emelésével vagy süllyesztésével be lehet állítani, hogy a kádban és az akváriumban azonos magasságban legyen a vízszint; ekkor a felfogott levegõ nyomása megegyezik a külsõ légnyomással. Az akváriumban felfogott levegõ megmért V térfogatából, valamint a tórusznak képzelt gumitömlõ mért adataiból kiszámított V1 térfogatából ki lehet számítani a tömlõben lévõ levegõ eredeti nyomását:
Hasonló módon járt el Szilágyi Péter is, õ egy 15 literes mûanyagvödröt használt fel e célra.
4. Ketten (Vigh M. és Szilágyi P.) összeállítottak hagyományos higanyos manométert is. Ez lényegében egy mindkét végén nyitott, Hg-t tartalmazó U-alakú csõ, amelynek egyik ága a kerékpártömlõhöz csatlakoztatható. A csõ másik ágának hossza mindkettõjüknél jócskán hosszabb volt 2 m-nél.
5. Tóth Máté (Hódmezõvásárhely, Bethlen G. Ref. Gimn., 9. évf.) a biciklipumpa hengerének térfogatából, a kerékpártömlõ térfogatából és a pumpálások számából következtetett a keréknyomásra.
6. Varga Lajos (Gyula, Karácsonyi János Katolikus Gimn., 10. évf.) megmérte a kerékben lévõ levegõ tömegét (ténylegesen a felfújt és a lapos kerék súlyának különbségét), a tömlõ térfogatát, és az állapotegyenletbõl számolta ki a nyomást.
A felsoroltakból is kiderült, hogy néhányan több módszert is alkalmaztak; így Vigh M. háromféleképpen, Szabó Á. és Szilágyi P. két különbözõ módszerrel mérte a keréknyomást.
A mérési eredmények 5 versenyzõnél 350-390 kPa közé estek, ketten 300 kPa körüli értéket kaptak, egyikük pedig 200 kPa-t. Két tanuló mérési eredményei ennél lényegesen kisebbek, igen valószínû, hogy munkájuk valamilyen szisztematikus hibát tartalmaz. A mérés becsült pontossága néhány százalék, egyik esetben sem több, mint 10%.
Valamennyien arra a következtetésre jutottak, hogy a kerékpár tömlõjében a nyomás nagyobb, mint az autógumikban. Vajon miért? Szilágyi Péter szerint ,,a kerékpár tömege (az utassal együtt) 20-30-szor kisebb az autóénál, a talajjal érintkezõ felülete viszont 40-50-szer kisebb, így a kerékpártömlõben a nyomás nagyobb kell legyen, mint az autók esetében elõírt 1,8-2,2 atm. túlnyomásnak megfelelõ 280-320 kPa-os gáznyomás''.
!!\small!!10 dolgozat érkezett. 6 pontot kapott Szilágyi Péter és Vigh Máté megoldása. Kicsit hiányos (5 pont) Juhász A., Szabó Á., Szekeres B. és Rakyta P. mérési jegyzõkönyve, 4 pontos Komjáthy J., 3 pontos Sikó L., Tóth M. és Varga L. dolgozata.
