Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


2018.12.03

KÍSÉRLET A BELSŐ ÉGÉSŰ MOTOROK MŰKÖDÉSÉNEK SZEMLÉLTETÉSÉRE

Bevezetés

            A belső égésű motorok témájának tanításához egy tanári bemutató kísérlet mindenképp hasznos lehet, amelyet követően a tanulók együtt fogalmazzák meg a látottakat, majd tanári vezetéssel, tudományosan is leírják a tapasztaltakat. A kísérletet azonban, biztonságvédelmi szempontok miatt nem célszerű tanórán bemutatni, hiszen, mint látni fogjuk, az üveg eltörik, de ezen felül az alkohol (túlságosan is) belobbanhat. Ezért inkább ajánlatos egy előre elkészített videón keresztül értelmezni a láttottakat.

 

Leírás

A kísérletnek a „robbanó alkohol-motor” nevet adhatjuk. A bemutatás előtt elsőként fel kell vázolni a kísérleti elrendezés részeit. A mérési leírás alapján a kísérlet elvégzéséhez egy (átfúrt) tetővel ellátott befőttesüveg, egy hurkapálca, egy gázgyújtó, csekély mennyiségű alkohol és a biztonságos végrehajtás érdekében egy védőszemüveg szükséges.

            A kísérlet végrehajtásának első lépése, hogy egy asztali fúró segítségével a befőttesüveg tetejére egy megfelelő nagyságú lyukat készítünk. Ezután, beletöltjük a néhány cm3 mennyiségű alkoholt az üvegbe, majd rászorítjuk a tetejét. Az üvegben lévő alkoholt jól összerázzuk, hogy a párolgó alkohol gőze teljes egészében betöltse az üveg térfogatát. (A rázás közben ügyelünk arra, hogy az alkohol ne folyjon ki az üvegből.) Ezt követően, a biztonságos végrehajtás érdekében az alkoholos palackot (amelyből töltöttünk) messzebbre helyezzünk a gyújtás helyétől, nehogy a végrehajtás során véletlenül meggyulladjon. Meggyújtjuk a hurkapálca végét, majd óvatosan az átfúrt tető felé helyezzük.  A kísérlet elvégzése során ügyelnünk kell arra, hogy azt jól láthassa minden tanuló. Mit tapasztalunk?

 

Tapasztalat

            Először a begyújtott gáz gyors kiáramlása tapasztalható, majd hosszabb ideig egy periodikus pulzáló hangot hallunk. A periodikus működés leállásával azonban, ahogy elfogy az üzemanyaga, az üveg nagy reccsenés közepette eltörik.

Adjunk választ a tanulók segítségével, hogy mivel magyarázzuk a kísérlet tapasztalatait!

 

Magyarázat

A kísérlet tapasztalatainak értelmezéséhez azt szükséges elsőként leszögezni, hogy egy belső égésű motorhoz hasonló működés szemléletes példáját láttuk. Ugyanakkor, itt nem volt dugattyú, annak szerepét ugyanis az üvegben lévő gázoszlop töltötte be, amely egy periodikus rezonancia-folyamatot hozott létre, s annak frekvenciája határozta meg a mozgás ütemét.

A kísérlet kezdetén, amikor összeráztuk az üveget, az alkoholgőz levegővel keveredve töltötte be annak térfogatát. Amikor az üveg tetején keresztül a gőz egy látványos és hangos effektussal begyulladt, s kiáramlásával lecsökkent az üveg belsejében lévő nyomás. Ez az alacsony nyomás levegőt szívott be az üveg tartályába, majd a pulzáló effektus megindulása előtt összesűrítette a már alkoholgőzzel elkeveredett levegőt. Ezután következett a munkavégzés üteme, mialatt a ki-be áramlás és a tető egy periodikusan működő géphez hasonló hangot hallatott. A negyedik, ún. kipufogás fázisa folyamatosan jelen volt a rendszerben, hiszen a ki-be áramlással az elégett gőz is távozott az üvegből. (Ezáltal vált lehetővé az, hogy míg a felhasznált gőz-levegő elhagyta a rendszert, azalatt friss, oxigénnel dús levegő áramlott az égéstérbe, s ez fenntartotta a periodikus mozgást.)

A ciklikus nyomásváltozás hatására ugyanakkor hőmérsékletkülönbség jelentkezett az üveg belsejében. Az alkohol az üveg alsó részén extrém módon hűlt a gyors párolgás miatt, miközben ennek hidegen tartását a beszívott, „hideg” levegő is segítette. Az üveg felső része ugyanakkor forró maradt, ott zajlott ugyanis az alkohol égése. A fennálló hőmérséklet-különbséget azonban a nem hőálló anyagból készült üveg már nem képes elviselni, így elrepedt és eltört.

 

Módszertani megjegyzések

A minél pontosabb végrehajtás érdekében szükséges lehet figyelembe venni azokat a paramétereket, amelyeket a többszörös végrehajtás során megfigyeltem és lejegyeztem. Fontos ugyanis, hogy mekkora nagyságú lyukat készítünk az üveg tetejére. Kísérletezésem alapján megállapítottam, hogy a kb. 14 cm magas üveg (V=720 ml) tetejére egy kb. 2 cm átmérőjű lyukat kell fúrnunk. Ugyanis, ennél kisebb magasságú, szélesebb, kisebb lyukátmérőjű befőttesüveg esetén a kísérlet nem megfelelően működik, hanem egyszeri beszívást követően egyszerűen leáll. Ugyancsak veszélyes túl kicsi lyukkal dolgozni, hiszen a jelentkező nyomáskülönbség pillanatszerűen szétvetheti az üveget, ami könnyen balesethez vezethet. Ezáltal, ha ezekkel a feltételekkel dolgozunk, úgy elérhetjük, hogy a motor akár 15-20 másodpercen keresztül is folyamatosan működjön, miközben a tető pulzáló („pöfögő”) mozgást végez. (Megjegyzem, hogy amennyiben a kísérletet csendben, elsötétített osztálytermi körülmények között hajtjuk végre, eredménye úgy jobban megfigyelhetővé és észlelhetővé válik.)

 

Internetes linkek a kísérlet végrehajtásához:

- A kísérlet helyes végrehajtása: https://youtu.be/GHECpXSzq1c
- A befőttesüveg eltörése: https://youtu.be/-ukuzL8HDmo

 

Tanári útmutató-lap

 

Leírás

 

Mérési elrendezés:

Mérési eszközök:

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Tapasztalat

 

  •  
  •  

 

Magyarázat

  •  
  •  

 

Módszertani megjegyzések

 

  •  
  •  

Feladatok

  • Mérje meg egy adott geometriai paraméterekkel rendelkező üveg rezgési periódusának nagyságát! Ez alapján adja meg, milyen mozgási frekvenciát jelent ez!
  • Mérje meg az üveg tetejének legnagyobb kitérését! Milyen maximális sebesség rendelhető a befőttesüveg fedeléhez, amennyiben az harmonikus rezgést végez?
  • Adjon kvantitatív összefüggést az alkohol mennyisége és a pulzálás teljes időtartama (beindítástól az üveg eltöréséig) között! Milyen függvényt rajzol az így kapott eredmény? (Az el nem tört üvegek esetén mért időtartamot ne vegye figyelembe a függvény megrajzolásakor.)