Bohaterowie i złoczyńcy: nauka w świecie superbohaterów Teach article

Przetłumaczyła Katarzyna Badura. Namów uczniów aby zastanowili się, które z wyjątkowych cech komiksowych superbohaterów, takich jak Superman, byłyby rzeczywiście możliwe – zakładając jeden lub dwa cuda.

Jako doświadczony naukowiec zapewne lubisz wykorzystywać swoją wiedzę naukową w codziennych tematach, ponieważ pozwala ci to na wgląd w działanie świata – ma również subtelny wpływ na podjęcie decyzji, które zasady mają być zastosowane.

Jako nauczyciel fizyki chciałem pozwolić moim uczniom na podobną wolność, by wyłamać się na chwilę ze szkolnego curriculum i rozważyć naukowo sytuacje, które są dla nich nieodłącznie interesujące – jeśli nie dokładnie życiowe. Zainspirowany książką The Physics of Superheroes (Kakalios, 2009), zdecydowałem się na wprowadzenie komiksowych superbohaterów do moich lekcji fizyki, po to, aby uczynić naukę procesem bardziej angażującym uczniów. Eksperyment okazał się sukcesem, a klasy, wykazując przy tym autentycze zainteresowanie tematem, rozpoczęły pracę nad dość wymagającym problemem naukowym.

W tym artykule opisuję część materiałów, które wykorzystałem w czasie moich lekcji, wraz z pytaniami i opracowanymi odpowiedziami oraz informacjami podstawowymi na temat superbohaterów dla osób mniej obeznanych z tym tematem. Materiały są dobre dla uczniów z przedziału wiekowego 16-19 lat, oraz jako wyzwanie dla niektórych młodszych uczniów. Dyskusja i obliczenia są przewidziane na zajęcia godzinne lub dłuższe.

Co nauka ma z tym wspólnego?

Najprawdopodobniej superbohaterów można wykorzystać w czasie lekcji jako przykłady rozwiązania problemów, w których prawdziwa nauka jest zastosowana do opisu rzekomych supermocy w celu sprawdzenia ich spójności i określenia logicznych konsekwencji wynikających z ich użycia. Tak jak z każdą fikcją, docenienie mocy komiksowych superbohaterów wymaga przymknięcia oka na niektóre aspekty rzeczywistość. Jednak w przypadku superbohaterów osadzonych w świecie science fiction (w przeciwieństwie do czystego fantasy), jeśli uznamy to, co James Kakalios nazywa kilkoma „cudownymi wyjątkami”, ich moce mogą stać się przekonywujące. Na przykład, jeśli pozwolimy Supermanowi na przeskoczenie jednym susem wysokich budynków, to co nam to mówi na temat grawitacji na jego rodzimej planecie Krypton? Skupimy się na tym pytaniu później.

Kolejną możliwością jest spojrzenie na konkretną supermoc i wykorzystanie jej jako kontekst do opisu lub wyjaśnienia nauki. Poniżej omówiłem kilka możliwości, bazujących na bohaterach Marvel’owskiego komiksu X-men, jak również najbardziej trwałej supermocy: niewidzialności.

X-Man i ich super moce

Zespół superbohaterów X-men został stworzony w 1963 roku przez Stana Lee, redaktora Marvel Comics, i artystę/współ-twórcę Jacka Kirby. X-men to zmutowany podgatunek ludzi, z których każdy urodził się z inną supermocą. Przyjrzyjmy się niektórym z główych bohaterów.

• Charles Xavier, lider X-Menów, znany również jako Profesor X. Przykuty do wózka inwalidzkiego posiada supermoc telepatii. Dyskusja na temat tego, czy jest to wiarygodne może się skupić na istocie impulsów nerwowych oraz na tym, że aktywność mózgu angażuje jony poruszające się wewnątrz neutralnej przestrzeni naszych mózgów. To z kolei nawiązuje do elektromagnetyzmu jako że poruszające się jony generują pole magnetyczne, powodując tym samym emisję z mózgu emisję fal elektromagnetycznych o niskiej częstotliwości. Właściwie czytanie myśli byłoby możliwe, natomiast stopień szczegółowości takiego czytania pozostaje nadal kwesitą otwartą.

• Magneto, złoczyńca-łucznik, w zespole X-Menów jest mutantem, który potrafi generować i kontrolować pole magnetyczne. Ta supermoc pozwala na wprowadzenie różnych form mangetyzmu: ferro-, para- i diamagnetyzmu. Klasa mogłaby też przyjrzeć się jak diamagnetyzm może wywołać lewitację i zastanowić się nad tym, czy lewitacja człowieka byłaby możliwa (tak, jeśli magnes byłby wystarczająco silny: przynajmniej 40 tesli, co jest jakieś 40 razy silniejsze niż magnes wykorzystywany do podnoszenia samochodów).

• Wolverine jest mutantem o potężnej mocy regeneracyjnej, znanej jako czynnik leczniczy i sześciu chowających się w dłoni pazurach, powleczonych niezniszczalnym materiałem adamantowym. Ten fikcyjny materiał może stanowić dla studentów punkt wyjściowy do zastanowienia się nad tym, jak mógłby wyglądać materiał „niezniszczalny”. Materiały mają trzy podstawowe właściwości mechaniczne: silne materiały wytrzymają duże obciążenie, twarde materiały są oporne na zmianę kształtu lub zadrapania, a wytrzymałe materiały są oporne na powstawanie szczelin, często zmieniając kształt lub absorbując energię. Na przykład, sieć pajęcza, pomimo tego, że jest wytrzymała, nie jest twarda. Pomimo tego, że wiązania kowalencyjne w diamencie czynią z niego materiał wyjątkowo twardy, nie jest on wytrzymały. Można poprosić uczniów aby poszukali, który z rzeczywistych materiałów (naturalnych lub syntetycznych) wyróżnia się w każdej z wymienionych cech i dlaczego tak jest, jak również nad jakimi nowymi, silniejszymi materiałami sa właśnie prowadzone prace.
   

Peleryna-niewidka

Koncepcja wykorzystania peleryny, która zapewnia niewidoczność została po raz pierwszy zaproponowana w 1966 roku w jednym z odcinków Star Trek. Zachęć uczniów do dyskusji: czy peleryna-niewidka jest czym rzeczywiście możliwym do osiągnięcia? Jeśli tak, to w jaki sposób?  Co musiałoby się stać z tą peleryną, aby objekt pod nią schowany stał się widoczny? Może zaproponują uczniom aby narysowali schemat obrazujący spsób, w jaki byłoby to możliwe.

W zasadzie, gdyby światło mogło się zagiąć wokół obiektu, zamiast się od niego odbić lub przez niego przejść, to obiekt wydawałby się niewidoczny. Obecnie prowadzone są prace nad metamateriałami (autentyczne materiały z właściwościami, jakich naturalne materiały nie posiadają), które pozwalają, aby promieniowanie elektromagnetyczne opłynęło „opłaszczony” obiekt, jak woda kamienie w rzece. Obserwator patrzyłby na ukryty przedmiot, a następnie zobaczyłby światło za nim, co powodowałoby, że obiekt byłby niewidoczny. Chociaż ta wizja zdaje się być obiecująca, to póki co tylko małe przedmioty udało się ukryć z powodzeniem.

Superman: ćwiczenie w rozwiązywaniu problemów

Superbohaterowie są bogatym źródłem pytań dotyczących ruchu pocisków i innych zagadnień fizycznych. Superman zadebiutował w 1938 roku w pierwszej edycji Action Comics. Czytelnicy dowiedzieli się, że Superman może podskoczyć na wysokość jednej ósmej mili (200m), co z kolei można wykorzystać jako punkt wyjścia do odkrycia innych faktów fizycznych, przy uwzględnieniu pewnych wiarygodnych założeń.

Poniżej zestawiono kilka potencjalnych pytań związanych z umiejętnościami Supermana, wraz z odpowiedziami.

1. Jeśli Superman skacze na wysokość 200m wykaż, że jego prędkość początkowa wynosi ok. 60 ms^-1.

Do tego problemu można podejść na dwa sposoby: przez równanie ruchu lub przez równanie zachowania energii. Poproś uczniów aby rozwiązali problem na oba sposoby, ponieważ jest to dobry sposób na sprawdzenie poprawności wyników. To również pokazuje jak pracują zawodowi fizycy – jeśli alternatywne sposoby rozwiązania problemu prowadzą do takich samych wyników, to utwierdza to w przekonaniu o ich poprawności.

Równanie ruchu

Równania ruchu są na lekcjach fizycki w szkole nazywane równaniami “suvat”, ponieważ zawierają następujące wielkości:

s = przemieszczenie

u = prędkość początkowa

v = prędkość końcowa

a = przyspieszenie

t = czas

Przypomnij ucnziom, że jeśli Superman skacze pionowo w górę, to w momencie osiągnięcia przez niego maksymalnej wysokości, na moment się zatrzyma, a tym samym jego prędkość końcowa wyniesie v = 0 ms^-1. Zakładając, że ruch w górę jest dodatni, wartości poszczególnych zmiennych wyniosą:

s = 200 m

u = ?

v = 0 ms^-1

a = -10 m^-2 (przyspieszenie wynikające z grawitacji)

t = nieistotny

W tym układzie równanie suvat przyjmie następującą postać:

v² = u² + 2as

Wykorzystując wartości, które mamy możemy zauważyć, że:

0 = u² + 2 (-10 x 200)

u² = 4000

u = 63.2 ms^-1

Równanie zachowania energii:

Zakładamy, że w punkcie szczytowym skoku Supermana cała energia kinetyczna ulega przemianie w grawitacyjną energię potencjalną. A tym samym:

1/2 mv² = mgh

gdzie m to masa Supermana, v to prędkość jego skoku, a h to wysokość jaką osiągnie ponad powierzchnią.

Upraszczając równanie i podstawiając wartości otrzymujemy:

2. Skacząc, jakiej siły doznaje Superman w momencie odepchnięcia od powierzchni ziemi?

Siła F jest definiowana jako szybkość zmiany pędu p. Moment jest produktem masy i prędkości, dlatego tempo zmiany pędu stanowi masę Supermana pomnożoną przez jego prędkość początkową v i podzieloną przez czas t.

Załóżmy, że Superman waży 100kg. Dla t, standardowej wartości „czasu wstrzymania” w podręcznikach często podawana jest wartość 0,25s.

To daje nam następujące równianie:

3. Jeśli Superman może podskoczyć na Ziemi na wysokość 200m, to ile może wynosić siła grawitacji na jego rodzimej planecie Kryptonie?

Zazwyczaj, gdy człowiek podskakuje, może zastosować siłę w przybliżeniu równą jego masie spoczynkowej. Na Ziemi, masa spoczynkowa Supermana, W, jest jego masą m pomnożoną przez siłę pola grawitacji g (która wynosi ok. 10 Nkg^-1). Założyliśmy, że Superman wazy 100kg, stąd:

W = 100 kg x 10 Nkg^-1 = 1000 N

Z wcześniejszego zagadnienia wiemy, że w momencie skoku Superman generuje siłę o wartości 2.53 x 10⁴ N, co sugeruje, że taka jest jego waga na Kryptonie. To z kolei sugeruje, że pole grawitacyjne na Kryptonie jest jakieś 25 razy silniejsze niż na Ziemi.

Superman był fizycznie dostosowany do egzystencji na Kryptonie, gdzie pole grawitacyjne jest znacznie silniejsze. Na Kryptonie byłby przeciętny, natomiast na Ziemi zdaje się mieć nadprzyrodzone moce.

4. Co możemy wywnioskować o Kryptonie na podstawie jego grawitacji?

To pytanie można potraktować jako prosty wstęp do modelowania matematycznego dla uczniów w wieku 16+. Jeśli gęstość planety jest jednolita, to siła pola grawitacyjnego planety jest proporcjonalna do jej promienia. Biorąc pod uwagę równanie na siłę pola grawitacji, g = Gm/r², oraz równanie na objętość kuli , V = 4/3pr³, studenci mogą sami rozpracować tą zależność.

To oznacza, że jeśli Ziemia i Krypton mają podobną gęstość, a pole grawitacji na Kryptonie jest 25 razy silniejsze niż na Ziemi, to promień Kryptonu jest również 25 razy większy niż promień Ziemi.

To z kolei pozwala na wyciągięcie wniosków dotyczących masy Kryptonu. Ponownie, zakładając jednolitą gęstość, masa planety jest proporcjonalna do sześcianu jej promienia. Dlatego też, 25-krotny wzrost wartości promienia Ziemi zwiększyłby jej masę o współczynnik 25³ = 1.56 x 10⁴.

Zakładając, że masa Ziemi wynosi 5.97 x 10²⁴ kg, możemy obliczyć, że masa Kryptonu wynosiłaby:

5.97 x 10²⁴ kg x 25³ = 9.33 x 10²⁸ kg

To daje masę ok. 15 000 razy większą niż masa Ziemi i ok. 50 razy większą niż masa Jupitera. Tak właściwie, gdyby Krypton był planetą gazową (a nie planetą skalistą jak Ziemia), to byłaby to wartość tylko trochę mniejsza od masy koniecznej do termonuklearnej fuzji worodu – procesu produkcji energii na Słońcu. Stąd jeśli twórcy Supermana uczyniliby go trochę mocniejszym, to jego rodzimą „planetą” byłaby gwiazda.

Ant-Man i inne scenariusze

Aby obudzić naukową wyobraźnię uczniów, można postawić wiele podobnych pytań i scenariuszy powiązanych z bohaterami komiksów. Na przykład, postać Marvel’a, biofizyk Dr Henry „Hank” Pym, wynalazł substancję chemiczną (cząsteczki Pyma), pozwalającą mu na skurczenie się do rozmiarów owada, czyniąc z niego tym samym Ant-Mana. Jeśli Ant-Man zostanie wciągnięty prezez odkurzacz, czy udałoby mu się wyjść z worka, robiąc w nim dziurę?

To pytanie jest prawdziwym ćwiczeniem w skalowaniu. Siła, z jaką ktoś może uderzyć jest proporcjonalna do przekroju poprzecznego mięśni w ramionach. Ponieważ jednak siłę uderzenia Ant-Mana i powierzchnia jego pięści zostały zmniejszone o taki sam współczynnik, siła, jaką przyłożyłby do powierzchni papierowego worka byłaby – zapewne ku zaskoczeniu wszystkich – taka sama jak w przypadku Dr Pyma.

Oczywiście to wymaga “cudownego założenia” że zmniejszeniu ulega jedynie rozmiar, a pozostałe wartości atrybutów (w tym masy) pozostają niezmienne – scenariuszu, który doprowadziłby nas do zupełnie innego działu nauki: struktury atomowej. Jak widać, z małym dodatkiem wyobraźni superbohaterowie mogą zabrać cię wszędzie. Udanej podróży!

Download

Download this article as a PDF