Până la Lună şi înapoi: reflectarea unui semnal radio pentru calcularea distanţei Teach article

Tradus de Mircea Băduţ. Vom măsura distanţa dintre Pământ şi Lună folosind un calcul simplu şi cu ajutorul unei staţii locale de radio-amatori.

Inspirat de un articol anterior din Science in School, care folosea fotografierea pentru a măsura distanța până la Lună (Cenadelli et al., 2016), ), am pus la punct un experiment cu grupuri de cercetași (tineri voluntari) din întreaga lume pentru a face același lucru folosind semnalele radio. Cu ajutorul unui utilizator de radio calificat, grupurile au trimis semnale radio de la stațiile lor de emisie înspre Lună. Semnalele se reflectă pe suprafața Lunii și se întorc pe Pământ, unde sunt detectate de un receptor radio. Această tehnică de transmisie radio, cunoscută şi sub numele de „ricoșeu lunar” sau „comunicare Pământ-Lună-Pământ”, a fost folosită pe scară largă pentru comunicarea militară în zilele de dinaintea sateliților.

Undele radio fiind un tip de radiații electromagnetice, ele se deplasează cu viteza luminii. Astfel, datorită timpului de călătorie de la Pământ la Lună şi înapoi, semnalul radio reflectat ajunge aici întârziat cu câteva secunde. Măsurând această întârziere, grupurile de tineri au calculat distanța parcursă de undele radio și astfel au reuşit să măsoare distanța până la Lună.

Măsurarea distanţei de la Pământ la Lună

În articolul de faţă vom descrie modul în care se poate dirija această activitate de laborator la școala dumneavoastră, începând cu contactarea unui radio-amator (persoană autorizată de autoritățile competente pentru a transmite semnale radio de înaltă putere). Apoi explicăm cum trebuie transmis și măsurat semnalul radio, precum și efectuarea calculului final. Experimentul, care trebuie realizat când Luna se află deasupra orizontulu^w1este potrivit pentru elevi cu vârste de peste 11 ani și va dura aproximativ 1,5–2 ore, inclusiv timpul de pregătire.

Pentru profesor

Deoarece este esențială folosirea unei staţii de radio-amatori pentru a trimite semnalul radio spre Lună, va trebui să cereți ajutor de la un club de radio-amatori local/național^w2 (majoritatea țărilor au astfel de cluburi/staţii). Persoanele interesate de transmisia radio pot face un demers pentru a obține o licență de radio-amator care le permite să transmită semnale radio în domeniul de frecvențe rezervat radio-amatorilor.

Vor fi necesare:

• O antenă capabilă de a fi orientată spre Lună pentru a converti semnalul în unde radio şi invers (figura 1)
• Un emiţător/receptor radio (figura 2) pentru a transmite undele radio şi pentru a recepţiona undele reflectate de Lună
• Un osciloscop cu două canale (figura 3) pentru a afişa întârzierea de timp dintre undele radio transmise şi cele receptate (figura 4)

În mod obişnuit radio-amatorul este în măsură să furnizeze echipamentul, eventual cu ajutorul clubului local de radio-amatorism. Dacă radio-amatorul trimite semnale de la staţia sa radio, imaginea semnalelor de întoarcere (preluată cu o cameră video de pe osciloscop) poate fi transmisă prin internet pentru a fi vizualizată la școală (vedeţi secțiunea ‘O alternativă mai puternică’).

Pentru radio-amator

1. Pregătiţi aparatul de emisie/recepţie şi conectaţi-l la antenă.
   Antena şi emiţătorul radio trebuie să fie aliniate cu Luna, iar receptorul nu trebuie să fie influenţat de semnale de interferenţă, precum cele emise de instalaţiile electrice mari aflate în apropiere. Trebuie să aflaţi cu precizie unde se află Luna pe cer, raportat la locaţia dumneavoastră şi la ora experimentului, şi puteţi realiza aceasta consultând web-site-ul Sky Live^w3.
2. Selectaţi o frecvenţă potrivită dintr-una din benzile de radio-amatori VHF sau UHF.
3. Îndreptaţi antena către Lună.
4. Conectaţi osciloscopul la intrarea de sunet a emiţătorului astfel încât să afişeze semnalul ce se transmite.
5. Conectaţi ieşirea receptorului la celălalt canal al osciloscopului (şi reglaţi corespunzător).
6. Transmiteţi un semnal în cod Morse sau o serie de impulsuri care pot fi identificate uşor pe osciloscop.
7. Ascultaţi la receptor refexia semnalului şi urmăriţi-o pe osciloscop.
8. Stabiliţi aparatul de emisie-recepţie în ‘modul întrerupere’ (QSK) pentru a putea comuta rapid între regimurile de emisie şi recepţie.
9. Ajustaţi orientarea antenei dacă este nevoie.
10. Aliniaţi cele două semnale pe osciloscop şi măsuraţi întârzierea de timp de pe ecran.

Pentru elevi

Folosind timpul de întârziere, calculaţi distanţa d până la Lună folosind formula:

d = (c x t) / 2

unde:

d = distanţa de la Pământ la Lună, în metri

c = viteza luminii, 3 x 108 metri pe secundă

t = tîntârzierea de timp, în secunde

Semnalul radio călătoreşte de două ori pe această distanţă (de la Pământ la Luna, şi apoi invers), de aceea este necesară împărţirea la 2

De exemplu, pentru un timp de întârziere de 2,56 secunde

d = [(3 x 10⁸) x 2.56] / 2

d = 348 000 000 m

Opţiuni suplimentare

• Radio-amatorul ar putea trimite şi recepţiona semnale multiple, astfel încât elevii să poată obţină mai multe măsurători ale timpului de întârziere, pentru a calcula o medie a valorilor şi respectiv o deviaţie standard, cu scopul de a creşte precizia rezultatului.
• Înregistraţi pe suport digital semnalele transmise şi recepţionate, folosind un dispozitiv audio simplu, precum smart-phone-ul, pentru a le putea analiza ulterior. Aceasta ar permite elevilor să deruleze activitatea şi în absenţa radio-amatorului.

Întrebări

De ce distanţa până la Lună are mici variaţii în funcţie de punctul de observaţie de pe Pământ?

Din cauza curburii Pământului, formula simplă introduce o mică eroare în calcul: distanța față de Lună diferită un pic în funcție de amplasamentul punctului de observare de pe Pământ – mai aproape de ecuator sau mai aproape de poli (vedeţi figura 5). Această eroare este foarte mică în comparație cu distanța imensă de la Pământ la Lună, deci poate fi ignorată în acest experiment.

Experimentul de măsurare a distanței până la Lună a fost realizat de mai multe grupuri de cercetași în timpul evenimentului lor anual, numit Jamboree-On-The-Ai^w4 (JOTA) în luna octombrie. Grupurile s-au constituit dispersat pe tot globul, astfel încât unghiurile dintre punctele lor de observare și Lună au fost diferite.

De ce rezultatul ar fi diferit dacă ați repeta experimentul peste două săptămâni?

Distanța de la Pământ la Lună nu este absolut fixă. Orbita Lunii în jurul Pământului nu este un cerc perfect, astfel că distanța variază ușor (figura 6). Însă experimentul din cadrul JOTA a fost realizat în același weekend, astfel încât variația distanței a avut foarte puțină influență.

Ce alte surse de erori mici pot exista în experiment?

• Întârzierile în transmiterea semnalelor prin internet introduce o mică eroare la distanța calculată. Această întârziere suplimentară are uzual un ordin de mărime mai mic decât întârzierea cauzată de timpul de deplasare a semnalului între Pământ și Lună, și deci poate fi ignorată în acest experiment.
• Şi precizia osciloscopului, care depinde de baza de timp (numărul de secunde afişat pe diviziunea ecranului), poate să introducă erori. De obicei, citirea poate fi exactă până la o zecime din baza de timp stabilită. Cu cât este mai mică baza de timp, cu atât este mai mare frecvența de baleiere și cu atât rezultatul este mai precis.
• Un semnal slab (unul care de-abia se distinge prin zgomotul de fond) este mai greu de citit pe ecranul osciloscopului. Într-o astfel de situaţie identificarea întârzierii în timp este deschisă erorilor, și pot apărea cu ușurință variații de până la câteva sute de milisecunde. Însă efectuarea mai multor măsurători și utilizarea mediei valorilor poate reduce marja de eroare.
• Obiectele care blochează parțial calea undei radio pot cauza dispersarea semnalului. Acest lucru se întâmplă mai probabil în zonele urbane decât în câmp deschis, și poate duce la ecouri multiple, vizibile pe osciloscop, care uneori pot fi mai puternice decât semnalul reflectat direct de la Lună. În astfel de situaţii elevii pot folosi un ecou greșit la citirea întârzierii de timp.

O alternativă mai puternică

Dacă semnalul nu este suficient de puternic pentru a derula activitatea folosind metoda descrisă pentru radio-amator, sau dacă doriți să transmiteți prin internet semnalele radio, puteți recurge la această metodă alternativă.

Pentru a determina dacă semnalul va fi suficient de puternic, radio-amatorul ar trebui să verifice sensibilitatea echipamentului și să afle exact unde se află Luna pe cer. Dacă nu se poate recepţiona semnalul reflectat, sau dacă semnalul de urmărit pe osciloscop se pierde în zgomotul de fond, atunci se pot folosi datele de la radio-telescopul astronomic de la Observatorul Radio Dwingeloo din Olanda (figura 7). Radio-telescopul a fost recondiţionat și este astăzi administrat de un grup de radio-amatori. El poate recepționa semnalul radio și îl poate converti într-un semnal vizibil, care este diseminat via internet, fiind disponibil în mod public^w5.

Pentru radio-amator

1. În prealabil folosiți web-site-ul Staţiei de Radio-Astronomie C.A. Muller (CAMRAS)^w6 pentru a verifica activitățile planificate la Observatorul Radio Dwingeloo. Dacă telescopul nu este disponibil, puteți căuta un receptor alternativ pe web-site-ul WebSDR^w7. Oricine – nu doar radio-amatorii – poate folosi web-site-ul, şi în orice moment. Verificați dacă Luna va fi vizibilă de către observator la momentul planificat pentru experimentul dumneavoastră^w3.
2. Urmați pașii 1–4 ai procedurii inițiale.
3. Pe pagina web CAMRAS care prezintă fluxul WebSDR^w5, deplasați cursorul galben în dreptul frecvenței care va fi utilizată pentru a transmite către Lună semnalul dumneavoastră (vedeţi figura 8).
4. Transmiteți un semnal în codul Morse sau ca o serie de impulsuri ușor de urmărit pe osciloscopul conectat la calculatorul PC.
5. Ascultați pe computer semnalul audio al undei radio reflectate și urmăriți-l pe osciloscop. Elevii pot vizualiza semnalele și pe calculatoare separate.
6. Aliniați cele două semnale afişate pe ecranul osciloscopului și citiți întârzierea de timp dintre acestea.

Download

Download this article as a PDF