Studiet av rörelse börjar oftast i en dimension. Efter likformig, rätlinjig rörelse, följer acceleration från vila; oftast horisontell acceleration av bilar och vertikal acceleration av stenar, kulor och oidentiferade föremål. På Liseberg får eleverna utnyttja den egna kroppen för att påvisa acceleration, medan kroppens upplevelser förstärks med olika utrustning. Traditionellt har nöjesfältens attraktioner inneburit rörelse i två eller tre dimensioner, men under det senaste decenniet har ett antal attraktioner tillkommit som endast innehåller vertikal rörelse. Vi diskuterar i denna artikel olika sätt att undersöka dessa rörelser."Två sekunders viktlöshet, kan det vara lösningen på sommarens bantningsproblem?" Så annonserade Liseberg 1996 om den nya attraktionen Uppskjutet. Kan man verkligen vara "viktlös" /1/ - eller åtminstone "tyngdlös" så nära jordens yta? Vad innebär tyngdlöshet?
Om man frågar studenter varför astronauter är tyngdlösa i rymdfärjan är det i särklass vanligaste svaret att astronauterna är så långt ifrån jordens gravitation eller att det inte finns någon gravitation i rymden. Samma studenter vet naturligtvis att rymdfärjan hålls i bana av tyngdkraften och skulle också kunna räkna ut styrkan på den kraft som påverkar rymdfärjan. Att t.ex. köttbullen kan sväva på gaffeln framför astronauten utan att falla till golvet hänger ihop med att såväl köttbulle, som astronaut och rymdfärja befinner sig i fritt fall i bana runt jorden. Hur kan vi hjälpa elever och studenter att se relationen mellan fritt fall och tyngdlöshet? Ett sätt kan vara att utnyttja de fria fall som erbjuds på nöjesfält.
Einstein har i sin bok "Den speciella och allmänna relativitetsteorin" /2/ ett kapitel "Likheten mellan tung och trög masssa som argument för den allmänna relativitetspostulatet", som diskuterar hur acceleration kan tolkas som ett gravitationsfält.
I många nöjesfält finns nu olika torn där man en stund faller fritt och har möjlighet att prova Einsteins tankeexperiment. I "Fritt Fall Power Tower" på Gröna Lund sitter man några sekunder 80 m över havet innan man släpps ned och faller fritt i c:a 3 s innan man bromsas in av virvelströmmar när man träffar permanentmagneter längst ned. Inbromsningen är som mest omkring 4g, dvs man upplever under en kort stund 5 gånger sin normala tyngd /3/. I "Uppskjutet" /4/ (Space Shot) på Liseberg skjuts man först upp och efter att ha passerat högsta punkten faller man fritt i nästan 2 s. Inbromsningen sker sedan med hjälp av luft som komprimeras och man studsar upp och ned ett par gånger innan man slutligen stannar. Vid den första studsen är retardationen omkring 2g och minskar vid de följande studsarna. Vad som händer under turen i Uppskjutet kan utläsas ur grafen i Fig. 1, som är uppmätt med "CBL", med en accelerometer som beskrivs i ref /5/.
Att ta med sig en mugg vatten (fig. 2) ger en visuell upplevelse av det fria fallet. Vattnet lämnar muggen högst
upp. I Fritt Fall borde vattnet inte alls lämna muggen, men när den som
åker känner sätet försvinna under
kroppen rycker armarna till i "omklamringsreflexen", Moro-reflexen, som
föräldrar till små barn känner igen.
Den som står på marken kan se hur vattnet faller precis framför den som
åker med ) innan dropparna så småningom bromsas av luften. För den som åker verkar det i
stället som om dropparna inte alls faller - som om tyngdkraften under en kort stund stängts av.
Ett annat sätt att få en visuell upplevelse av hur den upplevda tyngden varierar är att ta med sig t.ex. en spiralkanin. (Fig. 3) Den fungerar som en fjädervåg, men väger i detta fall bara sig själv. Vid acceleration uppåt töjs den ut och vid acceleration nedåt trycks den ihop. Vid fritt fall återtar den sin "vilolängd" som den har då den ligger horisontellt. Skillnaden i spiralens längd då den hänger fritt och då den ligger ned svarar mot "1g" och används för kalibrering. En liten plastslinky (c:a 4cm lång, 4 cm diameter) kan tas med i alla Lisebergs attraktioner utan speciell överenskommelse och används för att mäta "g- krafter". Om man inte nöjer sig med "ögonmått" kan man komplettera med en liten remsa som graderas. Accelerometern som används för att ta upp kurvan i Fig 1 bygger på samma princip, där avståndet mellan två plattor i en kondensator ändras av accelerationen /5/.
Vattnet som åker ur muggen verkar ge en tillräckligt stark visuell upplevelse även för elever som inte alls
förberett besöket. Några enstaka elever tycker att "det hände inte något, vattnet bara åkte ur muggen", men de
flesta fascineras av att se vattnet sväva framför ögonen. En slinky ger
en direkt visuell upplevelse av den
acceleration kroppen upplever, även om det ibland kan vara
svårt att hinna observera den. Foto i
startögonblicket (t.ex. Fig 4) kan vara till hjälp.
Slinky och vatten kan även observeras av kamrater som står på marken.
Effekten av luftmotstånd kan undersökas genom att släppa servetter, kaffefilter eller muffinsformar, som snabbt uppnår sin sluthastighet, när luftmotståndet blir lika stort som tyngdkraften. Hur mycket snabbare faller två kaffefilter som sätts ihop än ett enkelt? Hur mycket högre kan det dubbla filtret släppas som det skall landa samtidigt som det enkla? /6/ Det tyngre föremålet måste falla snabbare för att luftmotståndet skall bli tillräckligt stort för att kunna motverka tyngdkraften. Luftmotståndets beroende av fallhastighet kan fås fram genom dimensionsanalys (som också måste ta hänsyn till föremålets area och luftens densitet). Som avslutning på (eller inledning till) en undersökning av luftmotstånd kan man reflektera över den fysik Joe Kittinger mötte när han 1960 hoppade från 3 mils höjd i en heliumballong:
"Joe Kittinger looks like a cowboy but he's an airforce colonel and the first man in space. In 1960 he went up 20 miles in a helium balloon, a little silver bubble in the blackness. Half-way there his glove split, allowing deadly cold in. "I didn't tell my flight surgeoun because I didn't want to worry him. I felt reasonably certain I could survive." At 103,000 ft he said a silent prayer - it had to be silent, there was no air - and jumped. I fell face to earth for a little ways and I really had no sensation of falling because I had no visual reference. I turned over on my back about this time and I looked up and the balloon was racing into the heavens, just flying away. What it was was the balloon was standing still and I was the one that was falling." He fell at the speed of sound but made no sound. No air rippled his space suit. After four minutes, he reentered the atmosphere. He hit the desert and thought it looked like the garden of Eden. Someone patted his cheek." /7/Vad är rätt och vad är fel i denna text?
Ett nöjesfält erbjuder många upplevelser av renodlade fenomen, med accelererade och roterande koordinatsystem. Den 5 maj och 23 september öppnar Liseberg exklusivt för experimenterande skolklasser några timmar innan parken öppnar för allmänheten. Avgiften är 80 kr/elev, medföljande lärare går fritt. Välkommen att experimentera! Läs mer på http://fy.chalmers.se/LISEBERG/.
Ann-Marie Pendrill, Ann-Marie.Pendrill@fy.chalmers.se, är professor i fysik vid Göteborgs universitet. Sara Bagge är doktorand i fysik med inriktning mot ämnesdidaktik vid GU och Roger Andersson är doktorand vid Karlstads universitet in om ramen för den nationella Forskarskolan för Naturvetenskapernas och Teknikens Didaktik.