Az ultracsúzli története

1.              A gumi szerkezete

A gyakorlati szempontból legfontosabb izoprénvázas, természetes szénvegyület a kaucsuk. A kaucsuk molekulái a természetben előforduló legnagyobb méretű molekulák közé tartoznak: több tízezer fej-láb kapcsolódású izoprén részből állnak. A kaucsukmolekulák százezret is meghaladó szénatomszámú, több milliós molekulatömegű, polimer makromolekulák. A molekulák ketős kötései izolált helyzetben vannak, a kaucsuk tehát nem konjugált polién.

A kettőskötések mentén a főlánc cisz szerkezetű, vagyis a főláncot folytató szénatomok a kettős kötésű atompárnak azonos oldalára esnek.

A természetes kaucsuk – amely a trópusi kaucsukfa felvágott kérgéből kicsurgó kaucsuktejből csapódik ki savak hatására – nyúlós, képlékeny anyag. A hosszú, óriási kaucsukmolekulák össze-vissza gabalyodott szálakként csavarodnak egymás köré. Ha az anyagot húzzuk, a molekulák kinyúlnak, valamennyire elrendeződnek egymás mellett, de – minthogy csak nagyon gyengekölcsönhatás van köztük – könnyen szétválnak egymástól : a kaucsuk könnyen elszakad. Nyomással, húzással könnyen alakítható, a molekulahalmaznak semmilyen határozott alakja nincs. A kaucsuk alaktalan, görög szóval amorf anyag; bár szilárd, a molekulák között nem alakul ki kristályos rend.

A természetes kaucsukból vulkanizálással állítják elő a vulkanizált kaucsukot vagy gumit. A vulkanizálás úgy történik, hogy a nyers kaucsukot néhány százalék kénporral (és kis mennyiségű egyéb adalékkal, melyek a folyamatot gyorsítják) összekeverve melegítik. Ilyenkor a kaucsukmolekulák között – hidrogénatomok kilépése mellett – néhány kénatomból álló kénhidak alakulnak ki, melyek a hosszú láncmolekulákat helyenként összekötik egymással. Ily módon a vulkanizált gumidarab valamennyi molekulája – a kénhidakon át – összekapcsolódik egymással. Nem túlzás, ha azt mondjuk, hogy egy gumidarab egyetlen óriási molekula, hiszen minden egyes atomja valamiképpen kovalens kötésekkel van összekapcsolva. Az ilyen polimereket, melyek láncai „keresztben” is össze vannak kapcsolva, térhálós polimereknek nevezzük.

A térhálós szerkezetnek köszönhető a gumi rugalmassága. Ha az összefilcelődött molekulákra egyirányú húzóerő hat, azok összegubancolódott részei valamennyire kinyúlhatnak, hosszában egymás mellé rendeződhetnek, de el nem szakadnak egymástól, mert összekötik őket a kénhidak. A rugalmas test egy darabig nyújtható, de a nyújtáshoz egyre nagyobb erő szükséges. A húzóerő megszűntével a test visszanyeri eredeti alakját. Ez a kinyúlás a kaucsukmolekuláknak csak viszonylag kis részleteire korlátozódik, mert a kénhidak megakadályozzák, hogy a teljes molekula rendeződjék. Minél nagyobb a gumi kéntartalma, minél sűrűbben vannak a kénhidak, annál keményebb, annál kevésbé nyújtható, de azért rugalmas.

Tudjuk, hogy minden magára hagyott anyagi rendszer a maximális rendezetlenségre – szebben kifejezve: az összes lehetséges állapotok megvalósítására – törekszik. Tudományosan megfogalmazva: a magára hagyott rendszerben olyan változás jön létre, hogy az entrópia növekedjék. Az összegubancolódott molekulák nagyobb rendezetlenséget (nagyobb entrópiát) képviselnek, mint kinyújtott állapotban. Az össze- visszacsavarodó láncokban minden olyan szerkezeti lehetőség megvalósul, ami az egyes kötések körüli szabad elfordulás révén létrejöhet, a kihúzott molekulában viszont a lehetségesek közül csak egy, a legnyújtottabb szerkezet valósul meg. Ne felejtsük el, hogy a kinyújtott gumi azért ugrik össze, mert így nő az óriásmolekula entrópiája

Izoprén polimerizációjával mesterségesen is gyártanak kaucsukot. A monomerek összekapcsolódását úgy képzelhetjük el, mintha az izoprénmolekula mindkét kettős kötése felszakadna, a két középső szénatom „szabad vegyértékei” összekapcsolódva kettős kötést alakítanának ki, a két szélső atomon lévő szabadvegyértékek meg egymással kötnék össze a molekulákat fej – láb kapcsolódásmód szerint. A valóságos folyamat sokkal bonyolultabb.

 

2.              Az „ultracsúzli”

2.1.                  Az ultracsúzli elkészítése

Az idei Károly Ireneusz Országos Fizika Versenyre gondolkodtunk, hogy milyen típusú gumigépet készítsünk. Sok ötlet pattant ki elsőre a fejünkből, de amikor jobban utána néztünk, rájöttünk, hogy ezek közül csak néhány valósítható meg úgy, hogy működőképes és mérhető legyen. Így jutott választásunk az általunk csak „ultracsúzlinak” becézett szerkentyűre.

Tervünk a megszületése óta sokat változott. Kezdetben csak annyiban tért el egy hagyományos csúzliétól, hogy az „Y” alakú vázat egy kör alakú fémkeret, a két gumiszálat pedig négy helyettesítette (1. ábra). Ráébredtünk, hogy így a gép tanulmányozása nehéz lesz, hiszen a lövedék kiindulási szöge nem szabályozható. Elláttuk egy irányt adó belső karikával, de így már csak hosszúkás tárgyat lőhettünk ki vele (Mint egy nyílvessző) (2. ábra). A négy gumiszálat azonban a hagyományos módon nehéz kihúzni, és az emberi kéz bizonytalan is. Ezért szükség volt egy feltekerő szerkezetre (3. ábra). A gumirögzítő keret végül tömör lett, a külső, és a belső, célzó keret összeforrt (4. ábra). Ettől erősebb lett, és elkészítése is könnyebb volt. A keretet és a feltekerő szerkezetet egy talpra rögzítettük. A gép még mindig nem működött jól. Kilövéskor a kötél nem tekeredett le elég gyorsan, ezért a gép a lövedéket lassan lökte ki. Ezt a problémát úgy oldottuk meg, hogy a kötelet fel nem tekert részén elvágtuk, és egy kampóval összeakasztottuk. Ezt kilövéskor kiakasztottuk, így a gép rögtön lőtt, a kötél nem kellett letekeredjen. Így alakult ki gumigépünk végleges formája (5. ábra).

1. ábra

2. ábra

3. ábra

4. ábra

5. ábra

 

 

 

2.2.                  Vizsgálatok

2.2.1.                        A gumi nyúlása

 

F(N)

l(mm)

dl(mm)

 

 

0

250

0

 

 

0,5

257

7

   

1

270

20

   

1,5

285

35

   

2

310

60

 

vastagság:0,8

2,5

343

93

 

Szélesség: 8mm

2,8

368

118

   

3

381

131

   

4

453

203

   

5

530

280

   

6

591

341

   

7

636

386

   

8

675

425

   

 

2.2.2.                        Az ultracsúzli nyúlása

m(kg)

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

x(mm)

5

14

34

51

86

118

153

175

189

206

 

2.2.3.                        A kilövés

 

 

 

 

 

m(kg)

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

0,0076

h (m)

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,2

1,2

1,25

1,25

z

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

5

x1(m)

6,65

7,5

7,7

8,3

8,9

9,08

10,31

10,4

11,4

12,11

x2(m)

6,85

7,5

7,85

7,9

9,37

9,2

10,64

11,92

11,7

12,06

x3(m)

6,8

7,6

7,7

7,94

8,53

9,3

10,92

10,82

11,3

11,7

xá(m)

6,77

7,53

7,75

8,05

8,93

9,19

10,62

11,05

11,47 

11,96

v0(m/s)

13,40

14,92

15,35

15,93

17,69

18,20

21,03

21,87

22,70

23,67

Em(J)

0,68

0,85

0,89

0,96

1,19

1,26

1,68

1,82

1,96

2,13

 

 

   

 

 

3.              Köszönetnyilvánítás

Megköszönjük iskolánk vezetésének, hogy dolgozatunk elkészítéséhez rendelkezésünkre bocsátották a technikai berendezéseket. Köszönjük továbbá szakkör vezető fizika tanárunknak Jaloveczki Józsefnek hasznos tanácsait és segítségét.

4.              Felhasznált irodalom

Kajtár Márton: Változatok négy elemre

Juhász András-Tasnádi Péter: Érdekes anyagok anyagi érdekességek

Radnóti Katalin: II főtétel a középiskolában-A gumi rugalmas tulajdonságai

(Tasnádi Péter-Juhász András)