Feladat: 220. fizika mérési feladat Korcsoport: 14-15 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Biró István ,  Coc Dávid ,  Jurányi Zsófia ,  Kupai József ,  Nagy Ádám ,  Orosz Gergő ,  Pethő Balázs ,  Szilágyi Péter ,  Vadász Péter ,  Vigh Máté 
Füzet: 2001/március, 189 - 190. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Mechanikai mérés, Mérési feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2000/december: 220. fizika mérési feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A mérési feladat megoldói több nehéz technikai problémával is szembetalálták magukat: a légáram létrehozása, az áramlás sebességének változtatása, a szélsebesség mérése, egyeseknek pedig a fordulatszám mérése okozott gondot.
A szélkerék elkészítése nem volt különösen nehéz, ezt a javasolt papírtölcséren és félbevágott pingponglabdákon kívül pl. kisméretű műanyagpoharakkal is meg lehetett oldani. Csapágyazáshoz innen-onnan kiszerelt, könnyen forgó szerkezeteket használtak a versenyzők. Coc Károly, (Marosvásárhely, Bolyai F. Líceum 10. o.t.) például egy számítógép mikroprocesszorát hűtő ventillátort alkalmazott, mások egyszerűen egy tű hegyére szerelték a szélkereket.
A légáram létrehozására a háztartásban fellelhető ,,fúvó-alkalmatosságokon'' (porszívón, hajszárítón) kívül a legkülönbözőbb módszerekhez folyamodtak a mérők. Vadász Péter (Pécs, Leöwey K. Gimn. 11. o.t.) gépkocsira szerelte a szélkereket, Bíró István (Marosvásárhely, Bolyai F. Líceum 11. o.t.) kerékpáros megoldást választott, és akadt, aki egyszerűen csak futott a kerékkel.
A nagy kihívást a versenyzők számára a szélsebesség mérése jelentette. Többen azzal kezdték a mérést, hogy meghatártozták (kalibrálták) a porszívó vagy hajszárító légáramának sebességét a készüléktől való távolság függvényében. Víg Máté (Pécs, PTE Babits M. Gyak. Gimn. 9. o.t.) és Nagy Ádám (Budapest, Szent István Gimn. 12. o.t.) a légmozgás sebességét egy fonalra felfüggesztett, majd a légáramba helyezett (ismert alaktényezőjű) pingponglabda kitéréséből számította ki. Orosz Gergő (Miskolc, Földes F. Gimn. 11. o.t.) egy asztal szélére helyezett kis papírgalacsint, a légáramlattal lefújta, majd a vízszintes hajítás megmért eltávolodásából kiszámolta a szélsebességet. Jurányi Zsófia (Pécs, Leöwey K. Gimn. 12. o.t.) egy 8 m hosszú csövet ragasztott össze papírból, és az abban mozgó tollpihék repülési idejéből számolta ki a légáram sebességét. Néhányan ,,profi'' sebességmérő eszközöket használtak, mint pl. Pethő Balázs (Pécs, PTE Babits M. Gyak. Gimn. 12. o.t.), aki egy hitelesített kanalas szélsebességmérővel (anemométerrel) dolgozott.
A fordulatszám mérését ‐ ha nem pörgött túlságosan gyorsan a kerék ‐ egyszerű számlálással oldották meg a versenyzők. Ez könnyebben megy, ha a négy kis tölcsér közül az egyiket befestjük, állítja többek között Orosz Gergő. Nagy fordulatszám esetén a kerék tengelyére feltekeredő (vagy az onnan letekeredő) cérnaszál elmozdulásából lehet következtetni a szélkerék fordulatszámára; ezt a módszert alkalmazta Kupai József (Kazincbarcika, Ságvári E. Gimn., 11. o.t.). Mások stroboszkópos eljárással próbálták meghatározni a kerék fodulatszámát.
A mérési eredmények feldolgozása (grafikus ábrázolása) után a legtöbb versenyző megállapította, hogy a szélkerék fordulatszáma jó közelítéssel arányos a szél (relatív légmozgás) sebességével. A mellékelt grafikon Szilágyi Péter (Debrecen, Kossuth L. Gimn. 9. o.t.) mérési adatait mutatja. Az arányossági tényezők hányadosából becslést lehetett adni a homorú és a domború oldalra vonatkoztatott alaktényezők hányadosára is. Tekintsük a szélkeréken levő 4 félgömbből (vagy papírkúpból) azt a kettőt, melyek éppen a széllel megegyező irányba, vagy azzal ellentétesen mozognak. Ezekre a ,,lapátokra'' ható erők forgatónyomatéka akkor lesz egyenlő (eredőjük akkor nulla), ha

kdomború(vszél+vlapát)2=kdomború(vszél-vlapát)2.
(A másik két lapátra ható erőt első közelítésben elhanyagoljuk.) A fenti egyenletben szereplő vszél és vlapát arányát a mérési adatokból ismerjük, innen az alaktényezők hányadosát ki tudjuk számítani. Ezzel a módszerrel pl. Bíró István az alaktényezők hányadosára félbevágott pingponglabdáknál 2,6-et, mások műanyagpohárkáknál 11,7-es, papírkúpoknál pedig 6,4-es értéket kaptak.
A szélsebességmérés esetenként megbízhatatlan ,,kalibrációja'', mozgatott szélkeréknél (mesterséges szél) a természetes szél zavaró hatása és a kerék csapágysúrlódásából adódó ,,szisztematikus hiba'' miatt a mérések reálisan becsült hibája viszonylag nagynak adódott, és emiatt a közegellenállási tényezők arányára kapott számérték aligha tekinthető 10‐20%-osnál pontosabbnak.