.
Thor Michael Keller, Erziehungskunst jrg.33 1969
.
De wereld en de mens begrijpen
.
Uit een natuurkundeperiode voor de achtste klas
Het is een opgave van ons cultuurtijdperk om de uiterlijke indrukken die mensen opdoen zodanig te verwerken, dat niet alleen technische processen worden begrepen, maar ook de daaraan ten grondslag liggende geestelijke werkelijkheid zichtbaar wordt.
Juist het natuurkundeonderwijs biedt hiervoor unieke mogelijkheden. [1]
Aan de hand van een eenvoudig voorbeeld uit een les voor de achtste klas illustreert deze tekst een poging om kinderen enerzijds te begeleiden naar een steeds beter inzicht in onze hedendaagse leefomgeving, en anderzijds naar een dieper begrip van de mens.
Nadat eerst akoestiek, optica en elektriciteitsleer – het trillingsgedrag van klinkende lichamen en lucht, de constructie van telescopen en de fundamentele verschijnselen van elektriciteit en hun toepassingen in elektrische apparaten (zoals het thermisch effect van elektriciteit, elektromagnetisme, elektromotoren, dynamo’s, transformatoren en de drie belangrijkste elektrische eenheden: volt, ampère en watt), behandeld zijn, is het raadzaam de hydromechanica, voortbouwend op de mechanica die in de zevende klas aan de orde te stellen.
“Wat is zwaar als het leeg is en licht als het vol is?” Dit paradoxale raadsel – waarvan het antwoord iedereen bijna dagelijks in het eigen leven en de omgeving tegenkomt – dient als een uitstekende inleiding op dit deel van de natuurkunde. We beginnen met de fascinerende experimenten van Hermann von Baravalle [2] over wat we gezamenlijk de “vormgevende kracht van het water” zouden kunnen noemen. Eerst draaien we een waterkraan langzaam open en vervolgens weer dicht, waarbij we observeren hoe het water naar buiten stroomt – aanvankelijk druppel voor druppel, daarna in een straal die geleidelijk sterker wordt – en hoe dezelfde verschijnselen in omgekeerde volgorde optreden wanneer de kraan wordt gesloten.
Vervolgens brengen we waterdruppels aan op zowel een ingevet als een niet-ingevet horlogeglas, waarbij we opmerken dat de druppel op het ingevette glas een vorm aanneemt die veel meer op een perfecte bol lijkt dan die op het niet-ingevette glas. Daarna laten we de kinderen waarnemen hoe het wateroppervlak naar beneden buigt tegen de ingevette wanden van een bekerglas. Tot slot dopen we een droge aquarelkwast in het water en observeren we hoe de haren, bij het eruit halen, een veel compactere en samenhangendere vorm aannemen dan daarvoor. We laten een scheermesje op het water drijven en herinneren ons dat bij een schip dat naar zee vaart, de romp als eerste en de mast als laatste uit het zicht verdwijnt; omgekeerd verschijnt bij een naderend schip eerst de top van de mast boven de horizon, gevolgd door de romp. Deze reeks experimenten wordt afgesloten met een demonstratie van communicerende vaten, waarbij het water altijd op hetzelfde niveau blijft staan, zelfs wanneer we een van de buizen omhoog of omlaag bewegen.
Al deze experimenten tonen aan dat water – wanneer dat mogelijk is, oftewel wanneer de omgeving de noodzakelijke voorwaarden biedt of schept – de neiging heeft een bol te vormen; de meest volmaakte van alle geometrische vormen. Alle oceanen ter wereld vormen samen de grootste bol, terwijl een enkele waterdruppel de kleinste vormt. Water streeft ernaar zijn vorm te behouden; daarom zinkt een scheermesje er niet in weg. Zelfs bij communicerende vaten neigt water er altijd toe een bolvorm aan te nemen. [3]
Door de werking van communicerende vaten met leerlingen uit de achtste klas te bespreken, krijgen zij inzicht in een belangrijk aspect van onze moderne technologische omgeving. Ze gaan begrijpen waarom er zelfs op de vijfde verdieping water uit de kraan komt, of wat een gemeente moet doen om ervoor te zorgen dat elk gezin voldoende van zijn “dagelijkse water” ontvangt. Fonteinen en artesische putten werken volgens ditzelfde principe. Het principe geldt ook voor de S-vormige sifon in afvoersystemen, die dient als afsluiting tegen rioolgeuren. Tot slot kan men denken aan koffiepotten en de peilglazen op boilers.
Het volgende hoofdstuk over hydromechanica behandelt soortelijk gewicht en waterdruk. We bepalen het soortelijk gewicht van verschillende stoffen met behulp van bekende methoden en kunnen ons afvragen hoeveel kubieke meter zand, ijzer, lood of zelfs goud een goederenwagon van 20 ton zou kunnen vervoeren. De klas is verbaasd te ontdekken dat zo’n wagon nog geen kubieke meter goud kan dragen. Het edelmetaal wordt zo als fysiek zwaar ervaren – een tastbare realiteit – nadat de kinderen al hebben geleerd over de waarde ervan (die door mensen willekeurig is vastgesteld) en de gevolgen daarvan (zoals de geschiedenis van de ontdekking van Amerika). In deze context demonstreerde ik de kinderen de hydrostatische paradox: de druk die een vloeistof op de bodem van een vat uitoefent, hangt niet af van de totale hoeveelheid vloeistof, maar uitsluitend van de hoogte van de vloeistofkolom die boven een vierkante centimeter van de bodem staat. Voor het ongeoefende oog wekt een ondiepe schaal met veel water de illusie van een hogere druk dan een smalle buis met heel weinig water. Na het bevestigen van buizen met verschillende breedtes – het is het beste om te beginnen met een buis van gemiddelde breedte – vraagt men de kinderen te raden hoeveel water erin gegoten moet worden om dezelfde druk te bereiken.
Het is zeer waardevol voor kinderen om te ervaren hoe hun gedachten en ideeën door feiten worden bijgestuurd. Juist op deze leeftijd – gekenmerkt door ontwakende denkvermogens, het opkomen van een sterk zelfbewustzijn en een streven naar vrijheid en zelfstandigheid – moet elke kans worden aangegrepen om het eigen, nog sterk subjectieve denken te corrigeren. Bovendien hangt iemands vermogen tot liefhebben of intellectueel potentieel niet af van het aantal gelezen boeken of gevolgde semesters, maar van wat men doet met wat men heeft gehoord, gezien en ervaren: hoe men dit verwerkt en met anderen deelt. Een klassengesprek kan leiden tot vergelijkingen tussen de intensiteit van iemands aard en de hoogte van een waterkolom.
Bijna iedereen heeft wel eens geprobeerd een gieter te vullen in een bak water. Hoe moeilijk is het om de lege gieter verticaal onder water te duwen; hoe gemakkelijk is het om hem op te tillen terwijl hij ondergedompeld is; en hoe zwaarder hij wordt naarmate hij verder uit het water wordt getild. Door dergelijke handelingen ervaren kinderen de wet van Archimedes, zoals beschreven door Hermann Bauer. [4] Deze ervaringen worden vervolgens vertaald naar de bekende experimenten die dienen om het principe te begrijpen en te formuleren.
Toch mag in dit stadium de wiskundige berekening niet achterwege blijven. Juist het wiskundige aspect van een dergelijke wet biedt de nodige zekerheid bij het begrijpen ervan. Nu kunnen kinderen ook berekenen waarom een schip – gebouwd van ijzer en beladen met zware vracht – blijft drijven in plaats van te zinken.
We willen het laatste hoofdstuk van onze lesreeks over hydromechanica de titel “Over de opwaartse kracht” meegeven. Enkele leerlingen gaan zijdelings tegen een muur staan en drukken gedurende twee minuten de achterkant van hun afhangende arm stevig tegen de muur, alsof ze proberen deze weg te duwen. [5] Vervolgens stappen ze van de muur weg en stijgt de arm spontaan op tot een horizontale stand. Als men de arm laat zakken, stijgt deze opnieuw. Dit gaat gepaard met het gevoel van een sterke luchtstroom tegen de handpalm. Een dergelijke directe ervaring – zeker een die zo verbazingwekkend is – opent de harten en geesten van de leerlingen voor de daaropvolgende experimenten en de bespreking ervan.
In tegenstelling tot vaten met ingevette wanden staat het water hoger tegen de wanden van niet-ingevette glazen. Dit verschijnsel wordt duidelijker wanneer twee glasplaten onder een scherpe hoek in water worden geplaatst (kleur het water). Hoe dichter de platen bij elkaar staan, des te hoger stijgt het water; het vormt een kromme.
Als de wanden aan alle kanten gesloten zijn en zo een zeer smalle (capillaire) buis vormen, stijgt het water nog hoger boven het algemene waterniveau uit. [6] Hetzelfde effect wordt waargenomen wanneer voorwerpen met fijne spleten en poriën (krijt, spons, vloeipapier, textiel) in water worden gehouden.
Bij al deze experimenten doet zich hetzelfde verschijnsel voor:
wat anders aan de zwaartekracht onderhevig is, wordt er niet alleen van bevrijd, maar zelfs gegrepen door krachten die in tegengestelde richting werken. Dit zijn de door Ernst Lehrs beschreven krachten van de lichtheid. Ze kunnen actief worden wanneer de stoffen of vloeistoffen zeer fijn worden – dat wil zeggen: wanneer ze weinig massa of materialiteit bezitten.
Laten we nu eens kijken naar de vier natuurrijken om te zien of we ook daar ‘krachten van lichtheid’ aan het werk kunnen zien. In de bodem stijgt water op door fijne capillairen en verdampt het in de omringende lucht; door het oppervlak te schoffelen, vernietigen boeren en tuiniers deze capillairen en voorkomen zo dat de bodem overmatig uitdroogt. Elk voorjaar en elke zomer zien we opnieuw het effect van deze krachten van lichtheid bij planten. Enorme hoeveelheden materie en water worden van de wortels naar de toppen omhoog getransporteerd om bladeren en vruchten te vormen – die in de herfst op de grond vallen of per honderdtal kilo’s en tonnen worden geoogst (inclusief natuurlijk de koolhydraten die door koolstofassimilatie zijn verkregen). [7]
Wie heeft er niet met diepe verwondering gekeken naar de wonderbaarlijke sprong – ja, het bijna gewichtloze zweven – van een ree? Een dier van 15 tot 20 kilogram beweegt zich voort met een ongeëvenaarde lichtheid, voortgestuwd en weer opgevangen door slanke poten. Elk hoger ontwikkeld dier draagt zijn zwaarste deel – het lichaam – hoog boven de grond; hoe lager een dier op de evolutionaire ladder staat, des te dichter bevindt het zich bij de aarde.
Ook mensen zouden geen seconde rechtop kunnen lopen of zitten als de krachten van lichtheid niet in hen werkzaam waren. Zelfs een klein kind tilt al snel zijn zwaarste lichaamsdeel – het hoofd – op en onttrekt het daarmee in zekere zin aan de zwaartekracht.
Het wordt duidelijk dat de krachten van lichtheid nauw verbonden zijn met onze geest en ziel. Wanneer we wakker zijn, duidt dit op de aanwezigheid van geest en ziel in het lichaam. Als ze het lichaam verlaten – door vermoeidheid, slaap, bewusteloosheid of de dood – bezwijkt het onder zwaarte, onder de trekkracht van de zwaartekracht. Hoe vrijer en vitaler we ons voelen, des te rechter is onze gang. Op dit punt kan het paradoxale raadsel waarmee dit hoofdstuk over natuurkunde begon, in een klassengesprek worden opgelost: een lichaam dat vervuld is van vitaliteit, tegenwoordigheid van geest en zielskracht, is licht! Iedereen die ooit een bewusteloos persoon of een lichaam heeft gedragen, kan dit beamen.
Met behulp van deze krachten van lichtheid kunnen bijzonder fijnzinnige onderzoeken worden uitgevoerd. Hierbij kunnen aan leerlingen foto’s worden getoond van zogenaamde ‘stijgbeelden’ (*Steigbilder*) – zoals die welke Lili Kolisko vervaardigde met gepotentieerde metaalzoutoplossingen tijdens de zonsverduistering van 1927. Op deze wijze wordt de invloed van de planeten op metalen zichtbaar. Dit kan aanleiding geven tot tal van verdere gesprekken.
Met deze ene, eenvoudige les over hydromechanica in de achtste klas is gepoogd te laten zien hoe het mogelijk is om kinderen enerzijds te brengen tot een steeds nauwkeuriger en vollediger begrip van hun directe omgeving, en hen anderzijds een stap verder te helpen op de weg naar menselijke zelfkennis.
1 Zie bv. M. Hoyer, H. Rebmann, Anfangsunterricht in der Physik, Erziehungskunst 1950, Heft 6.
2 Hermann v. Baravalle, Zur Physik, Bd. I, Mechanik, S. 161 ff.
3 Hermann Bauer, Zur Physik des Wassers, Erziehungskunst 1966, Hefl: 1/2, S. 18
4 H. Bauer, op. cit., p. 20.
5 Ernst Lehrs, *Mensch und Materie*, 1953, p. 166.
6 H. v. Baravalle, n. a. 0., S. 165.
7 Wanneer in de plantenfysiologie een beroep wordt gedaan op het concept van capillaire werking (naast dat van osmose) om dit opstijgen van sap te verklaren, plakt men in feite slechts een etiket op een verschijnsel dat onverklaard blijft; aan de oorzakelijke factor wordt volledig voorbijgegaan.
8e klas natuurkunde: alle artikelen
8e klas: alle artikelen
natuurkunde: alle artikelen
Vrijeschool in beeld: alle beelden
.
3611-4004
.
.
.
.
VRIJESCHOOL 