Augmented reality sandkasse viser, hvordan tyngdekraften fungerer

På University of Iowa, du kan se, hvordan tyngdekraften virker ved at lege i sandet.

Studenter på Institut for Fysik og Astronomi designede og byggede en sandkasse, hvor brugerne kan forme deres eget univers med sand og se, hvordan tyngdekraften påvirker et objekt - et rumfartøj eller en komet, for eksempel - når den bevæger sig gennem det forestillede miljø.

Finansieret af et tilskud fra U.S. National Science Foundation (NSF), sandkassen med udvidet virkelighed, kaldet "Gravbox, " er det første interaktive system af sin art, der skal bruges til astrofysik. Lignende opsætninger findes for geologi og teknik – Institut for Jord- og Miljøvidenskab og Lichtenberger Engineering Library har dem – men UI-studerende avancerede konceptet for at bringe tyngdekraften, en usynlig kraft, der ikke let kan forklares eller forstås, til livet.

"Jeg synes, det er utroligt, " siger Hai Fu, adjunkt i fysik og astronomi, hvem vandt $ 405, 011 pris, del af en bredere NSF-ansøgning for at finansiere hans forskning i, hvad der sker, når galakser kolliderer. "Eleverne byggede det hele fra bunden."

Fu siger, at sandkassen vil blive brugt til at lære grundlæggende principper inden for fysik, såsom tyngdekraftsdynamik involveret i fordelingen af ​​stjerner, galaksernes former og udvikling, og mere.

Han planlægger også at fremvise sandkassen for amatørastronomiklubber, som udstilling på museer, og i offentlige opsøgende og demonstrationsshows for børn, ledet af Dale Stille, instruktionsressourcespecialist i afdelingen.

Gruppen gør sin software offentligt tilgængelig og opretter et websted med en tutorial til opbygning af systemet.

Fu introducerede sin idé i efteråret 2016 til de 10 sophomores, juniorer, og seniorer tilmeldt hans to-semester kursus, Introduktion til astrofysik. Han havde til hensigt, at projektet skulle supplere det, de studerende lærte i hans forelæsninger.

Han viste dem en oversigt over konceptet på en tavle på den første dag i undervisningen.

"Det virkede umuligt, "minder Sadie Moore, en senior fysik og astronomi major fra Burlington, Iowa. "Ideen var ærefrygtindgydende."

Uafskrækket, eleverne delte sig i tre hold og gik i gang.

Et hold koncentrerede sig om at designe og konstruere en struktur, der kunne rumme 200 kilo sand. Eleverne hugger træ til basen i afdelingens maskinværksted under vejledning af maskinmester Brian Busch; samlet og monteret projektorstativet; og konstruerede et udtræksskab til opbevaring af computeren, tablet, og kabler.

Alt arbejde blev udført internt, siger Ross McCurdy, medlem af konstruktionsteamet, der dimitterede fra UI i maj 2017 og er kandidatstuderende i astronomiafdelingen ved Penn State University.

"Vi gik fra en tom skal til en dejlig, sikker kabinet, " han siger.

Et andet hold fokuserede på at udtænke en algoritme til at beregne den tyngdekraft, der udøves på objektet, mens den "bevæger sig" i sandkassen. For at opnå dette, eleverne udviklede software til at beregne og kalibrere objektets bane til ændringer foretaget i sandkassemiljøet. Holdet reducerede tiden fra 3 minutter til mindre end 1 sekund for objektet til at reagere på en brugerkommando.

"Der er det øjeblik af erkendelse af, at det, du har arbejdet på, faktisk har givet pote i et færdigt produkt, "siger Sophie Deam, en senior fysik og astronomi hovedfag fra Ames, Iowa, og medlem af tyngdekraftalgoritmeteamet.

Det tredje hold fik til opgave at skabe en grænseflade til Gravbox. Efter først at have udviklet en Android-app, gruppen besluttede at udtænke sin egen instruktionsvisning. På en touchpad monteret på sandkassen, brugere vælger det objekt, de vil rejse i deres univers, tegne en pil for at starte objektets rejse, og se derefter på en overheadmonitor og i sandkassen, hvordan landskabet, de skaber i sandet – det imaginære rummiljø – ændrer objektets kredsløb.

"Det er tryk og gå, "siger Erin Maier, en hovedfag i fysik og astronomi fra Hudson, Ohio, der tog eksamen i maj 2017 og er indskrevet på kandidatprogrammet i astronomi ved University of Arizona.

"Nu, former, du normalt ikke ser i naturen, kan du simulere i sandkassen, " tilføjer Zachary Luppen, en junior fysik og astronomi fra Fort Dodge, Iowa.

De studerende arbejdede med projektet gennem hele studieåret 2016-17. Men de indså, at der stadig var nogle fejl i Gravboxens drift. Så, en håndfuld holdt fast i løbet af sommeren for at fortsætte med at pille; samarbejdet varede gennem efteråret, men ingen syntes at have noget imod det.

"Det var engagerende, at man på en måde skulle arbejde som et team, " siger Mason Reed, en senior hovedfag i fysik og astronomi fra Independence, Iowa. "Det giver dig perspektiv for, hvad det ville være at arbejde i en forskergruppe, finde ud af, hvordan man arbejder sammen, og finde de rigtige balancer. "

Den største udfordring, siger flere elever, sørgede for, at sandkassen var nyttig og interessant for både børn og voksne.

Hvad mennesker i alle aldre vil lære, eleverne håber, er grundlæggende det samme.

"Vi håber, at vi bringer kosmos til live, " siger Moore.