Dynamisch streven naar symbiose

januari 26, 2009

Modern wetenschappelijk onderzoek vergt een dynamisch streven naar symbiose tussen drie spanningsvelden. Theorie, (computer)simulatie en experimentele verificatie wisselen elkaar af in een continu variërend vorsen naar waarheid. Onderstaand essay kan gelezen worden als een persoonlijke impressie, die de charmes van wetenschappelijk onderzoek belicht, maar tevens haar valkuilen bloot legt.

Wetenschappelijk onderzoek als dynamisch streven naar symbiose tussen drie spanningsvelden

Theoretisch raamwerk

Eenmaal het vakgebied afgelijnd, vangt het onderzoek aan met een uitgebreide literatuurstudie. Men tracht zich via lectuur van artikels, vaktijdschriften, technische publicaties, … de geplogenheden van het kennisdomein in kwestie eigen te maken. Vermits het leeuwendeel van deze vakliteratuur fragmentarisch(1) van aard is, zal men zich bovendien beroepen op reviews en boeken.

De onderzoeker tast aanvankelijk in het duister, maar zal gestadig meer grip krijgen op de materie: als iemand die zich een weg baant doorheen een donker huis, dat langzamerhand het zijne wordt. Het kan, in het licht van deze metafoor, dan ook bijzonder heilzaam zijn bibliotheken te raadplegen, op zoek naar plattegronden; of communicatie te onderhouden met collega’s die de meubels reeds weten staan…

Het langzaam verworven inzicht en doorzicht zal de onderzoeker sterken in de beheersing van zijn studieobject. Na de literatuurstudie begint immers het avondtuur van zelfstandig wetenschappelijk onderzoek: als een zweefvlieger baant men zich een weg doorheen het kennisdomein, gedragen door de opgedane kennis. Vanuit dit vogelperspectief(2) kan men alle facetten in ogenschouw nemen, een ruggengraat onderkennen in het geformuleerde probleem en – niet gespeend van enige creativiteit(3) – praktische en pragmatische oplossingen uitdenken.

Computersimulaties

Vanuit het theoretische raamwerk kan dan een model gebouwd worden, als (benaderende) beschrijving van de werkelijkheid. Gebaseerd op een amalgaam van kennis en hypothesen zal men een systeem nabootsen, met de bedoeling inzicht te verwerven in het gedrag ervan. Deze modellering vormt een discipline op zich: men moet het studieobject ondubbelzinnig omschrijven, de nodige informatie inwinnen, een mathematisch formalisme afleiden, een conceptueel model bouwen, verifiëren, valideren, …

Een accuraat model, gebouwd volgens de regels van de kunst, kan een verrijkende bijdrage leverne aan het wetenschappelijk onderzoek: het wordt immers mogelijk om een veelheid aan situaties en fenomenen numeriek te simuleren, wars van enige fysische restrictie.

Introductie van de computer als krachtig rekeninstrument lijkt logisch: binnen een korte tijdsspanne kunnen immers bijzonder veel (data)manipulaties uitgevoerd worden. Niettemin dient men ook hier waakzaam te blijven: een algortime is immers slechts even performant als haar implementatie. Efficiënte aanwending van de rekentijd kan enkel gewaarborgd worden door een oordeelkundige discretisering van het (continu) systeemmodel, goed gekozen schatting annex resolutie, een elegante programmacode, enz…

Een doeltreffend numeriek (computer)simulatiemodel zal toelaten een schier onbegrensd spectrum aan (gedachten)experimenten uit te voeren, en massa’s informatie in te winnen. Een nauwgezette analyse van deze data stelt de onderzoeker in staat zijn numeriek model te optimaliseren, en maakt het tevens mogelijk inzichten(4) te verwerven in het gedrag van het gesimuleerde systeem.

Experimentele verificatie

Het theoretisch raamwerk en de corresponderende numerieke simulaties blijven echter zinledig zonder experimentele verificatie. Een fysische theorie, hoe briljant ook, blijft waardeloos zolang zij niet door empirische waarnemingen kan worden gestaafd. Zo zal bv. in het vakgebied van de hoge-energiefysica, waar men het gedrag van elementaire deeltjes bestudeert, de afwezigheid van experimentele validatie de slagkracht van recente theoretische ontwikkelingen(5) dikwijls hypothekeren.

Experimenten kunnen niet enkel theoretische hypothesen valideren; vaak zullen waarnemingen die (nog) niet verklaard worden door bestaande theorieën een belangrijke impuls bieden voor innoverend wetenschappelijk onderzoek.

Fysisch experimenteren is een vakgebied apart. Ment dient zich te beraden over wat men wil meten, en hoe deze meting op reproduceerbare wijze uitgevoerd kan worden. Meten is weten, en seeing is believing, doch men dient zich ervan te vergewissen wat men wil zien, en wat daadwerkelijk zichtbaar is. Een kritische attitude zal de wetenschapper behoeden voor wishful thinking.

Een geslaagd experiment is reproduceerbaar en levert eenduidige meetgegevens. Experimenteren behelst onder meer het ontwerpen van een proefopstelling, de kalibratie van de meetinstrumenten, het ijken van de meetgegevens, … De onderzoeker moet onderlegd zijn in uiteenlopende kennisdomeinen zoals regeltechniek, foutenanalyse, systeeminstrumentatie en vele andere.

Empirische resultaten kunnen dan getoetst worden aan theoretische en numerieke modellen. Een en ander kan leiden tot aanpassingen in het laboratorium, updaten van simulatiemodellen, of zelfs nieuwe ontwikkelingen op theoretisch vlak. Modern wetenschappelijk onderzoek profileert zich derhalve als een dynamisch streven naar symbiose tussen deze drie spanningsvelden.

© 2009 – Labo Vekalie


(1) Vele jonge onderzoekers beschrijven – niet zelden gedreven door publicatiedrang of ongezonde naijver – een ontzettend nauw afgemeten kennisdomein, terwijl men voor een literatuurstudie meer aangezen is op reviews: overzichtelijke en globale artikels, die helaas verrassend schaars blijken te zijn.

(2) De pragmaticus hoedt zich voor (te) grote betrokkenheid. Een gedreven onderzoeksgeest, gekoppeld aan een gezonde zin voor kritiek, dient ruimte te laten voor distantiëring.

(3) Wie zei ook weer “Imagination is more important than knowledge” ?

(4) Waarbij de opgedane ervaringen steeds afgepunt worden t.o.v. de scope van het simulatiemodel.

(5) Zoals bijvoorbeeld het geval is voor (super)snaartheorie, quantumgraviteit en de zgn. Grand Unified Theories

Advertenties

Vuurwerk! Hoe steekt dat in elkaar?

december 30, 2008

Het nieuwe jaar dient zich aan met steile ambities, stoppen met roken, het vaste voornemen opnieuw te gaan lijnen, en… veelkleurig vuurwerk. Maar hoe steekt zo’n schouwspel precies in elkaar? Hoe kan die pijl weten dat hij een kleurrijke fontein van rood en geel moet worden, met glinsterende sterretjes daar ergens tussenin? Vele vragen… Maar we vuren de antwoorden hier op je af!

Over piraten die sterretjes zien

In wetenschappelijke termen is vuurwerk eigenlijk een pyrotechnisch mengsel, wat betekent dat scheikundigen allerlei brandbare en explosieve stoffen samen mengen tot een adembenemend en kleurrijk schouwspel. Om beter te begrijpen hoe die complexe samenstellingen aanleiding kunnen geven tot prachtige patronen, volstaat het een inzicht te verwerven in twee eenvoudige types vuurwerk: piraten en sterretjes.

Piraten zijn de kabouterversie van dynamietstaven: een kartonnen huls bevat een explosief poeder zoals buskruit, bestaande uit o.m. houtskool, zwavel en kaliumnitraat. Wanneer de brandende lont het buskruit bereikt, volgt een knetterende explosie, die dit type vuurwerk heel populair maakt bij jeugdige belhamels.

De zogenaamde sterretjes zijn een onschuldiger (en vooral stiller) type vuurwerk, waar de nadruk ligt op het lichtspel. De glinsterende zondvloed aan sterretjes, die tot een minuut kan duren, vergt een viertal ingrediënten:

  1. de brandstof, zoals het buskruit van hierboven. Een oordeelkundig mengsel zorgt ervoor dat de verbranding traag verloopt, en dus niet zo explosief als bij piraten.
  2. een oxidator, die zuurstof ter beschikking stelt om de verbranding te onderhouden. Zulke chemische stoffen, zoals kaliumchloraat, worden trouwens ook gebruikt voor de zuurstofvoorziening in vliegtuigen en onderzeeërs.
  3. een bindmiddel, zoals suiker of zetmeel.
  4. additieven, die de kleur van de vlam bepalen.

Door deze stoffen met water te mengen, vormt zich een stroperige brij, waarin een ijzerdraadje wordt gedopt. Zodra het mengsel gestold is, heb je een stevige sterrenspuwer in de hand.

De klap op de vuurpijl

Een vuurpijl bevat vele verschillende sterretjes, zoals getoond op onderstaande figuur. Het ontstekingsmechanisme onderaan dient om de vuurpijl te lanceren. Het principe is daarbij vergelijkbaar met een piraat: een explosief mengsel wordt tot ontploffing gebracht. Zodra de pijl de lucht inschiet, begint de lont binnenin te branden. De lengte van de lont bepaalt de hoogte waarop de pijl zal ontploffen. Als de vlam het buskruit bereikt, explodeert de vuurpijl en worden alle sterretjes op grote hoogte in het rond gestrooid. De toeschouwer op de begane grond kan zich vergapen aan een veelkleurig lichtspel.

Palmbomen in hartje winter

Palmbomen in hartje winter

Goede voornemens in prachtige patronen

Het werkingsprincipe van een vuurpijl verklaart meteen hoe de prachtige patronen van een eindejaarsvuurwerk ontworpen worden. Zo kan een vuurpijl verschillende soorten sterretjes bevatten, met elk afzonderlijke kleuren. De schikking van de sterretjes in de pijl bepaalt het patroon (in cirkels, fonteinen, als palmbomen, …) van de ontploffing. Door verschillende pijlen als cluster af te vuren, worden getrapte figuren zichtbaar. Als de volgorde van de vuurpijlen bovendien geregisseerd wordt door een creatieve smid, wordt het vuurwerk een niet te versmaden schouwspel.

Laat de kleurrijke explosies je ambities voor het nieuwe jaar kracht bijzetten, en vertaal je goede voornemens in prachtige patronen, maar verlies daarbij de veiligheid nooit uit het oog.

… Gelukkig nieuwjaar!

© 2008 – Labo Vekalie

Hoe werkt kerstverlichting?

december 22, 2008

December dient zich aan, dus de kerstboom mag van stal. De ballen van de zolder, de slingers aan de muur. De woning vult zich gaandeweg met de mildheid van engelenhaar, geschenkverpakking, en… kerstverlichting, uiteraard. Al blijkt er ieder jaar opnieuw wel ergens een lampje stuk, waardoor het hele lint in onbruik raakt. Waarom heerst de duisternis zodra een enkel lampje de geest geeft? Hoe valt dat te verklaren, en is het te herstellen? Het vergt een rudimentaire kennis van de basisbegrippen uit de elektriciteitsleer, maar hieronder vind je alle antwoorden. We laten je niet langer in spanning!

Elektriciteit zijn stromende elektronen

Hoewel alledaags, heeft elektriciteit toch iets magisch: een enkele druk op de knop en er zij licht, muziek, televisie of warmte. Zonder stroom geen spinnende wasmachines of sapcentrifuges, geen stofzuiger noch vaatwas, en enkel koude koffie. Voor wie elektriciteit tot nader order een goed bewaard geheim bleef, volgt hierna een korte ontdekkingsreis in het zinderende spanningsveld tussen stroom, weerstand en vermogen.

Elektriciteit is in essentie het stromen van elektronen doorheen een verbruiker of ‘last’, zoals bv. een computer, een gloeilamp of een droogkast. Je kunt dat een beetje vergelijken met het beklimmen van een berg. Met een auto raak je rapper boven dan met een fiets, omdat een wagen meer potentieel heeft om bergop te rijden. Dit potentieel wordt in de elektriciteitsleer spanning genoemd, en uitgedrukt in Volt. Zo is een driewieler bv. vergelijkbaar met een batterij van 1.5 Volt, terwijl een terreinwagen doet denken aan het stopcontact van 220 Volt. De helling van de berg wordt weerstand genoemd (en uitgedrukt in Ohm), en de snelheid waarmee je klimt heet stroom (en wordt gemeten in ampère). De meest elementaire basiswet van de elektriciteitsleer stelt dat deze stroom gelijk is aan de spanning gedeeld door de weerstand, wat betekent dat je sneller stijgt indien de spanning hoger is (m.a.w. een krachtige wagen), of indien de weerstand verlaagt (bv. op een nagenoeg vlakke weg).

Stroomkring

Stroomkring

De figuur hierboven toont een stroomkring, waarbij de spanning van het lichtnet (220 Volt) een elektrische stroom stuurt die een gloeilamp (de verbruiker of last) doet branden.

…Er gaat mij een licht op!

Kerstverlichting bestaat uiteraard uit talloze lampjes, wat de stroomkring iets ingewikkelder maakt. In principe bestaan er twee manieren om verschillende lasten te schakelen, zoals hieronder getoond.

Serie- en parallelschakeling

Parallel- en serieschakeling

In een parallelschakeling hebben de lampjes elk hun eigen stroomkring, met gelijke spanning. Indien de lampjes na elkaar worden geplaatst (in een zgn. serieschakeling), kan de stroom slechts langs één weg gaan, en wordt de spanning verdeeld over de verschillende lampjes. Dit verklaart meteen waarom de kerstverlichting zo kwetsbaar is: de verschillende lampjes zijn immers in serie geschakeld, en zodra er eentje faalt wordt de stroomkring onderbroken, met totale duisternis tot gevolg…

Daarom zijn de meeste lampjes heden ten dage uitgerust met een shunt: wanneer het lampje faalt, wordt via deze ‘by-pass’ de stroom nog steeds doorgevoerd naar het volgende lampje, waardoor de rest van de slinger intact blijft. Denk daarbij aan een tunnel: je beklimt niet langer de berg, maar geeft de stroom rechtstreeks door aan de volgende gebruiker.

Waar brandt de lamp (niet)?

Je hebt het hele huis gedecoreerd met kerstlampjes: de postbus, de kerststal in de tuin, het ornament van herten, het dak, de voordeur,… Daarna volgt dan het moment suprème: de stekker gaat in het stopcontact en… plotseling gebeurt er niets. Het hele titanenwerk blijft onderbelicht omdat er ergens één lampje niet werkt.

Niet getreurd! Je hoeft niet elk lampje afzonderlijk uit te draaien om telkenmale de gloeidraad te bestuderen. In de handel zijn relatief goedkope testers voorhanden die verraden waar de kink in de kabel zit, door het volledige traject af te scannen. Zulke sensoren detecteren de elektromagnetische golven die uitgezonden worden door een stroomvoerende kabel. Wanneer de sensor geen signaal meer ontvangt, bevindt hij zich ter hoogte van een kabel die niet langer stroom voert, m.a.w. in de buurt van het kapotte lampje.

Blinking lights and other revelations

Je begrijpt inmiddels de nuances tussen spanning en stroom, en waarom een enkel lampje de volledige kerstverlichting kan laten doven, maar het concept van knipperlichtjes blijft een raadsel?  Ziehier het antwoord: het volstaat om ergens in de keten de gloeidraad van een enkel lampje te vervangen door een bimetaal. Het principe is vergelijkbaar met dat van een thermostaat: als het lampje brandt -en dus opwarmt- kromt het bimetaal, waardoor het contact verliets en de stroomkring doorbroken wordt. De hele slinger dooft dus, en de lampjes koelen af, waardoor het bimetaal na verloop van tijd opnieuw contact zal maken. De argeloze feestvierder gaat voorbij aan de mechanica van bimetalen thermostaten, maar merkt louter een knipperend patroon van achtereenvolgens oplichtende en uitdovende lampjes. Bij moderne uitvoeringen wordt niet langer een bimetaal ingebouwd, maar een heuse micro-computer, die de meest diverse knipperlichtpatronen toelaat.

Ziezo. Deze spoedcursus elektriciteit nodigt alvast uit om die dozen kerstversiering van de zolder te halen. En mocht de verlichting niet langer blijken te werken, dan kun je nog steeds de feestdagen doorbrengen bij de intieme gloed van kaarslicht… 😉

© 2008 – Labo Vekalie