Tepelné scrabble: nedestruktivní testování

Co termokamera ukáže

Písmeno skryté uvnitř plastové destičky, které se objeví až po přiložení dlaně a během desítek sekund zase zmizí; povrch nad dutinou teplejší, když teplo přichází ze strany termokamery, a chladnější, když přichází ze strany opačné

Zvětšit obrázek

Zvětšit obrázek

Princip

Destička je vytištěná z plastu na 3D tiskárně a uvnitř má dutinu ve tvaru písmene, ve které je vzduch. Termokamera dovnitř destičky nevidí. Zachytí infračervené záření, které vychází z povrchu, a dopočítá z něj teplotu povrchu. Dokud má celá destička stejnou teplotu jako místnost, je povrch nad dutinou stejně teplý jako všude jinde a na termosnímku není nic.

Přiložená dlaň předá povrchu destičky teplo a to se vedením šíří dál do hloubky. Vzduch ale vede teplo mnohem hůř než plast, zhruba desetkrát. Kde je pod povrchem dutina, teplo dovnitř skoro neprojde a zůstane v tenké vrstvě plastu nad ní. Povrch nad písmenem se proto ohřeje víc a chladne pomaleji než okolí. Teplý přitom není vzduch v dutině ani samo písmeno — teplejší je povrch, pod kterým se teplo zastavilo. Za chvíli se teplo rozvede do stran i do hloubky, teploty se vyrovnají a písmeno zmizí.

Místo nad dutinou je tak od zbytku destičky odříznuté. Když se destička ohřívá ze strany termokamery, je proto písmeno teplejší než okolí. Když leží na teplé dlani a termokamera se dívá na horní stranu, je písmeno naopak chladnější: teplo prošlo celou destičkou, jen místem nad dutinou ne.

Čím hlouběji dutina leží, tím později se nad ní rozdíl teplot objeví, tím je menší a tím rozmazanější, protože se teplo mezitím rozvede i do stran. Destičky pro tepelné scrabble mají dutinu blíž jedné straně. Z ní je písmeno vidět hned, ostře a čitelně; z druhé strany leží dutina pod zhruba milimetrem plastu a písmeno se objeví až po několika sekundách, rozmazané a zrcadlově obrácené. Z toho, kdy a jak ostře se skrytá vada ukáže, se dá odhadnout, jak hluboko pod povrchem leží.

Na tomhle principu stojí nedestruktivní testování teplem, kterému se říká aktivní termografie. Výrobek se krátce ohřeje, třeba zábleskovou lampou nebo horkým vzduchem, a termokamera sleduje, jak se teplota povrchu mění v čase. Skrytá vada — dutina, odlepená vrstva, trhlina nebo zeslabená stěna — změní, kudy se teplo pod povrchem šíří, a prozradí se na povrchu, aniž by se výrobek musel rozřezat nebo rozbít. Jak rychle to proběhne, rozhoduje materiál. V plastu destičky trvá celý děj sekundy, a proto na něj stačí školní termokamera. V kovu se teplo šíří stokrát až tisíckrát rychleji a rozdíl zmizí během zlomku sekundy, takže se kovové výrobky zkoušejí výkonnými záblesky a rychlými termokamerami.

Zvětšit obrázek

Příklad z reálného života

V elektrárnách a chemických závodech se termokamerou hledají místa, kde koroze zevnitř ztenčila stěnu potrubí. Pod povrchem je tam méně kovu, který by teplo pojal, a při ohřevu se takové místo ohřeje rychleji než zdravá stěna.

Díly letadel se kontrolují zábleskovou lampou a termokamerou. Kde je pod povrchem trhlina nebo odlepená vrstva, teplo z ohřátého povrchu se nemůže šířit dovnitř a místo zůstane chvíli teplejší než okolí.

Odlepenou omítku na fasádě prozradí termokamera ráno, když na dům začne svítit slunce. Za odlepenou omítkou je vzduchová mezera, teplo ze slunce se nešíří do zdi a odlepené místo se ohřeje víc než omítka, která drží.

Zvětšit obrázek

Postup

1. Před hodinou. Destičky pro tepelné scrabble jsou součástí Edukitu spolu s termokamerou. Nechte je několik minut ležet v učebně; nenoste je v kapse a nenechávejte je na topení ani na slunci.
2. Tip. Zeptejte se, co termokamera na destičce ukazuje. Nic — destička má všude stejnou teplotu. Pak položte otázku, kolem které se pokus točí: termokamera dovnitř destičky nevidí — jak může přesto prozradit, co je uvnitř? Ať žáci tipnou a tip zapíšou.
3. Dotek. Jeden žák drží termokameru asi 10 centimetrů nad destičkou, druhý přitiskne na destičku dlaň na dvě sekundy tak, aby na ní ležela celou plochou, ne prsty. Klíčový je plný kontakt s celou destičkou. Destička zůstává ležet na lavici a ohřívá se jen horní strana; mezi dlaněmi ji nezahřívejte. Pak žák ruku odtáhne úplně mimo záběr. Hned pozastavte obraz (ikona pauzy) a ať žáci nakreslí, co vidí; obraz zase spusťte a po deseti sekundách ať nakreslí znovu. Na straně, kterou ruka zahřála, se objeví ostré písmeno teplejší než okolí, které během desítek sekund postupně mizí.
4. Teplo z druhé strany. Destičku položte žákovi na plochou dlaň a termokamerou sledujte horní stranu asi půl minuty. Písmeno se tentokrát objeví jako chladnější než okolí: teplo se celou destičkou šíří ke kameře, jen nad dutinou se šíří hůř. Ať žáci zkusí vysvětlit proč, dřív než to řeknete, a nakreslí obě situace vedle sebe.
5. Scrabble. Dvojice složí z destiček slovo (nebo matematickou rovnici) aspoň ze čtyř písmen a zkusí je zahřát tak, aby šlo přečíst celé najednou, nejlépe ve více rukou současně. Aby se slovo vešlo do záběru, musí být termokamera asi 20 centimetrů nad destičkami.
6. Otázky a zápis. Proč nebylo na destičce před dotekem nic vidět? Kde přesně byla nejvyšší teplota — ve vzduchu v dutině, nebo na povrchu nad ní? Proč bylo písmeno na dlani chladnější, a ne teplejší? Jak by se takhle dala najít odlepená omítka na domě nebo skrytá vada v potrubí, aniž by se cokoli rozbilo? Na konci má mít každý žák kresby z doteku a z dlaně a větu: termokamera dovnitř nevidí, ale skrytou dutinu prozradí povrch, protože se nad ní teplo nemůže šířit do hloubky; když teplo přichází ze strany termokamery, je tam tepleji, když z druhé strany, chladněji, a čím hlouběji dutina leží, tím později a rozmazaněji se ukáže.

Organizace. S jednou termokamerou je to demonstrace pro celou třídu: obraz promítněte (termokamera posílá obraz síťovým kabelem do počítače s programem LabIR RTSP Player, postup je v manuálu k termokameře). Destičky přikládají žáci postupně, ostatní tipují a kreslí. S pěti až deseti termokamerami z Edukitu pracují dvojice, každá se třemi až čtyřmi destičkami. Po každém doteku zůstane destička chvíli teplá a další písmeno by na ní vyšlo slabší: nechte ji asi minutu ležet, nebo vezměte jinou, a destičky, které prošly mnoha rukama, odložte stranou vychladnout.

Pomůcky

• Termokamera
• destičky pro tepelné scrabble z Edukitu
• tužka, případně pastelky, a pracovní list
• stopky nebo mobil
• USB flash disk pro ukládání snímků
• počítač a projektor pro promítání obrazu, když je termokamera jen jedna

Zvětšit obrázek

Orientační čas

Na co si dát pozor

1. Ohřívejte destičku vždy jen z jedné strany: buď leží na lavici a dlaň se přikládá shora, nebo leží na dlani. Destička zahřátá mezi dlaněmi dostane teplo z obou stran naráz a písmeno na ní bude slabé nebo žádné.
2. Rozdíl teplot mezi písmenem a okolím je malý, a dokud je v záběru ruka, termokamera s dynamickým rozsahem roztáhne barevnou škálu přes celou scénu a písmeno v ní zanikne. Proto ruka po doteku musí úplně mimo záběr.
3. Dlaň musí na destičce ležet celou plochou. Dutina uprostřed dlaně na destičku nedoléhá a mezery mezi prsty nechají na povrchu pruhy, které se dají splést s tahem písmene.
4. Písmeno je nejostřejší hned po zvednutí dlaně a během desítek sekund zmizí.
5. Destička, na kterou někdo sáhl, zůstane chvíli teplá a další písmeno na ní vyjde slabší. Po každém doteku ji nechte asi minutu ležet, nebo vezměte jinou. Destičky ohřáté v kapse, na slunci nebo mnoha rukama za sebou ztrácejí kontrast.
6. Další destičky si můžete vytisknout na 3D tiskárně podle souborů LabIR Edu pro program PrusaSlicer a plast PETG (odkaz ve zdrojích). Tiskněte z neprůhledného filamentu, u průhledného nebo přírodního PETG je písmeno vidět i okem. Destička vytištěná bez dutiny, třeba po převodu souborů pro jiný program, neukáže nic; dutinu ověřte v náhledu vrstev. Destičky z jiné sady mohou mít dutinu jinak hluboko a chovat se jinak, než popisuje postup.
7. Když to nevyjde: nic není vidět — studená ruka, příliš krátký dotek, destička leží nahoru stranou s hlouběji uloženou dutinou (obraťte ji), rozsah zůstal dynamický, nebo destička nemá dutinu. Je vidět jen otisk dlaně — dlaň nedoléhala celou plochou; zopakujte doték. Písmeno je zrcadlově obrácené — díváte se na stranu s hlouběji uloženou dutinou, a to je výsledek, ne chyba. Písmeno je chladnější než okolí, přestože se dlaň přikládala shora — destička ležela na teplé podložce, třeba na notebooku, u topení nebo na slunci, a teplo do ní přišlo zespodu.

Bezpečnost

Vlastní vytištěnou destičku pro srovnání s destruktivní zkouškou rozřezává jen učitel, předem, upnutou ve svěráku a pilkou; nožem v ruce ne.

Zařazení do RVP

Kódy OVU (ZŠ)

CAP-FYZ-002-ZV9-006

Kódy RVP 2021 (ZŠ)

F-9-4-03

Okruh RVP G

Stavba a vlastnosti látek (teplo, vnitřní energie, skupenství)

Zdroje

• LabIR Edu — Tepelné scrabble (soubory pro 3D tisk)
• LabIR Edu — Tepelné scrabble: pracovní a metodický list (PDF)
• LabIR Edu — Tepelné scrabble: vysvětlující plakát (PDF)
• LabIR Edu — Základní sada pokusů s termokamerou (PDF)
• LabIR Edu — Teplotní rozsah (návod k termokameře)
• LabIR Edu — Analýzy (návod k termokameře)