Szemléltető modellek
Tanítás közben az ember maga is tanul

Seneca

A modellezés sajátos, de igen széles körben használt funkciója a szemléltetés. Olyankor van szükség szemléltető modellre, amikor az “eredeti” (a modellezett) működése, szerkezete közvetlenül nem mutatható be, A szemléltető modellek sokaságát láthatjuk múzeumokban, tanintézményekben, sőt reklámokban, filmekben; ezeknek tekinthető sok játék is. Az ilyen modellek vázlatos áttekintése segítséget nyújthat a pedagógusnak ahhoz, hogy oktató-nevelő munkájában maga is készítsen (tevékenységének hatékonyságát növelő) szemléltető eszközöket. Itt elsősorban a műszaki és oktató modelleket ismertetjük, így nem foglalkozunk, pl. a földtörténeti vagy a csillagászati modellekkel, bár ezeknek (is) felbecsülhetetlen értékű ismeretközlő szerepük van. A társadalmi, gazdasági modellek a külön fejeztünk tárgya.

A szemléltető modellek többsége elsősorban nem a funkcionális, hanem a szerkezeti, illetve a formai hasonlóságot mutatja be. Az eredetivel való hasonlóság gyakran csak geometriai (szükség esetén affin torzítással), bár néha (pl. folyamatok kétdimenziós bemutatásánál) még ettől is eltekintenek.

Közlekedési modellek

A különféle közlekedési eszközök modellezésének főbb típusai:

  • játékok,
  • múzeumi tárgyak,
  • versenysport-modellek.
Az egyes járműmodellek lehetnek   statikusak elsősorban múzeumi vitrinekben álló, a járművek formáját szemléltető tárgyak; mozgó tárgyak játékok, pl. vasútmodell; múzeumokban a látogató által bekapcsolható szerkezetek;

ezeken belül külön csoport a távvezérelhető modell

(van ilyen játék is, de fő területe a modellezési versenysport).

A modellezési versenysporttal részleteiben nem foglalkozunk, de a hajó- és a repülőgépmodellekkel kapcsolatban (érdekességként) megemlítünk néhány versenyelőírást, amelyekre hasonlóan szigorú formulák vonatkoznak, mint pl. az (ún. Formula) autóversenyekre. [Hibás hazai szóhasználat a FORMA-1, mert a versenyeken nem a forma, hanem a műszaki paraméterek rögzítettek (ún. formulákkal).]

Vasútmodellek

A vasútmodelleket elsősorban játékra és szemléltetésre használják, de vannak oktatásra készült változatai is. Ezeken gyakoroltathatják a vasútirányítást a jövő forgalmistáival. Ehhez (a játékoknál is ismert) terepasztalt készítenek, gyakran valamely tényleges pályaudvarhoz hasonlót. Az irányítás központi vezérlőpultja méreteiben is megegyezik az eredetivel. Ha nem is ilyen igényekkel, de iskolai oktatáshoz is készíthető hasonló rendszer. Ezen elsősorban nem a vasút működtetésének bemutatása a cél. Megfelelő interfészekkel lehetséges a tanulók számára érdekes módon szemléltetni a számítógéppel segített irányítási folyamatot (kezdetben a vezérlést, később (érzékelők felszerelésével (a szabályozást is).

Terepasztalt láthatunk egyes múzeumokban is (egy egész termet tölt be pl. a müncheni Deutsches Museum vasúti terepasztala). Többségében azonban a múzeumi modellek statikusak. A múzeumi vasúti modellek méretaránya korábban M = 1 : 5, napjainkban általában M = 1 : 10. Előbbiek zöme az eredeti rajzok alapján készült, így minden lényeges belső alkatrészt tartalmaznak. [Az M = 1 : 20 és M = 1 : 25 méretarány vasútmodelleknél ma már ritkán alkalmazott.] Utóbbiaknál csak a külső kidolgozás tökéletes, a belső gépezeti berendezéseket csupán mérethelyes tömbök szemléltetik.

A játékvasutak többféle “szabványa” ismert. [Az európai vasútmodellezők szervezete (Modellbahn-verband Europa) adja ki az ún. NEM előírásokat (Normen Europäischer Modellbahnen).] A legelterjedtebbek a H0, az N és a TT sorozat. Mindegyik sorozatban van csak játékként használható, egyszerűsített kivitel, és “pontos” kidolgozású profi modell. Nemcsak kész változat, hanem ún. kit is kapható, amelynek elemeiből a felhasználó maga szerelheti össze a modellt.

Autómodellek

Az autómodelleket is elsősorban játékra és (múzeumokban, oktatási intézményekben, kereskedelemben) szemléltetésre használják. Az autómodellezés sportág is. A főbb versenyágak:

sebességi modellek

rádió-távirányítású modell

pontos másolatok

A versenyek, az azokon résztvevő modellek előírásait az európai hajómodellező szövetség (Fédération Europenne de Modelisme Nautique) dolgozza ki.

Repülőgépmodellek

A repülőmodellezés közel 70 éves. Az első típusok a siklómodellek, majd (rövid idővel később (a gumi-motoros modellek voltak. Próbálkoztak sűrített levegővel működtetett légmotorokkal is. Az 1930-as évek második felétől fejlesztették ki a belsőégésű modellmotorokat, és ezzel együtt a szabadon repülő motoros modelleket, majd tíz évvel később az első körrepülő modelleket. Alig 25 éve jelentek meg az első rádióirányítású repülőmodellek.

A FAI szerinti osztályozás:

A repülés módja szerint

  szabadon repülő amikor a modell és a modellező között fizikai kapcsolat nincs, irányított huzalirányítású (körrepülő)

rádióirányítású

élethű modellek (nagy repülőgépek élethű másai). A modell erőforrása szerint: vitorlázó,

motoros

gumi-motor

belsőégésű motor

(mindkét esetben légcsavaros)


A motor nem működik a repülés teljes időtartama alatt, feladata csupán a modell magasba emelése. A gumi-motor működési ideje 25...40 s, és ezalatt a modell 50...60 m magasra emelkedik. A belsőégésű motor üzemideje a versenyszabály szerint (a világbajnoki kategóriánál) legfeljebb 7 s, és ezalatt a modell 150...180 m magasra emelkedik. Ezután a modell siklórepüléssel folytatja tovább az útját, akárcsak a vitorlázómodell.

A szabadon repülő modellek műszaki előírásai:

A motor hengerűrtartalma nem haladhatja meg a 2,5 cm3-t

A modell minimális tömege: 300 g/cm3, a motor hengerűrtartalmára vonatkoztatva.

Felületi terhelés: minimum 20 g/dm2, ill. legfeljebb 50 g/dm2.

Izzógyertyás motorokhoz 20 % ricinusolaj és 80 % metilalkohol összetételű üzemanyag használható.

Mindezek olyan követelmények, amelyek miatt legfeljebb 3 perc körüli időt képesek repülni. A versenyeken egy-egy start alkalmával nem is mérik három percnél tovább a modellek repülését. A VB versenyszámokban hét start időeredményeinek összege adja a végeredményt.

A szabadon repülő modelleknek egy speciális kategóriáját képezik a zárttéri modellek, amelyek ugyan szabadon repülnek, de tömeg- és szerkezeti viszonyaik miatt csak zárt teremben, nyugvó levegőben repíthetők.

A körrepülő modellek körpályán repülnek. A kör középpontjában tartózkodik a “pilóta”, aki nagy szilárdságú, igen vékony (0,3...0,4 mm) acélhuzallal vezeti, kormányozza a modellt úgy, hogy a modellben elhelyezett áttétel (ún. kormánymérleg) a huzalok mozgását egy tolórúd segítségével a magassági kormányhoz közvetíti. A magassági kormány mozgatásával a modelleket a körpálya mentén le- és felfelé lehet kormányozni.

A körrepülő sebességi modelleknél a minél nagyobb sebesség elérése érdekében a légellenállást igyekeznek a minimálisra csökkenteni. A sebességi modelleket a versenyszabályzat által megengedet legkisebb méretűre készítik, és gondosan áramvonalazzák. A körpálya kerülete 100 m (a vezetőhuzal hossza: 15,92 m). A versenyeken a modell sebességét 1 km-es távon (tehát tíz körön) mérik. A sebességi repülőmodellekkel ma már nem ritka a 200...230 km/h sebesség. Különlegesen előkészített motorral és speciális üzemanyaggal néhányan már elérték a 280...300 km/h sebességet is.

A műrepülő modellek mérete és tömege a körrepülő modellek közül a legnagyobb. Általában 6...8 cm3-es motort szerelnek bele, amivel 100 km/h körüli a sebességük. 18...20 m sugarú körön repítik. A versenyeken háton repülést, átszárnyalást, köríven végzett bukfenceket, négyszögletű bukfenceket kell bemutatni.

A technikailag legbonyolultabb a rádióirányítású modellezés. A jeleket a modellben elhelyezett parányi rádióvevő készülék veszi, és a kormányokat mozgató ún. szervo-berendezésekhez továbbítja. Az egyszerűbb, egy- vagy kétcsatornás készülékkel általában csak az oldalkormányt, ill. még a magassági kormányt is működtetik. Négy- vagy többcsatornás készülékkel irányítják a műrepülő modelleket, amelyeknek valamennyi kormánya működtethető, sőt a motor fordulatszáma is szabályozható, egyeseknél a futómű is behúzható. Ezekkel a modellekkel ugyanaz a műrepülő figurákból álló műsor végigrepülhető, amit az igazi repülőgépekkel is végrehajtanak.

Az élethű repülőmodellek régi vagy ma is létező repülőgépek meghatározott léptékben (méretarányban) lekicsinyített, repülőképes változatai. Egy-egy mérethű modell építése hosszadalmas, aprólékos munkát igényel. Ezek a modellezés igazi remekművei. A verseny eredménye szempontjából lényeges, hogy az élethű modell mennyire hasonlít legapróbb részleteiben is az eredeti repülőgéphez, mivel ezt pontozzák. Emellett repülőképességét is bizonyítani kell a verseny során.

Hajómodellek

A modellezés egyik legrégebbi területe. Egyiptomi sírkamrákban is találtak hajómodelleket. Sok helyen (nemcsak múzeumokban (láthatunk dísztárgyként “élethű” hajómásolatokat. Az élethű hajómodellek régi vagy ma is létező hajóknak meghatározott léptékben méretarányban lekicsinyített változatai. Az úszóképes modelleknek villamos-, gőz- vagy belsőégésű motoros hajtása van. A versenyszerű hajómodellek általában villanymotorral működnek.

A versenykategóriák:

önjáró

kereskedelmi hajó

hadihajó

navigációs

csoportos bemutató

egyéni bemutató

A versenyek, az azokon résztvevő modellek előírásait az európai autómodellező szövetség (FEMA, Fédération Européenne de Modélisme de l'Automobile) dolgozza ki. Az érvényben lévő szabályzat szerint a modell az eredeti hajó 1 : 10 ... 1 : 200 méretarány között készíthető, de nem lehet hosszabb 2500 mm-nél. A leggyakrabban alkalmazott méretarányok: 1 : 200, 1 : 150, 1 : 100, 1 : 75, 1 : 50, 1 : 40, 1 : 25, 1 : 20, 1 : 15, 1 : 10.

Demonstrációs táblák

Az oktatásban, kiállításokon, a kereskedelemben gyakran szemléltetnek eszközöket, folyamatokat, helyzeteket kétdimenziós modellekkel (táblákkal). Ide tartoznak a diaképek, az írásvetítő transzparensek is. Legelterjedtebb (mivel a legolcsóbb) változat a statikus tábla, amely lehet folyamatábra, metszeti vagy axonometrikus rajz, fénykép és rajz kombinációja (ún. kollázs). Van amelyiknek funkciója előírás, utasítás (pl. KRESZ táblák) vagy tájékozatás (pl. a repülőtéri, pályaudvari információs táblák).

Az oktatásban, kiállításokon, a kereskedelemben gyakran szemléltetnek eszközöket, folyamatokat, helyzeteket kétdimenziós modellekkel (táblákkal). Ide tartoznak a diaképek, az írásvetítő transzparensek is. Legelterjedtebb (mivel a legolcsóbb) változat a statikus tábla, amely lehet folyamatábra, metszeti vagy axonometrikus rajz, fénykép és rajz kombinációja (ún. kollázs). Van amelyiknek funkciója előírás, utasítás (pl. KRESZ táblák) vagy tájékozatás (pl. a repülőtéri, pályaudvari információs táblák).

Információban gazdagabbak a mozgó ábrák. Kivitelük lehet mechanikus vagy polarizátoros. Előbbire példa a Galton deszka. Utóbbit elsősorban folyamatok szemléltetésére használják. Elkészítéséhez ún. polarizált fóliák szükségesek, amelyeket megfelelő formára kivágva ragasztunk a rajzra. Az írásvetítőre szerelt forgó polarizátor szűrővel átvilágítva a fólia képe folyamatos mozgásként érzékelhető.

Oktató modellek

Iskolai modellek

Az iskolai modellek célja az ismeretterjesztés, ami nem csak a szemléltetést, hanem bizonyos folyamatok, kapcsolatok felfedeztetését is elősegíti.

 
Iskolai modellek csoportosítása

Az iskolai modellek is lehetnek két-, illetve háromdimenziósak. (Előbbiekre lásd az előző pontban felsoroltakat.) Az iskolai háromdimenziós modellek nagy része megegyezik a múzeumi modellekkel (az anyagi lehetőségek miatt azoknál általában szerényebb kivitelben). Speciális szemléltető, oktató modellek az eredeti tárgyak metszetei, amelyek bemutatják a belső szerkezetet. A pedagógus kreativitásától függ, hogy ő maga milyen szemléltető (vagy inkább “felfedeztető”) modelleket használ, készít annak érdekében, hogy az oktatott anyagot élvezetesebbé, könnyebben elsajátíthatóvá tegye. Ebben segítséget nyújtanak az ilyen célra szakosodott vállalatok sorozatban készült taneszközei. A jelenlegi típusok hátránya, hogy általában egy-egy tananyagrészlethez készültek, gyakran csak a meglévő (vagy már elavult) tankönyv egy-egy feladatához használhatóak.

Célszerűbb, ha a tanár moduláris taneszköz-rendszerben gondolkodik. Ennek lényege: olyan elemeket készít vagy vásárol, amelyekből sokféle modell összerakható, a szerkezeti kapcsolatok változtatásával a feladatok széles köréhez felhasználható (azokhoz is, amelyeket csak a jövőben megjelent tankönyvek, tantervek tartalmaznak). Ilyenek pl. a Fisher vagy a Lego-Technik készletek. Jelentősen növelheti az iskolai modellek hatékonyságát a számítógép. Az aktív, mozgó modellek (megfelelő érzékelő és beavatkozó szervekkel ellátva) interfészeken keresztül összeköthetők a számítógéppel. Így lehetővé válik, hogy a folyamatok széles körét modellezzük, és az is, hogy a diákok megtanulják a számítógépes irányítás, mérés és mérésértékelés módszereit.

Szimulátorok

A szemléltető modellek külön csoportját alkotják a szimulátorok, amelyek különféle technikai rendszerek kezelőinek tanítására szolgálnak. A folyamatok mennél teljesebb szemléltetésével valósnak tűnő helyzetet teremtenek a kezelő számára, aki így a veszélyhelyzetekre való gyors reagálást is megtanulja. Ez a modellezésnek egy rendkívül fontos (és egyre szélesebb körben használatos) területe emberek kiképzése, gyakoroltatása veszélyes feladatok sikeres megoldására. Az erre szolgáló technikai rendszerek a szimulátorok. Ezekkel még a kevéssé valószínű, katasztrófaveszélyes események során szükséges teendők is begyakorolhatók. Ilyen szimulátorokat használnak pl. az atomerőművek, a vegyiművek diszpécsereinek, a gépkocsivezetőknek, a pilótáknak a képzésénél, továbbképzésénél.

A szimulátorok korábbi típusai visszacsatolás nélküliek, az újabbak visszacsatoltak. A visszacsatolás nélküli szimulátorok alapvető korlátja: a gyakorlatot végző személy beavatkozásai mit sem változtatnak az általa látható képen.

A gépkocsi-szimulátor egy “valóságos” autó vezető ülése, de a szélvédőt egy ernyő helyettesíti, amelyre egy forgalmi jelenetet vetítenek. Az előre programozott mozgókép adott helyzetek elé állítja a vezetőt, amelyekre reagálnia kell. Például más autók közelednek, kanyarodik az út, vagy útjelzések és jelzőlámpák tűnnek fel. A vezető feladata az, hogy a kormánykerékkel, a gázpedállal és a fékkel irányítsa a kocsit. A régebbi (egyszerűbb) szimulátoroknál a vezető nem látja, nem érzi beavatkozásának hatását, a rendszer visszacsatolás nélküli.

A visszacsatolásos rendszerekben az irányítószervek működtetése megváltoztatja a látott képet. A visszacsatoláshoz a szimulátorban a bemutatott képnek valóban léteznie kell. Ennek kétféle lehetősége van: a szimulátor egy fizikai modellel van optikai kapcsolatban, vagy a képet egy számítógépprogram állítja elő.

Példaképpen a repülőgép-szimulátor működését mutatjuk be. Ma már valamennyi repülőgép-, helikopter- és űrhajótípus személyzetének kiképzésére használnak repülés-szimulátorokat. A szimulátor látszólagos mozgását és a látható képet a pilóta cselekvéseire válaszolva változtatják. A repülőgép-szimulátor egy “valódi” pilótafülke és -ülés, a gép egyéb részei nélkül, amelyet egy le- és felfelé, valamint oldalirányban mozgatható és dönthető állványra helyeznek.


Repülőgép szimulátor

A fizikai modell ez esetben azt jelenti, hogy elkészítenek egy terepasztalt és a repülőgép helyzetének megfelelő pontból egy mozgó kamera fényképezi a terepet. A kamera úgy mozog, ahogyan a “repülőgép”. A repülés-szimulátorokat eleinte főleg a fel- és leszállás gyakorlására használták, így a “terep” repülőterekről vagy repülőgép-anyahajókról készült. Később a repülés közbeni üzemanyag-felvétel gyakorlásához az üres égbolton üzemanyagtöltő repülőgép jelent meg, majd (a légiharc gyakoroltatására (egy, esetleg több vadászgép is látható volt. A legújabbak nagyobb terepszakaszokat fognak át amelyek felett a kis magasságú repülés is gyakorolható. Ezen a terepen különféle tereptárgyak tűnhetnek fel, amelyeket meg kell figyelni, meg kell közelíteni vagy ki kell kerülni.

Egy szokványos terepasztal modell mintegy 18 méteres lehet, és olyan léptékű, hogy hozzávetőlegesen 15 km2 területet ábrázoljon. A szimulátor fülkéjében a pilóta által működtetett vezérlőberendezések motorokhoz csatlakoznak, amelyek a videokamerát úgy mozgatják a terepasztal felett, ahogyan a pilóta irányítja a repülőgépet. A terepasztal fő előnye (a számítógépes képelőállító rendszereknél lényegesen nagyobb) rendkívüli részletessége. A terepasztalmodellek megépítése drága, megváltoztatásuk nehézkes, az ábrázolható terep mérete korlátozott. Nincsen kölcsönhatás sem: a terepasztalon a tárgyak nem mozognak. Mivel a terepasztalok kicsik, néhányszori gyakorlás után könnyen megjegyezhetőek. Ezért csak az ismétlődő földközeli repülési feladatok (különösen a leszállás) és a nehéz célterület feletti repülés gyakoroltatásánál hatékonyak, vagy olyan esetekben, amikor fontosak a finom tereprészletek, például a helikopterekkel végzett lebegési gyakorlatoknál.

Sokkal rugalmasabbak ennél a számítógépes grafikával létrehozott képek. A számítógépprogram a repülőgép előtti közvetlen tér képét hozza létre, és ez a repülőgép mozgásával összhangban változik. A programnak ki kell számítania a környezet minden részének elhelyezkedését a repülőgép helyzetéhez viszonyítva. Mindig csak azokat a részeket jelenítik meg, amelyek megfelelnek a pilóta által egy adott pillanatban a fülkéből látottaknak.


Vetítővásznas szimulátor

A számítógépes képelőállító rendszerek fő előnye: a létrehozható és megjeleníthető táj korlátlan mérete. Amíg a terepasztalmodellek mindössze néhány km2 terepet ábrázolnak, addig a számítógépes képelőállítás átfoghatja az égbolt egészét, az összes elképzelhető terepfajta sok ezer négyzetkilométerét. Bár elvben egy programot tetszés szerinti részletességgel megírhatunk a gyakorlatban azonban minél több a felszíni részlet, annál nagyobb a szükséges memória és annál több időre van szüksége a programnak ahhoz, hogy egy adott képet létrehozzon.

Az ablakok helyén vetítőfelület van, ezen jelenítik meg a látottakat. Bár a manapság használatos repülés-szimulátorok többségében katódsugárcsövekkel állítják elő a látványt, létezik két másik megjelenítési eljárás is.

A tájat az egyiknél: a pilóta sisakjába épített vetítőfelületre, a másiknál: a pilóta előtt levő mozivászonra vetítik. Ha a pilóta a repülőgép vezérlőszerveit működteti, mind a látható táj, mind a repülőgép-mozgás érzete megváltozik.

A szimulátor még a légörvények keltette érzetet is képes előidézni. Külön vezérlőteremben kap helyet a szimulált repülés összes jellemzőjét irányító, figyelő és rögzítő számítógép. Itt van az oktató is, aki kapcsolatban áll a szimulátorban ülő pilótával, megadhatja a pilóta által végrehajtandó különféle feladatokat, vagy beavatkozhat azokba, mozgathatja a célpontokat, megjeleníthet más repülőgépeket, hirtelen megváltoztathatja az időjárást, üzemzavarokat idézhet elő a repülőgépen. Egyes szimulátoroknál rögzítő és visszajátszó berendezések is vannak. Ha az oktató azt látja, hogy a növendék hibázik, rögzítheti a gép helyzetét, megbeszélhetik és elemezhetik a hibát, mielőtt folytatnák a repülést. Miután a repülés véget ért, a teljes folyamat újra lejátszható, amikor is a számítógép irányítja a repülőgépet, pontosan úgy, mint előzőleg a pilóta.

A repülés-szimulátorokkal jelentős megtakarítás érhető el. A valódi repülőgépekhez viszonyítva a kiképzés költsége alig éri el a 10%-ot. Az óránkénti megtakarítás több ezer $. Ennél is fontosabb: semmilyen következménnyel sem jár a “baleset”. A szimulátoros kiképzéssel a tanulás is meggyorsítható, a gyakorlatok sűríthetők. (A leszálláskor pl. az idő 95%-át az iskolakör repülése és a gurulás veszi igénybe, ami szimulátorban elhagyható.)

Múzeumi tárgyak

A múzeumi tárgy lehet eredeti, annak modellje vagy valamilyen más szemléltető eszköz.

A múzeumi modellek funkciója elsősorban szemléltetés, illetve oktatás (ismeretek közlése a közönséggel), valamilyen rendszer felépítésének, működésének, történetiségének vagy valamilyen folyamat lefolyásának bemutatása. Ilyenek például tárgyak metszetei, amelyek a belső szerkezetet mutatják be.

Van azonban a Múzeumnak “archiváló” feladata is: őriznie kell a múlt emlékeit eredeti vagy (ha az megsemmisült) újra előállított formában.


Babbage számítógépének rekonstrukciója és
a “malom”

Rekonstrukció (utánépítés) nagy értékű, megsemmisült emlékről készül, ha megfelelő dokumentáció áll rendelkezésre. Ilyen pl. a Magyar Közlekedési Múzeumban a második világháborúban megsemmisült Zsélyi-féle, 1909-ből származó monoplán, a budapesti Országos Műszaki Múzeumban Jedlik Ányos első dinamója vagy Babbage számítógépének részletei a londoni múzeumban. A rekonstrukció készülhet az eredetitől eltérő méretarányban is. Ilyenek pl. a milánói technikai múzeumban látható modellek, amelyek Leonardo da Vinci rajzai alapján készültek.

A reprodukció (másolat, hasonmás) valamilyen eredetiben is fennmaradt, érdekes vagy értékes tárgyról készül. Ilyen pl. a londoni Science Museum gyűjteményében Watt gőzgépének másolata.

A múzeumi tárgyak egy része (ma még (sajnos nagyobb része) passzív: a látogatóknak hozzá nyúlni tilos! Néhány évtizede azonban egyre több helyen hoznak létre aktív, “játszó” múzeumokat. Ilyen az Egyesült Államok Science Center hálózata, Helsinki Heureka központja. 1996-ban nyílt meg a budapesti “Csodák Palotája”. Ezekben a látogatók közvetlen részvételükkel fedezhetik fel a természettudomány és a technika “csodáit”.


Múzeumi modellek csoportosítása