A l'Université de l'Iowa, vous pouvez voir comment fonctionne la gravité en jouant dans le sable.

Les étudiants de premier cycle du Département de physique et d'astronomie ont conçu et construit un bac à sable où les utilisateurs peuvent modeler leur propre univers avec du sable et observer comment la gravité affecte un objet - un vaisseau spatial ou une comète, par exemple, lorsqu'il voyage à travers l'environnement imaginaire.

Financé par une subvention de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, le bac à sable en réalité augmentée, surnommé « Gravbox, " est le premier système interactif de ce type à être utilisé pour l'astrophysique. Des configurations similaires existent pour la géologie et l'ingénierie - le Département des sciences de la Terre et de l'environnement et la Lichtenberger Engineering Library en ont - mais les étudiants de l'UI ont avancé le concept pour apporter la gravité, une force invisible pas facilement expliquée ou comprise, vivre.

"Je pense que c'est incroyable, " dit Hai Fu, professeur assistant en physique et astronomie, qui a gagné les 405 $, Prix ​​011, dans le cadre d'une demande plus large de la NSF pour financer ses recherches sur ce qui se passe lorsque les galaxies entrent en collision. « Les étudiants ont tout construit à partir de zéro.

Fu dit que le bac à sable sera utilisé pour enseigner les principes fondamentaux de la physique, telles que la dynamique gravitationnelle impliquée dans la distribution des étoiles, les formes et l'évolution des galaxies, et plus.

Il prévoit également de présenter le bac à sable aux clubs d'astronomie amateurs, comme exposition dans les musées, et dans des spectacles de sensibilisation et de démonstration pour les enfants, dirigé par Dale Stille, spécialiste des ressources pédagogiques dans le département.

Le groupe met son logiciel à la disposition du public et crée un site Web avec un tutoriel pour construire le système.

Fu a présenté son idée à l'automne 2016 aux 10 étudiants de deuxième année, juniors, et seniors inscrits à son cursus de deux semestres, Introduction à l'astrophysique. Il voulait que le projet complète ce que les étudiants ont appris dans ses cours.

Il leur a montré un aperçu du concept sur un tableau noir le premier jour de classe.

« Cela semblait impossible, " se souvient Sadie Moore, une majeure en physique et astronomie de Burlington, Iowa. "L'idée était impressionnante."

Sans se décourager, les étudiants se sont divisés en trois équipes et se sont mis au travail.

Une équipe s'est concentrée sur la conception et l'ingénierie d'une structure pouvant contenir 200 livres de sable. Les étudiants ont coupé du bois pour la base dans l'atelier d'usinage du département sous la direction du chef machiniste Brian Busch; assemblé et monté le support du projecteur ; et construit une armoire coulissante pour ranger l'ordinateur, tablette, et câbles.

Tout le travail a été fait en interne, dit Ross McCurdy, membre de l'équipe de construction diplômé de l'UI en mai 2017 et étudiant diplômé du département d'astronomie de la Penn State University.

"Nous sommes passés d'une coquille vide à une belle, enceinte sécurisée, " il dit.

Une deuxième équipe s'est concentrée sur la conception d'un algorithme pour calculer la gravité exercée sur l'objet lorsqu'il « voyage » dans le bac à sable. Pour y parvenir, les étudiants ont développé un logiciel pour calculer et calibrer l'orbite de l'objet en fonction des modifications apportées à l'environnement du bac à sable. L'équipe a réduit de 3 minutes à moins d'1 seconde le temps nécessaire à l'objet pour répondre à une commande de l'utilisateur.

"Il y a ce moment de reconnaissance que ce sur quoi vous avez travaillé a réellement porté ses fruits dans un produit fini, " dit Sophie Deam, une majeure en physique et astronomie d'Ames, Iowa, et membre de l'équipe d'algorithmes de gravité.

La troisième équipe était chargée de créer une interface pour Gravbox. Après avoir conçu une application Android, le groupe a décidé de concevoir son propre affichage pédagogique. Sur un pavé tactile monté sur le bac à sable, l'utilisateur choisit l'objet qu'il souhaite faire voyager dans son univers, dessiner une flèche pour commencer le voyage de l'objet, puis regardez sur un moniteur suspendu et dans le bac à sable comment le paysage qu'ils créent dans le sable - l'environnement spatial imaginaire - modifie l'orbite de l'objet.

"C'est tap and go, " dit Erin Maier, une majeure en physique et astronomie de Hudson, Ohio, qui a obtenu son diplôme en mai 2017 et est inscrit au programme d'études supérieures en astronomie de l'Université de l'Arizona.

"Maintenant, des formes que vous ne voyez normalement pas dans la nature que vous pouvez simuler dans le bac à sable, " ajoute Zachary Luppen, un junior majeur en physique et astronomie de Fort Dodge, Iowa.

Les étudiants ont travaillé sur le projet tout au long de l'année scolaire 2016-17. Mais ils ont réalisé qu'il y avait encore quelques problèmes dans le fonctionnement de la Gravbox. Donc, une poignée est restée l'été pour continuer à bricoler; la collaboration a duré jusqu'à l'automne, mais personne ne semblait s'en soucier.

"C'était engageant que, dans un sens, vous deviez travailler en équipe, " dit Mason Reed, une majeure en physique et astronomie de Independence, Iowa. « Cela vous donne une perspective de ce que serait le travail dans un groupe de recherche, découvrir comment travailler ensemble, et trouver les bons équilibres."

Le plus grand défi, plusieurs étudiants disent, s'assurait que le bac à sable était utile et intéressant pour les enfants et les adultes.

Ce que les gens de tous âges apprendront, les élèves espèrent, est fondamentalement le même.

"Nous espérons que nous donnerons vie au cosmos, ", dit Moore.