Aan de Universiteit van Iowa, je kunt zien hoe de zwaartekracht werkt door in het zand te spelen.

Niet-gegradueerde studenten van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde ontwierpen en bouwden een zandbak waarin gebruikers hun eigen universum kunnen vormen met zand en kunnen kijken hoe zwaartekracht een object beïnvloedt - een ruimtevaartuig of een komeet, bijvoorbeeld - terwijl het door de ingebeelde omgeving reist.

Gefinancierd door een subsidie ​​van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), de augmented reality-sandbox, genaamd "Gravbox, " is het eerste interactieve systeem in zijn soort dat wordt gebruikt voor astrofysica. Soortgelijke opstellingen bestaan ​​voor geologie en techniek - het Department of Earth and Environmental Sciences en de Lichtenberger Engineering Library hebben ze - maar de UI-studenten hebben het concept ontwikkeld om zwaartekracht te brengen, een onzichtbare kracht die niet gemakkelijk te verklaren of te begrijpen is, tot leven.

"Ik vind het ongelooflijk, " zegt Hai Fu, universitair docent natuurkunde en sterrenkunde, wie won de $ 405, 011-prijs, onderdeel van een bredere NSF-toepassing om zijn onderzoek te financieren naar wat er gebeurt als sterrenstelsels botsen. "De studenten hebben het helemaal opnieuw opgebouwd."

Fu zegt dat de sandbox zal worden gebruikt om fundamentele principes in de natuurkunde te onderwijzen, zoals de zwaartekrachtsdynamiek die betrokken is bij de verspreiding van sterren, de vormen en evolutie van sterrenstelsels, en meer.

Hij is ook van plan om de zandbak te laten zien aan amateurastronomieclubs, als tentoonstelling in musea, en in publieksbereik en demonstratieshows voor kinderen, onder leiding van Dale Stille, onderwijsspecialist op de afdeling.

De groep maakt zijn software openbaar en maakt een website met een tutorial voor het bouwen van het systeem.

Fu introduceerde zijn idee in de herfst van 2016 aan de 10 tweedejaarsstudenten, junioren, en senioren die deelnamen aan zijn cursus van twee semesters, Inleiding tot astrofysica. Hij wilde dat het project een aanvulling zou zijn op wat de studenten tijdens zijn colleges leerden.

Hij liet ze op de eerste lesdag een schets van het concept op een schoolbord zien.

"Het leek onmogelijk, " herinnert Sadie Moore zich, een hoofdvak natuurkunde en sterrenkunde uit Burlington, Iowa. "Het idee was ontzagwekkend."

onverschrokken, de studenten splitsten zich in drie teams en gingen aan de slag.

Eén team concentreerde zich op het ontwerpen en bouwen van een constructie die 200 pond zand kon bevatten. De studenten hakten hout voor de basis in de machinewerkplaats van de afdeling onder leiding van hoofd Machinist Brian Busch; de projectorstandaard gemonteerd en gemonteerd; en bouwde een uitschuifbare kast om de computer op te bergen, tablet, en kabels.

Alle werkzaamheden zijn in eigen beheer uitgevoerd, zegt Ross McCurdy, een lid van het bouwteam dat in mei 2017 afstudeerde aan de UI en een afgestudeerde student is op de afdeling astronomie van Penn State University.

"We gingen van een lege huls naar een mooie, veilige behuizing, " hij zegt.

Een tweede team concentreerde zich op het bedenken van een algoritme om de zwaartekracht te berekenen die op het object wordt uitgeoefend terwijl het in de zandbak "beweegt". Om dit te bereiken, de studenten ontwikkelden software om de baan van het object te berekenen en te kalibreren op basis van veranderingen die in de sandbox-omgeving zijn aangebracht. Het team verminderde de tijd voor het object om te reageren op een gebruikersopdracht van 3 minuten naar minder dan 1 seconde.

"Er is dat moment van erkenning dat waar je aan hebt gewerkt daadwerkelijk zijn vruchten heeft afgeworpen in een afgewerkt product, " zegt Sophie Deam, een hoofdvak natuurkunde en sterrenkunde van Ames, Iowa, en lid van het zwaartekrachtalgoritme-team.

Het derde team kreeg de opdracht om een ​​interface voor Gravbox te maken. Na eerst een Android-app te hebben bedacht, de groep besloot om zijn eigen educatieve display te bedenken. Op een touchpad dat op de zandbak is gemonteerd, gebruikers kiezen het object dat ze willen reizen in hun universum, teken een pijl om de reis van het object te beginnen, en kijk vervolgens op een overheadmonitor en in de zandbak hoe het landschap dat ze in het zand creëren - de denkbeeldige ruimteomgeving - de baan van het object verandert.

"Het is tikken en gaan, " zegt Erin Maier, een hoofdvak natuurkunde en sterrenkunde van Hudson, Ohio, die in mei 2017 afstudeerde en is ingeschreven voor het Graduate Program in Astronomy aan de Universiteit van Arizona.

"Nutsvoorzieningen, vormen die je normaal niet in de natuur ziet, kun je simuleren in de zandbak, " voegt Zachary Luppen toe, een junior natuurkunde en astronomie majoor van Fort Dodge, Iowa.

De studenten werkten gedurende het academiejaar 2016-17 aan het project. Maar ze realiseerden zich dat er nog wat problemen waren in de werking van de Gravbox. Dus, een handjevol bleef in de zomer rondhangen om verder te sleutelen; de samenwerking duurde tot het najaar, maar niemand scheen het erg te vinden.

"Het was boeiend dat je in zekere zin als een team moest werken, " zegt Mason Reed, een hoofdvak natuurkunde en astronomie van Independence, Iowa. "Dat geeft je perspectief voor wat werken in een onderzoeksgroep zou zijn, uitvinden hoe je kunt samenwerken, en het vinden van de juiste balans."

De grootste uitdaging, meerdere studenten zeggen zorgde ervoor dat de zandbak nuttig en interessant was voor zowel kinderen als volwassenen.

Wat mensen van alle leeftijden zullen leren, de studenten hopen, is in principe hetzelfde.

"We hopen dat we de kosmos tot leven brengen, ' zegt Moor.