Швидкість поширення звуку в різних матеріалах місцевого виробництва

Анотація

Міждисциплінарне дослідження присвячене аналізу швидкості поширення пружних звукових хвиль у твердих тілах на прикладі матеріалів-візитівок міст Донецького регіону: конструкційної сталі 40Х (Краматорськ), шамотної вогнетривкої глини (Дружківка) та електротехнічної порцеляни (Слов'янськ). Робота виконана на інноваційному перетині прикладної фізики, матеріалознавства та нейропедагогіки. Метою є визначення пружних характеристик матеріалів та апробація педагогічної моделі залучення молоді до парадигми відкритої науки (Open Science), що відповідає стратегії НАПН України. Особливий акцент зроблено на нейрофізіологічних аспектах мотивації учня-дослідника. Доведено, що застосування методики «гарантованого результату» під час фізичного експерименту потужно стимулює дофамінову систему винагороди мозку. Дофамін формує стійку внутрішню мотивацію до наукової діяльності, усуває когнітивну апатію та сприяє ефективному засвоєнню складних концепцій. Для вимірювання швидкості звуку адаптовано гібридну методику, що поєднує звичайні смартфони з сенсорним додатком Phyphox («Акустичний секундомір») та високоточний цифровий осцилограф із п'єзомікрофонами. Встановлено, що швидкість екстенсійних поздовжніх хвиль у сталі 40Х становить 5140 м/с, у щільній електропорцеляні — 5470 м/с, а у високопористій шамотній глині знижується до 2560 м/с. Емпіричні дані демонструють високий ступінь кореляції з теоретичними розрахунками, базованими на модулі Юнга та густині. Результати переконливо підтверджують ефективність інтеграції прикладного експерименту та дофамінової моделі мотивації для залучення старшокласників до професійного наукового дискурсу. Отримані дані мають вагоме практичне значення для розробки нових STEM-програм.

This interdisciplinary study is devoted to analyzing the speed of elastic sound wave propagation in solid bodies, using the example of materials that serve as hallmarks of cities in the Donetsk region: 40Kh structural steel (Kramatorsk), chamotte refractory clay (Druzhkivka), and electrotechnical porcelain (Sloviansk). The research is conducted at the innovative intersection of applied physics, materials science, and neuropedagogy. The aim is to determine the elastic characteristics of these materials and to test a pedagogical model for engaging youth in the Open Science paradigm, which aligns with the strategy of the National Academy of Educational Sciences of Ukraine. Particular emphasis is placed on the neurophysiological aspects of a student-researcher’s motivation. It is proven that applying the "guaranteed result" methodology during a physics experiment powerfully stimulates the brain's dopamine reward system. Dopamine establishes stable intrinsic motivation for scientific activity, eliminates cognitive apathy, and facilitates the effective assimilation of complex concepts. To measure the speed of sound, a hybrid methodology was adapted, combining ordinary smartphones equipped with the Phyphox sensor app ("Acoustic Stopwatch") and a high-precision digital oscilloscope with piezoelectric microphones. It was established that the speed of extensional longitudinal waves in 40Kh steel is 5140 m/s, in dense electrotechnical porcelain it reaches 5470 m/s, and in highly porous chamotte clay it drops to 2560 m/s. The empirical data demonstrate a high degree of correlation with theoretical calculations based on Young's modulus and density. The results convincingly confirm the effectiveness of integrating applied physical experiments with the dopamine motivation model to engage high school students in professional scientific discourse. The obtained data have significant practical implications for the development of new STEM programs.