Vid University of Iowa, du kan se hur tyngdkraften fungerar genom att spela i sanden.

Studenter vid institutionen för fysik och astronomi designade och byggde en sandlåda där användare kan forma sitt eget universum med sand och se hur gravitationen påverkar ett objekt - en rymdfarkost eller en komet, till exempel - när den färdas genom den tänkta miljön.

Finansieras av ett anslag från U.S. National Science Foundation (NSF), sandlådan med förstärkt verklighet, kallad "Gravbox, " är det första interaktiva systemet i sitt slag som används för astrofysik. Liknande inställningar finns för geologi och ingenjörsvetenskap - Institutionen för jord- och miljövetenskaper och Lichtenberger Engineering Library har dem - men UI-studenterna avancerade konceptet för att få gravitation, en osynlig kraft som inte är lätt att förklara eller förstå, till livet.

"Jag tycker att det är otroligt, säger Hai Fu, biträdande professor i fysik och astronomi, vem vann $405, 011 utmärkelse, del av en bredare NSF-ansökan för att finansiera hans forskning om vad som händer när galaxer kolliderar. "Eleverna byggde upp det hela från grunden."

Fu säger att sandlådan kommer att användas för att lära ut grundläggande principer i fysik, såsom gravitationsdynamik involverad i distributionen av stjärnor, galaxernas former och utveckling, och mer.

Han planerar också att visa upp sandlådan för amatörastronomiklubbar, som utställning på museer, och i offentliga uppsökande och demonstrationer för barn, ledd av Dale Stille, instruktionsresursspecialist på avdelningen.

Gruppen gör sin programvara allmänt tillgänglig och skapar en webbplats med en handledning för att bygga systemet.

Fu introducerade sin idé hösten 2016 för de 10 andra åren, juniorer, och seniorer inskrivna i hans tvåterminskurs, Introduktion till astrofysik. Han avsåg att projektet skulle komplettera det eleverna lärde sig i hans föreläsningar.

Han visade dem en beskrivning av konceptet på en svart tavla den första dagen i lektionen.

"Det verkade omöjligt, " minns Sadie Moore, en senior fysik- och astronomimajor från Burlington, Iowa. "Idén var imponerande."

Oavskräckt, eleverna delade upp sig i tre lag och började jobba.

Ett team koncentrerade sig på att designa och konstruera en struktur som kunde hålla 200 pund sand. Eleverna kapade ved till basen i avdelningens maskinverkstad under ledning av chefsmaskinisten Brian Busch; monterade och monterade projektorstativet; och konstruerade ett utdragbart skåp för att lagra datorn, läsplatta, och kablar.

Allt arbete gjordes internt, säger Ross McCurdy, en medlem av byggteamet som tog examen från UI i maj 2017 och är doktorand på astronomiavdelningen vid Penn State University.

"Vi gick från ett tomt skal till ett trevligt, säker inneslutning, " han säger.

Ett andra team fokuserade på att ta fram en algoritm för att beräkna tyngdkraften som utövas på objektet när det "färdas" i sandlådan. För att åstadkomma detta, eleverna utvecklade mjukvara för att beräkna och kalibrera objektets bana till förändringar som gjorts i sandlådemiljön. Teamet reducerade från 3 minuter till mindre än 1 sekund tiden för objektet att svara på ett användarkommando.

"Det finns ett ögonblick av erkännande av att det du har arbetat med faktiskt har lönat sig i en färdig produkt, " säger Sophie Deam, en senior fysik och astronomi major från Ames, Iowa, och medlem av gravitationsalgoritmteamet.

Det tredje laget fick i uppdrag att skapa ett gränssnitt för Gravbox. Efter att ha skapat en Android-app, gruppen bestämde sig för att utforma sin egen instruktionsvisning. På en pekplatta monterad på sandlådan, användare väljer det objekt de vill resa i sitt universum, rita en pil för att starta objektets resa, och se sedan på en overheadmonitor och i sandlådan hur landskapet de skapar i sanden – den imaginära rymdmiljön – förändrar objektets omloppsbana.

"Det är tryck och gå, " säger Erin Maier, en fysik och astronomi huvudämne från Hudson, Ohio, som tog examen i maj 2017 och är inskriven i Graduate Program in Astronomy vid University of Arizona.

"Nu, former du normalt inte ser i naturen kan du simulera i sandlådan, " tillägger Zachary Luppen, en junior fysik och astronomi huvudämne från Fort Dodge, Iowa.

Studenterna arbetade med projektet under hela läsåret 2016–17. Men de insåg att det fortfarande fanns några fel i Gravboxens verksamhet. Så, en handfull fastnade under sommaren för att fortsätta pyssla; samarbetet varade under hösten, men ingen tycktes ha något emot det.

"Det var engagerande att man på ett sätt var tvungen att arbeta som ett team, " säger Mason Reed, en högre fysik och astronomi huvudämne från Independence, Iowa. "Det ger dig perspektiv för vad det skulle vara att arbeta i en forskargrupp, ta reda på hur man arbetar tillsammans, och hitta rätt balans."

Den största utmaningen, flera elever säger, såg till att sandlådan var användbar och intressant för både barn och vuxna.

Vad människor i alla åldrar kommer att lära sig, eleverna hoppas, är i princip detsamma.

"Vi hoppas att vi väcker kosmos till liv, " säger Moore.