Thursday, 29 April 2010

Suuren poikkitiedejuhlan tuntua

Koejärjestely on seuraavanlainen
Ensimmäisessä laatikossa on heliumpallo ilmassa. Sen pitäisi tyhjentyä aika nopeasti, koska molemmat tekijät, paine ja diffuusio vaikuttavat samaan suuntaan eli pyrkivät poistamaan heliumia pallosta.
Toisessa laatikossa on ilmapallo heliumissa. Nyt ilmiöt vaikuttavat eri suuntiin. Jos diffuusio on vaikuttava ilmiö tai ainakin vaikuttavampi kuin pallon sisäinen paine, niin pallo alkaa kasvaa. Helium virtaa laatikosta palloon, kun heliumpitoisuudet pyrkivät tasoittumaan.
Kolmannessa laatikossa on heliumpallo heliumissa. Jos tyhjeneminen johtuu pallon sisällä olevasta paineesta, niin pallo tyhjenee. Ei kuitenkaan niin nopeasti kuin ensimmäisessä laatikossa, koska heliumia virtaa koko ajan myös laatikosta palloon.
Neljännessä laatikossa on ilmapallo ilmassa. Jos pallon tyhjeneminen johtuu paineesta, niin tämäkin pallo tyhjenee, mutta hitaammin kuin kolmannessa laatikossa. Isommat molekyylit läpäisevät hitaammin pallon kuoren.
Jotenkin näin ennakoin kokeessa käyvän. Ainakin kolmen päivän jälkeen tulos on olettamuksien mukainen.
Pysykää kuitenkin palstalla. Koe ei ole vielä ohitse. Outoja asioita voi tapahtua, kun luonto vastaa sille heitettyyn kysymykseen.


Tilanne 27.4. kokeen alkaessa.
Pallot ovat tavallisissa Etolan säilytyslaatikoissa. Helium ei pääse karkaamaan, koska laatikot ovat ylösalaisin ja seinämä on niin paksu, että heliumkaan ei sitä läpäise. Pallot on puhallettu niin saman kokoisiksi kuin se silmämääräisesti onnistui. Tässä kokeessa tavoitellaan vain kvalitatiivisia tuloksia, joten pienet heitot pallojen koossa ovat epäolennaisia.
Ilman ympäröimä heliumpallo on ylhäällä, muut luonnollisesti alhaalla.



Tilanne 28.4.
Molempien heliumpallojen koko on pienentynyt ja suunnilleen yhtä paljon. Ei kuitenkaan vielä niin paljon, että ilmassa oleva heliumpallo laatikossa 1. olisi kokonaan pudonnut alas. Laatikossa 4 ilmassa oleva ilmapallo on myös pienentynyt, mutta aika vähän. Sen sijaan laatikossa 2 heliumissa oleva ilmalla täytetty pallo on suurentunut. Heliumia siis virtaa tähän pallon "painetta vastaan". Koe alkoi lupaavasti ennusteen mukaisesti.



Tilanne 29.4.
Heliumpallot jatkavat kutistumistaan. Vieläpä suunnilleen tasatahtiin. Sillä, onko heliumpallo ilmassa vai heliumissa, ei näytä ainakaan tässä vaiheessa olevan juuri merkitystä.
Ilmapallo ilmassa on edelleen kutistunut, mutta vain hieman. Samoin ilmapallo heliumissa jatkaa hidasta kasvuaan.



Tilanne Vappuaattona 30.4.
Astrologit tekevät ennustuksia, tieteessä - jopa poikkitieteessä - tehdään ennusteita hypoteesin pohjalta. Tässä tapauksessa ennuste on ollut se, että muut pallot jatkavat kutistumistaaan, mutta ilmapallo heliumissa paisumistaan. Muutoset tässä vaiheessa ovat jo aika aika pieniä.
Jos ennusteet pitävät kutinsa, niin se on vahva askel hypoteesin kääntymisestä teoriaksi. Jos ei, niin hypoteesia pitää tarkistaa. Näin tiede toimii. Sen metodi ei ole saatujen onnistuneiden tulosten valitseminen ja epäonnistuneiden hylkääminen eikä varsinkaan asioiden selittäminen parhain päin jälkikäteen.



Tilanne Vappupäivänä 1.5.
Poikkitieteellinen kokeeni oli näköjään siirretty Heurekan aulassa poikki lattian hieman näkyvämpään paikkaan. Ihmisiä näkyi käyvän tasaiseen tahtiin ihmettelemässä palloja. Ei se nyt ihan Heurekan Vapun ykköskohde ole, mutta selvästi aika useita kiinnostava.
Yllätykseni molemmat heliumpallot tuntuvat tyhjenevän suunnilleen samaan tahtiin. Olin olettanut heliumissa olevan heliumpallon tyhjenevän hitaammin kuin ilmassa olevan heliumpallon. Hypoteesia täytynee hienosäätää.
Suoraan edestä ei saa hyvää kuvaa, koska kuvaajan takana oleva vaalea tausta heijastuu laatikoista. Pakko käyttää vähän vinoa kuvakulmaa ja salamaa. tämän päivän kuva ei ole aivan vertailukelpoinen aikasempiin, mutta kutistuvat pallot olivat edelleen jatkaneet kutistumistaan ja paisuva pallo paisumistaan. Ero eiliseen oli kuitenkin silmämäärin mitaten hvyin pieni, paisumisen suhteen ehkä olematon.



Koe kiinnostaa Vappuna myös pienempää väkeä. Varsinkin, jos isän ja äidin vappuaaton saituus on näkynyt vappuaamuna lattialla.



Tilanne 2.5.
Heliumpallo ilmassa tuntuu jämähtäneen kokoonsa. Se ei sovi hypoteesiin. Onko hypoteesi vai koejärjestely väärä? Tätä pohdin tänään Heurekan aulavahtimestari Janne Äyräväisen kanssa.
Janne aprikoi, mahtaisiko ilmassa oleva heliumpallo olla hieman "huonossa hapessa".
Heureka! Näinhän sen täytyy olla. Kun heliumpallosta on virrannut heliumia ulos, niin ympäröivästä kaasusta on tullut niin heliumpitoista, että diffuusio pallosta pois ja palloon takaisin on suunnilleen yhtä voimakasta. Siksi pallon koko enää juuri juuri pienene. Sokea piste kokeen tekijän silmässä. Tarvittiin ulkopuolinen taho katsomaan asiaa ulkoapäin tuoreesta näkökulmasta. Ei niinkään harvinainen ilmiö tiedemaailmassa. Kenelle kuuluu kunnia, siitä sitten riidellään viimeistään Nobelia odoteltaessa.



Janne Äyräväinen vaihtaa "tuoreet ilmat" koelaatikkoon. Kevyt helium häipyy hetkessä taivaan tuuliin, kun alunperin ylösalaisin olevan laatikon kansi aukaistaan ja laatikko käännetään oikein päin.
Lisäsimme myös heliumia täynnä oleviin laatikoihin varmuuden vuoksi uutta heliumia, jos sitä olisi syystä tai toisesta päässyt karkuun. Laatikko sinänsä on niin paksua muovia, että sen ei pitäisi vuotaa edes heliumia. Ilmapallon ilmassa oletimme olevan kunnossa. Emme ainakaan keksineet, mitä oleellista sille voisi tehdä.
Tuskin maltan odottaa, että pääsen huomenna katsomaan, onko minuille niin rakkaiden pallojeni kehitys ollut hypoteesini mukaista.




Tilanne 5.5.
Pari päivää välillä poissa. Tilanne kehittyy suunnilleen hypoteesin mukaisesti. Heliumpallo ilmassa on odotuksen mukaan pienin. Heliumatomit läpäisevät kumin niin paljon helpommin kuin ilmamolekyylit, että kaasuhiukkasten liike on pääasiassa pallosta poispäin. On syytä huomata, että heliumpallossa on myös ilmamolekyylejä, koska ei olemassa sitä kuuluisaa Maxwellin demonia, joka päästäisi vain tietyt hiukkaset atomien kokoisista aukoista lävitse.


Heliumpallo jatkaa kuitenkin tyhjentymistään tästä eteenpäinkin, vaikka paine pallon sisällä on suunnilleen sama kuin ulkona. Syykin tuli jo kerrottua edellä. Heliumatomit osuvat todennäköisimmin kuin ilmamolekyylit sopivan kokoiseen atomaariseen reikään kimpoillessaan kumiseinämään.
Ilmapallo heliumissa on pullistunut samasta syystä.
Mielenkiintoisia ovat tilanteet heliumpallo heliumissa ja ilmapallo ilmassa. Heliumpallo heliumissa tyhjeni alussa nopeammin, mutta nyt molemmat pallot ovat yhtä suuria. Se johtuu siitä, että ne ovat dynaamisessa tasapainotilassa. Molekyylejä tulee ja menee kumin lävitse yhtä paljon. Helium-pallossa tätä tapahtuu useammin puolin ja toisin kuin ilmapallossa, mutta makromittakaavassa ei voi havaita mitään eroa.
Nyt lähden muutamaksi päiväksi Krakovaan. Palataan loppulausuntoon ensi viikon alussa.




Tilanne 10.5.
Matkan aikana ei tapahtunut merkittäviä muutoksia pallojen koossa. Heliumpallo ilmassa on vielä hieman pienentynyt, mutta tästä eteenpäin kurttuun meno kestää. Kokeen voidaan katsoa menneen suunnilleen hypoteesin mukaisesti. Tieteellinen prosessikin tuli läpikäytyä myös koejärjestelyjen puutteiden osaltakin. Tutkimus on prosessi, jossa mennään eteen- ja taaksepäin ja välillä pysähdytään kokonaan. Tieteen kuvaaminen yksikön ja historian tasolla sarjaksi jatkuvia voittoja ja eteenpäin menoa on totaalinen näköharha.

Pienenä loppukevennyksenä tarina viimeisestä kokeen valokuvasta. Minulla oli jäänyt kamera kotiin, joten otin tämän viimeisen kuvan kännykällä. Nettikäyttöön sillä saa ihan riittävän hyviä kuvia, varsinkin jos tarkoituksena on vain dokumentoida tilanne.
Kotona en löytänyt mistään kännykän tietokoneesen yhdistävää miniUSB-kaapelia. Ankarasti pulmallista tilannetta pohdittuani lähetin kännykästä sähköviestin kuva liitteenä itselleni. Vaikka ongelma poistuikin, niin jotenkin kepulikonstilta ratkaisu tuntui.
Jotenkin tuli mieleen valokuvauksen pioneerien tekniset ongelmat. Esimerkiksi ihan valokuvaksen alkuainoina 1800-luvun lopussa ns. märkälevyjen aikaan kaukaisille seuduille suuntautuvilla valokuvamatkoilla piti olla mukana kanoja. Syy ole se, että kananmunan valkuaista käytettiin lasilevyn päällä emulsiona, johon valolle herkkä hopeasuola sekoitettiin. Vain tuoreiden munien valkuainen kelpasi, joten pelkkä muninen mukaanotto ei siis riittänyt. Piti ottaa munimiskoneetkin mukaan.



17.5. The ballons have left the building.
Heliumpallo ilmassa oli vielä hieman kurtistunut, mutta muuten tilanne oli odotusten mukaan säilynyt ennallaan. Kohti uusia poikkitieteellisiä haasteita.

12 comments:

  1. Eikö isolla miehellä ole parempaa tekemistä kuin leikkiä ilmapalloilla? Ei kai tästä makseta palkkaa?

    ReplyDelete
  2. Kiva työ tuntuu ihan leikiltä, mutta ennen kuin siihen asemaan pääsee, niin se on kovan työn takana.

    ReplyDelete
  3. Tää on mahtava blogi!
    Timo on sankari!

    Ja tavallisille ihmisille fysiikan opettaminen
    on hyväksyttävää työtä! Timo ansaitsee joka sentin!

    ReplyDelete
  4. Ei ollut ostettu kommentti. Vannon vaikka sormet Newtonin Principian päällä.

    ReplyDelete
  5. Veikko Pasuri2 May 2010 at 23:09

    Onpa hauska ja mielenkiintoinen koe. Kävin tänään katsomassa sitä Heurekassa. Sinut varmaan tunnistaa Heurekassa propellihatusta?

    ReplyDelete
  6. Minut tunnistaa pinkistä kahdella Heurekan 10 v. pinssillä (10 v. + 10 v. = 20 v.) varustetusta hatusta.

    ReplyDelete
  7. Onko osmoosilla mitään tekemistä tämän kanssa. Muistan jostain niin lukeneeni?

    ReplyDelete
  8. Osmoosi on varsinaisesti nesteisiin liittyvä juttu. Esimerkiksi solutoiminnassa se yksi keskeisimmistä tekijöistä.
    Voidaan kuitenkin ajatella, että myös eri kaasujen välillä on osmoottista painetta, kun niiden välillä on puoliläpäisevä kalvo. Ilmalla täytetty pallo heliumissa pyrkii imemään heliumia itseensä, koska "osmoottinen" paine on heliumista ilmaan. Tilanne on vähän sama kuin kuin laitettaessa rusinoita veteen. Rusinat imevät vettä itseensä, koska vesimolekyylit läpäisevät runinan kalvon helpommin kuin rusinan sokerimolekyylit. Samalla tavalla käyttäytyvät heliumatomit ja ilmamolekyylit ja pallo pullistuu kuten rusina vedessä.

    ReplyDelete
  9. Antti Kaivanto11 May 2010 at 09:07

    Hei
    Onko koe nähtävissä vielä huomenna keskiviikkona? Tuon luokkani Heurekaan silloin ja meillä on juuri ollut puhetta kaasuista.
    Antti Kaivanto
    Porraskosken koulu

    ReplyDelete
  10. Koe jatkuu vielä tämän viikon ajan Heurekassa ja poistuu sunnuntaina 16.5.
    Ottaen huomioon kokeen pienimuotoisuuden ja aiheen fysikaalisuuden sen saama kiinnostus on ollut mukavan vilkasta ja sen kommentointi sekä paikan päällä että netissä on ilahduttanut minua.

    ReplyDelete
  11. Koetta on ollut mukava seurata, vaikka ei fysiikasta ole mitään alkeistietoja laajempaa oppia. Ja mikä loistava työpari onkaan maallikko (Janne)ja ammattilainen (Timo), näin se serendipity toimii. Tässä yhteydessä voin myös muistella kaukaa 70-luvun alussa nykyisen Helsingin yliopiston kanslerin lausumaa ystävälleen kesäpaikallaan: tärkeitä eivät ole vain oikeat vastaukset, vaan vähintäin yhtä tärkeitä oikeat kysymykset.

    ReplyDelete
  12. Tähän sanoisin, että myös väärät kysymykset tarvitaan. Kultahippujen vaskoolaaminen ilman soraa on mahdotonta.

    ReplyDelete