Sunday, 10 June 2012

Jos kaikki Suomen järvet viinaksi muuttuisi



Laulun  Kaks' kisälliä sanat hieman lyhennettyinä kuuluvat seuraavasti.
Kaks' kisälliä kulki
maantietä laulellen.
Ja he laulussaan toi julki
ylevän aattehen:

Jos kaikki Suomen järvet
viinaksi muuttuisi,
niin eikös meidän poikain
elellä kelpaisi.

Rannalle Viinajärven
majamme rakentais'
ja sen Sulolainehilla
öin päivin soudeltais'.

Ja me ryypättäis' vain viinaa,
viinassa uitaisiin.
Ja, eikö tätä voisi
verrata Edeniin.
Kyllä vaan!

En ota kantaa tämän toiveen toteutuessaan aiheuttamiin sosiaalisiin ja ekologisiin ongelmiin, vaan tarkastelen  viinassa uimista, soutamista ja viinaan uimahyppäämistä fysikaalisesta näkövinkkelistä.

Kun laulun toiveen voi toteuttaa ajatuskokeessa, niin ei jätetä sitä puolitiehen Koskenkorvan asteelle, vaan muutetaan Suomen kaikki järvet suoraan puhtaaksi pirtuksi. Vai kannattaisiko lähteä liikkeelle pilottimittakaavassa  ja aloittaa vaikka Vantaa Kuusijärvestä? Jos siihen tulee suunniteltu linja-autovarikko viereen, niin onhan liuottimet jo valmiina valuvalle öljylle.

Etanolin tiheys on 0,79 g/cm3, kun se vedellä on aika tarkkaan 1 g/cm3, ihmisellä hieman yli tai ali tämän riippuen siitä, kuin paljon keuhkoissa on ilmaa.  Joten on ilmeistä, että ilman apuvälineitä uiminen pirtussa olisi korkeintaan käsipohjaa.Välttämättä en myöskään lähtisi soutelemaan pirtuun  kovin raskaassa lastissa olevalla veneellä. En edes pirtulastissa olevalla.




Entäs sukellettaessa? Jos hyppää vitosesta mahalleen, niin sattuuko enemmän pudottaessa viinaan vai veteen? Miksi ylipäänsä mahalleen putoaminen sattuu? Voisiko se johtua pintajännityksestä, veden pinnalla olevasta eräänlaisesta kalvosta?

Pintajännitystä kuvaa suure on pintajännitysvoima pituusyksikköä kohtia. Vedellä tämän arvo on  γ = 70 mN/m ja etanolilla γ = 20 mN/m. Veden pintajännityskalvo on siis lujempi, mutta muuten nämä luvut eivät varmaan kerro maallikolle juuri mitään.

Otetaan esimerkki. Ihminen hyppää hyppytornista 5 metrin korkeudelta mahalleen. Laskujen helpottamiseksi oletetaan hänen tekevän ensin veteen vartalonsa puolikkaan kokoisen "kuopan" ennen kuin hän pääsee pinnan alle. Ihmistä voidaan kuvailla tässä uppotukkina, jonka pituus on 1,75 metriä ja halkaisija 0,25 m. Pinta, johon tämä ihmistukki osuu, on alaltaan 1,75 m x 0,25 m = 0,44 m2.
Vastaavasti "vesikuopan" pinta-ala on π x 1,75 m 0,25 m = 0,69 m2.
Vesikalvo on siis venynyt 0,25 m2. Venyttämiseen tehty työ on pinta-alan kasvun ja pintajännitysvakion tulo = 70 mN/m x 0,25 m2 = 18 mJ. Kun kyseisen noin 100 kg:n massan omaavan hyppääjän liike-energia veteen osumisen hetkellä on pyöreästi 10000 J, niin on selvää, että pintajännityksellä ei ole mitään merkittävää osuutta mahalaskun aiheuttamassa kivussa. Riippumatta siitä hypätäänkö veteen tai viinaan. Turhaa siis olisi laittaa uima-veteen astianpesuainetta pintajännitystä poistamaan. Ainoa vaikutus, mikä sillä voisi olla, on se että vesimittarit eivät enää pysyisi pinnalla.

Uimarannoilla elää tarina, että mahalleen putoamisen kipua voi pienentää merkittävästi, jos kädellään rikkoon veden pintajännityksen juuri ennen veteen osumista. Se on yksi urbaanilegenda muiden joukossa. Tosin kuulin minä sen meillä kotopuolessa Oriveden Kirkkolahden uimalassa ja olenpa saattanut itsekin totena kertoa. Ei pintajännitys ole samanlainen kalvo kuin vaikka muovi ruoka-annoksen päällä. Ei pintajännitykseen voi tehdä viiltämällä reikää, josta voisi pujahtaa sisään.

Toisen urbaanin legendan mukaan uimahyppykilpailuissa ruiskutetaan vettä alastulokohtaan siksi, että rikotaan pintajännitys. Todellisuudessa sen ainoa tarkoitus on helpottaa hyppääjää näkemään paremmin veden pinta, mikä kirkkaan veden pinnan ollessa tyyni on aika vaikeaa.

Mahalasku veteen sattuu yksinkertaisesti siksi, että kyseessä on törmäys. Ei niin kova, kuin pudottaessa asfalttiin, ei niin pehmeä kuin pudottaessa seiväshypyn vaahtomuovikasaan, vaan jostain siitä väliltä.

Keskeinen nesteiden ominaisuus tässä on niiden kokoon puristumattomuus. Vesi ei jousta kuten vaahtomuovi. Siksi käyttäytyy tässä osin kuten mikä tahansa kova materiaalia, vaikka jää. Ei anna periksi.

Vesi ei ole kuitenkaan kiinteää, vaan sen molekyylit pääsevät liikkumaan toistensa ohitse. Vesi roiskahtaa komeasti mahalleen hypättäessä. Mitä korkeammalta, sitä komeammin.Vaikka vesi ei anna periksi, niin se väistyy siihen osuvan tieltä - mitä voisi suositella monelle ihmisellekin elämänohjeeksi.

Oletetaan, että vesi nestemäisenäkin olisi yhtä liikkuvaista kuin ilma, ainoastaan tiheämpää. Veden tiheys on noin kymmenkertainen ilmaan verrattuna. Millaista olisi hypätä vitosesta mahalleen tällaiseen veteen?

Vitosesta hypättäessä nopeus veteen tultaessa on noin 10 m/s eli 36 km/h. Kuvitteellinen vetemme on 10 kertaa tiheämpää kuin ilma, joten samaan vaikutukseen kuin hypättäessä tällaiseen veteen päästäisiin osuttaessa ilmaan nopeudella 360 km/h. Se on suunnilleen Formula F1 autojen huippunopeus. Tällaisiin nopeuksiin ei tavallisilla autoilla tietenkään (onneksi) päästä, mutta jonkinlaisen käsityksen asiasta voi saada laittamalla kämmenen ulos autosta moottoritiellä ajettaessa. Ilmavirta tuntuu, mutta ei satu.

Oleellista tässä on se, että ilmassa molekyylien väliset voimat ovat olemattomat toisin kuin todellisissa nesteissä. Nestemolekyylien vapaata liikkumista estää nesteen molekyylien väliset vetovoimat.  Niitä kuvaava makrotason suure on nimeltään viskositeetti. Mitä suurempi viskositeetti, sitä jähmeämpää neste on ja sitä hitaammin molekyylit väistyvät törmäyksessä ja sitä enemmän sattuu mahalleen hypättäessä.

Etanolin viskositeetti on vain 1/4 veden viskositeetista ja sen tiheus on 20% vettä pienempi. Molemmat etanolin ominaisuudet hidastavat siihen osuvat esineen nopeutta vähemmän kuin veteen osuvan.  Siksi kannattaisi hypätä mahalleen mieluummin alkoholiin kuin veteen. Mutta vain ja ainoastaan siitä syystä. Lisäksi kokonaan toinen asia on sitten se, että kovin matalassa kivikova pohja tulee vastaan nopeammin alkoholissa kuin vedessä. Eli koivn matalaan viinajärveen ei kannata hypätä - ei ainakaan korkealta.

Veden viskositeetti on voimakkaasti lämpötilasta riippuvainen. Nolla-asteisen veden viskositeetti on kaksinkertainen 25-asteiseen veteen verrattuna. Siis jos tekee mahalleen tulevan hypyn jääkylmään veteen, niin paitsi että siinä paleltaa niin maahaan sattuu enemmän. Toisaalta sata-asteisen veden viskositeetti olisi suunnilleen sama kuin 20-asteisen etanolin. Siitä huolimatta valinta uimahyppykohteena näiden kahden välillä lienee sama kuin valinta ruton ja koleran välillä.




Fysiikka on kokeellinen tiede, jossa teoria testataan kokein. Siispä minäkin testasin oman teoriani kotipihalla virallisen valvojan seuratessa silmä enemmän tai vähemmän tarkkana. Marjamehulla täytetty muovipullo saa edustaa tässä sukeltavaa ihmistä. Muoto ja tiheys ovat mallissa riittävän lähellä ihmiskehon vastaavia ominaisuuksia. Keppi on vain mittana sitä varten, että osasin pudottaa joka kerta samalta korkeudelta.  Kuvat on otettu videosta, joka kokonaisuudessaan on nähtävissä täällä. Putoaminen tapahtuu videolla vaakasuoraan vain kuvaruudun muodosta johtuvasta syystä. Näin sain tarkemmin pystysuoran liikkeen videolle.

Kaikkien kuvararjojen kolme viimeistä kuvaa ovat videon peräkkäisiltä ruuduilta kaapatut. Niiden väliä on 1/25 sekuntia.






Pienensin pintajännitystä laittamalla veteen astianpesuainetta. Teorian mukaan sillä ei pitäisi olla sukeltamisen suhteen mitään oleellista merkitystä. Veteen osuminen ei ole ihan samalla kohtaa kuin edellisessä kokeessa, mutta selvästi on nähtävissä, että mitään oleellista eroa ei näillä kahdella kokeella ole.

Kokeen virallinen EU-tarkkailija näkyy osittain kuvan oikeassa laidassa.





Vaihdoin nesteen vedestä alkoholiksi. Kokeen virallinen valvojakin on selvästi valpastunut. Pullo jatkaa matkaansa alkoholissa selvästi suuremmalla nopeudella kuin vedessä. Niin kuin sen teorian mukaan pitäisikin tehdä. 




Lopuksi vielä suora sukellus "kovaan veteen". Pullo menee pohjaan kuin kivi. Veden aiheuttama vastus on suoraan sukellettaessa selvästi pienempi kuin alkoholin vastus mahalleen tultaessa. Eli jos halua, että mahaan ei satu, niin ei kannata sukeltaa mahalleen.
Virallinen tarkkailijakin on menettänyt mielenkiintonsa koetta kohtaan.

4 comments:

  1. Jos minun pitäisi valita, hyppäänkö jääkylmään vai kiehuvaan veteen, niin se valinta ei olisi vaikea. Ainakin helpompi kuin jos pitäisi tehdä valinta ruton ja koleran välillä.

    ReplyDelete
  2. Oliko tuossa alkoholikokeessa käytetty kuinkakin väkevää alkoholia? Ihan vain tieteelliseltä kannalta kiinnostaa :)

    ReplyDelete
  3. Vähän sitä lantrasin, kun määrä ei riittänyt ihan täyteen ämpäriin. Olennaista oli kuitenkin kvalitatiivinen tulos. Veteen putoavan nopeus hidastuu paljon enemmän kuin alkoholiin putoavan. Siksi mahahyppy alkoholiin luultavasti ei tunnu niin pahalta. Käytännön kokemusta asiasta ei ole - ainakaan minulla. Veteen mahahypystä lapsuudesta sitäkin enemmän.

    ReplyDelete