Friday, 27 July 2012

Parittelevat vesimittarit




Kyseessä on siis lammikoiden pinnalla yleiset kiiturit. Vesilaitoksen mittarit lisääntyvät vielä partenogeneettisesti, mikä lienee hyvä asia. Mutaatiot saattaisivat saada aikaan turhan paljon hukkakappaleita.

Tuskin tästä kuvasta sellaista klassikkoa tulee kuin aikoinaan Hannu Hautalan parittelevista kotkista. Sen verran vilkasta näyttää vesimittareiden rakkauselämä olevan, että kovin kauaa ei tarvitse niitä tarkkailla saadakseen tällaisen K-18 kuvan. 

 Tästä oliosta ei siis ole tässä jutussa kyse.

Mutta asiaan. Kimmokkeen tähän juttuun antoi esiin putkahtanut kuva ensimmäisestä kirjastani Onko pisara pyöreä? vuodelta 1983. Veden pinnalla kelluva pennin kolikko. Millä lihaksilla penni pysyy pinnalla? Onhan se kuitenkin umpimetallia, vaikka alumiinia onkin,  ja siksi aika painava ainakin vesimittariin verrattuna. 

 Takana olevan laatoituksen heijastuvat saumat näyttävät hyvin, kuinka paljon veden pinta kaareutuu pintajännityksen pitäessä penniä pinnalla. Tällä kuvalla voitin aikoinaan toisen palkinnon elämäni ainoassa valokuvakilpailussa. Sen nimenä oli silloin "Kelluva penni", mikä oli ajankohtainen asia juuri sillä hetkellä, kun Suomen markka oli laitettu kellumaan. Elettiin jotain 1990-luvun alkuaikoja.

Ei liene mikään valtakunnan salaisuus, että veden pintajännityshän on se voima, joka estää kolikkoa humpsahtamasta pohjaan.  Pintajännitystä mitataan newtoneina metriä kohti (N/m). Pintajännitysvakio on kullekin aineelle tyypillinen, sen symbolina on T. Tosin se riippuu mm. lämpötilasta, kylmällä nesteellä on suurempi pintajännitys kuin lämpimällä.  Pintajännitys voidaan ajatella myös pintaenergiana, jolloin yksikkö on joule per neliömetri (J/m2).

Kuvan pennin massa on 0,45 grammaa ja halkaisija 15,8 mm. Pintajännityksen aikaansaaman voiman täytyy olla silloin yhtä suuren kuin kolikon painon 4,4 mN, muuten kolikko tietysti uppoaisi. Voidaan ajatella, että pintajännitys pitelee kolikkoa vedenpinnalla ikään kuin kolikon reunoista kiinni pitäen. Mitä pidempi reuna, sitä enemmän useammasta kohdasta pintajännitys saa otteen. Tästä voidaan laskea, mikä pintajännitysvakion on vähintään oltava, jotta kolikko pysyisi pinnalla.

Pintajännityksen aikaansaama voima =  pintajännitysvakio x pinnalla olevan kappaleen reunan pituus. 


Taulukkokirjoissa veden pintajännitykselle annetaan arvoksi 72 mN/m. Laskelman mukaan kolikko ei siis voisi pysyä pinnalla, vaan sen pitäisi upota. Missä vika?

Pintajännitysvakion arvo on veden ja ilman välinen. Kolikkotempun salaisuus on siinä, että kolikkoa on juuri ennen varovaista laittamista veden pinnalle hieraistu otsassa. Otsassa on aina sen verran rasvaa, että sen avulla kolikosta saadaan vettä hylkivä. Aivan samalla tapaa kuin hyvin vahatun auton pinta hylkii vettä. Tämän ansiosta veden pintajännityksestä tulee paljon voimakkaampi ja se pystyy pitämään kolikon helposti veden pinnalla.

Sivelin lasin sisäpuolelle pienen alueen margariinilla. Lasi vetää vettä puoleensä, rasva hylkii sitä. Tästä johtuen puhtaan lasin kohdalla vesi kartuu reunassa ylöspäin ja rasvan kohdalla alaspäin. Pintajännitys heikkenee vettä puoleensa vetävän aineen vieressä ja vastaavasti vahvistuu hylkivän aineen vieressä.

 Sateen jälkeen paljastuu jos auton vahaus on tehty huolimattomasti. Vaha hylkii vettä, pelkkä maalattu pinta vetää sitä puoleensa.


Vesimittarin massa on noin 0,01 grammaa eli sen paino on noin 0,1 mN. Laskelmissa on vesimittarin neljän jalan pinnajännityksen antamaksi kantokyvyksi saatu noin 6 mN. Siis 60-kertainen määrä painoon verrattuna. Se johtuu siitä, että vesimittarin jalkojen vedessä oleva osat ovat pitkät suhteessa otuksen kokoon, pintajännitys kannattelee joka jalkaa sen molemmilta puolin ja jalat ovat täynnä pieniä sulkamaisia ulokkeita, jotka tekevät niistä hyvin vettä hylkiviä. Täydellinen rakenne veden päällä luisteluun. Pintajännityksen puolesta vesimittari voisi kantaa vaikka edellä mainittua kolikkoa selässään (rakastajasta nyt puhumattakaan), mutta jalat saattaisivat pettää pennin alta kuten ahmateilla aikoinaan Ruotsin laivalla seisovassa pöydässä. (”Suu söis, vatsa vetäis – vaan ei kestä heikot jalat")

Koska vesimittarin jalat ovat niin hyvin vettä hylkivät, niin olettaisi niiden avulla luistelun olevan vaikeaa. Luistoa varmaan löytyy, mutta pidon kanssa voi olla hankalampaa. Tätäkin tutkittu (mitäpä ei olisi). Tämä artikkeli saa poikkitieteilijänkin vihreäksi kateudesta.

Vesimittarit liikkuvat aika huipakkaa, varsinkin suhteessa niiden omaan kokoon. Parhaimillaan noin 1,5 m/s, eli suunnilleen 100 kertaisesti oman pituutensa sekunnissa. Yksityiskohtaisemmin vesimittareiden liikkumisesta kiinnostuneet voivat perehtyä yllä olevassa linkissä olevaan artikkeliin, muille mutkat oikaiseva valokuva alla.

Kuva: David L. Hu1, Brian Chan2 & John W. M. Bush1 
Vesimittarit työntävät jaloillaan pieniä vesipyörteitä taaksepäin. Ne toimivat ikään kuin askelmina, joista vesimittari potkii itseään eteenpäin. Liikemäärän säilymisen laki pätee. Sama liikemäärä, jonka vesipyörteet saavat taaksepäin vie vesimittaria eteenpäin.

Kuva on tehty siten, että veden pinnalla on sinolia, jonka avulla pyörteet saadaan näkyviin. Tässä siis toteutuu ainakin osittain yhdessä bloggauksessani esiintynyt toive.  Kuvat on valaistu alhaalta päin ja vesimittarit laitettu kuvankäsittelyn keinoin jälkikäteen antamaan mittakaavaa kuville.

Kuva: David L. Hu1, Brian Chan2 & John W. M. Bush1
Tutkijat rakensivat oman vesimittarinsa, joka tässä kuvassa on elävän kaimansa kanssa. Tiettävästi veneiden hydrodynamiikkaa suunnittelevat ovat olleet tästä tutkimuksesta kiinnostuneita, vaikka vähän eri dimension vesikiitureiden kanssa puuhailevatkin.

3 comments:

  1. Hauska juttu Timolta, mutta pitääkö otsikon olla niin härski?

    ReplyDelete
  2. Oli minulla muitakin verbejä mielessä, mutta päädyin sitten tähän. Nimenomaan härsiysnäkökulma mielessäni.

    ReplyDelete
  3. En halua kuulla tarkemmin :-)

    ReplyDelete