Hesarin lasten tiedekysymyksissä oli seuraava
Miksi vaahto on valkoista?
TIEDE 8.12.2014 2:00
Helsingin Sanomat
Vaahto on pieniä ilmakuplia. Ne ovat jääneet veden tai muun
nesteen sisään. Kun katsoo vaahtoa tarkasti, kuplat voi nähdä.
Kylpyveteen syntyy paljon kuplia, koska siinä on saippuaa,
joka pienentää veden pintajännitystä. Saippua lisää ilmakuplien määrää vedessä.
Vaahdon valkoisuus johtuu siitä, että vaahdon läpi
kulkeutuva valo taittuu pienten ilmakuplien pinnoista ja kimpoilee joka
suuntaan. Tätä kimpoilemista kutsutaan siroamiseksi.
Eniten valo siroaa sellaisesta vaahdosta, jossa on paljon
hyvin pieniä ilmakuplia. Tiiviin vaahdon läpi ei näe kättään.
Veli-Matti Ikävalko
koordinaattori
Kemian opetuksen keskus Kemma
Minähän ei tätä oikein niellyt, vaan laitoin Hesariin
seuraavan kommentin.
"Sironta on hieno ja monille tuntematon termi. Se on
kuitenkin monien visuaalisten ilmiöiden takana oleva mekanismi ja olisi
fysikaalisesti parempaa käyttää sitä heijastumisen sijasta.
Paitsi tässä. Vaahdon valkoisuus, myös värillisen nesteen
kuten oluen, johtuu heijastumisesta. Kun valo heijastuu vaahtokuplien pinnasta,
niin kaikki aallonpituudet eli näköaistin havaitsemat värit heijastuvat siitä.
Kaikkiin suuntiin, koska kuplat kaarevina heijastavat valoa toisin kuin taso
moniin suuntiin. Siksi valkoisessa
valossa vaahto on valkoista, värillisessä valossa juuri valon väristä. Kun
vaahtoa katsotaan tekstissä kerrotulla tavalla vaahdon läpi kulkevalla valolla,
niin vaahto on enempi vähempi siinä olevan nesteen väristä. Siis esimerkiksi
oluessa ruskeaa.
Ihan kaikki ei sentään ole väärin. Tiiviin vaahdon läpi ei
todellakaan näe kättään, eikä juuri muutakaan. Miten se liittyy vaahdon valkoisuuteen,
sitä jäin vain miettimään.
Timo Suvanto"
Fysiikka on kokeellinen luonnontiede. Joten pakkohan sitä
oli vähän tutkiakin vaahtoa, miten se valo siinä oikein käyttäytyy. Huomasin,
että ei minunkaan selitykseni ihan vedenpitävä ole. Vaahdon valkoisuus
nimittäin johtuu kuplien reunoista kirkkaina kuin rengassalamasta tulleina
valoympyröistä. Seuraava kysymys olikin sitten, että mistä nämä valoympyrät
tulevat.
Sen selvittämiseksi pitikin paitsi ottaa pari valokuvaa,
myös raapia hieman päätä. Tässä minun hypoteesini ilmiölle.
Kun valo osuu kuplaan, niin valon suunnassa kuplan keskeltä
menee suurin osa lävitse. Mitä suuremmassa tulokulmassa pintaan nähden valo
tulee, sitä suurempi osuus siitä heijastuu. Kun kahden vierekkäisen kuplan
koot, paikat ja kuplasta heijastunut valonsäde ovat sopivassa suhteessa, niin
kuplasta heijastunut valonsäde saattaa heijastua takaisin suunnilleen
tulosuuntaansa käytyään välillä heijastumassa viereisestä kuplasta. Joka
tapauksessa vinosti kuplaan tuleva valo ei läpäise juuri lainkaan kuplan
pintaa, vaan heijastuu sivulle.
Yhden valonsäteen kulku sen osuessa ensin isompaan kuplaan ja palatessa takaisin ylös kolmen heijastuksen jälkeen. Heijastuskulmia ei ole piirretty astelevyn kanssa, joten ne ovat "sinne päin".
Hypoteesin pitää paitsi antiikin filosofisen periaatteen
mukaan säilyttää ilmiö, niin sillä saisi olla myös ennustevoimaa. Kuten
1. Jos kuplan vieressä ei ole toista kuplaa, niin sen reunan
ei pitäisi näkyä valkoisena, vaan tummana, koska valo on heijastunut vain sivuun,
ei enää takaisin.
2. Pienissä kuplissa pitäisi olla poikkipinta-alaan nähden
enemmän valkoista kuin isoissa. Ympyrän reuna kun kasvaa suhteessa pinta-alan
neliöjuureen.
3. Kuplia alta päin valaistessa reunojen pitäisi näkyä tummina.
Astianpesuaineen kuplia veden pinnalla. Alla suurennettu yksityiskohta kuvasta. Kuplia on vain yksi kerros, jotta ilmiöt näkyisivät selvemmin. Valaisu kuplien päältä.
Valo tulee lievästi yläviistosta siten, että kuvassa valo tulee kuvan yläreunan suunnassa. Siksi kuvien kuplat ovat valkoisia vain ylöspäin kuvassa olevilta reunoiltaan. Ilman vieruskaveria olevien kuplien sen puoleinen reuna on tumma hypoteesin ennusteen mukaisesti. Samoin pienten kuplien valkoinen reuna kuplan kokoon nähden suurempi.
Sama altapäin valaisten ja kuvasta suurennos. Edelleen hypoteesin mukaista. Tumma reuna on nyt koko kuplan ympärillä, koska valo tulee tasaisesti lävitse. Ilman kaveria olevien kuplien ympärillä on myös pieni valkoinen rantu. Se tulee niistä valosäteistä, jotka ohittavat kuplan lähes hipaisten ja kasautuvat aivan kuplan muuten tummana näkyvän reunan ulkopuolelle.
Näinhän tiede, jopa poikkitiede toimii. Nyt minun selitykseni on esillä, alttiina kritiikille ja vertaisarviolle. Olen itse aika vakuuttunut sen oikeellisuudesta, olen perustellut sen esittämiini havaintoihini vedoten. Kuka tahansa voi kuitenkin kumota sen joko sen johonkin minulta huomaatta jääneeseen heikkouteen vedoten tai iskemällä pöytään oman ilmiön paremmin selittävän selityksen.
Kävin muuten netissä vähän katsemassa, millaisia vastauksia löytyy kysymykseen "Why is the foam white?" Yksikään niistä ei tarjonnut samaa selitystä kuin minä. Siitä huolimatta katson teoriani pätevän - ainakin toistaiseksi.
13.12.2014
14.12.2014 vähän myöhemmin
Asiaa vielä vähän pähkäiltyäni palaan kuitenkin makrotason yksinkertaiseen selitykseen. Kuplien,varsinkin isojen kuplien reunojen valkoisuus ei voi johtua muusta kuin tavallisesta heijastuksesta. Minun käyttämälläni valolla on kuitenkin suunta. Jos valoilmiö reunoissa syntyisi satunnaisesti kuplien sisällä poukkoulevista valonsäteistä, niin se ei voisi olla niin selkeästi valon suunnassa kuplien reunassa.
Kuten Sakarin kuva osoittaa, niin varsinkin isot kuplat ovat lititstyneitä. Tällöin kuplan kaarevuussäde on reunassa paljon pienempi kuin keskellä. Pieni kaarevuussäde saa aikaan sen, että tässä kohtaa jokin osa kuplaa on sopivassa kulmassa katsojaan nähden siten, että valoa heijastuu katsojaa kohti.
Kun valo tulee takaa, niin reunoistaan pyöreän muoviesineen valon puoleinen reuna heijastaa valoa, toinen puoli ei. Ihan samalla tavalla kuin kuplatkin minun kuvissani käyttäytyvät.
Lähikuva kuplista. Valo tulee takaa ylhäältä tasomaisesta valolähteestä. Valonlähde heijastuu pienten kuplien kaarevasta pinnasta. Isojen kuplien väliset rajakohdat muodostavat samanlaisia pyöreitä heijastavia pintoja, joista valo myös heijastuu. Pienissä kuplissa heijastuva pinta on kuplaan nähden paljon suurempi, joten vaahdon valkoisuus on paljolti juuri pienten kuplien ansiota.
"Tuoreet" saippukuplat ovat värikkäitä, kun kalvo on tarpeeksi paksu interferenssille.
Värikkyys ei kestä kauan. Kalvon ohentuessa isot kuplat tulevat keskeltä enemmän ja enemmän läpinäkyviksi.
Hyvä saippualiuos saattaa ohentua niin ohueksi, että vaahdosta näkyy lopulta vain kuplien väliset särmät, vaikka kyllä niissä myös kalvo on.
Vihoviimeiset kuvat (toistaiseksi). Kolme kuplaa kiinni toisissaan ja lasin reunassa. Tasovalo ylävasemmalla. Isojen kuplien valon puolenen reuna heijastaa valoa. Kuplat ovat löysästi toisissaan kiinni, mutta niissä ei ole kolmen kuplan muodostamaa särmää. Siis heijastus vain kuplan pyöreästä reunasta.
Tähän olen toistaiseksi tyytyväinen. Vaikka jo välillä annoin "synninpäästön" Hesarissa olleelle selitykselle, niin otan sen takaisin. Vaahdon valkoisuus johtuu siis heijastuksista kuplien pienisäteisistä pinnoista ja kuplia yhdistävistä "särmistä".
Kaikkien virhelähteiden äiti? Tämän artikelin vuodelta 1991, joka käsittelee vaahdon valon läpäisyä mitatattaessa se läpitulevasta valosta, ingressin sivulauseessa sanotaan moninkertaisen sironnon antavan vaahdoille niiden tutun valkoisen värin. Lause on ei pidä paikkaansa ja läpitulevassa valossa se ei edes säilytä ilmiötä. Läpitulevassa valossahan vaahto on tummaa. Sitä paitsi vaahdon väri on yllä olevan tutkimuksen valossa täysin epäolennaista.
Osoituksena tieteellisen tekstin psykologisesta voimasta minäkin harhauduin tämän artikkelin viekoittelemana hetkeksi aivan väärille jäljille.
Olen jättänyt koko ketjun paikoilleen. Siitä käy ilmi, millaista hapuilua tieteellinen tutkimus yleensä on. Välillä ollaan ihan metsässä, kunnes lopulta oikea selitys tuntuu löytyneen. Sitten ollan vähän aikaa tyytyväisiä, kunnes joku (usein tutkija itse) kumoaa sen.
Kävin muuten netissä vähän katsemassa, millaisia vastauksia löytyy kysymykseen "Why is the foam white?" Yksikään niistä ei tarjonnut samaa selitystä kuin minä. Siitä huolimatta katson teoriani pätevän - ainakin toistaiseksi.
13.12.2014
Otin vähän paremmalla linssillä kuvan yhdessä kerroksessa pinnan päällä olevista kuplista valon tullesta lävitse. Etenkin reunalla olevien kuplien ympärillä näkyy ylimääräinen kehän mustan reunuken ulkopuolella. Selittäisin sen syntyvän siitä, että veden pinta kaartuu hieman aivan kuplan lähellä ihan samalla tavalla kuin kuin se kaartuu ylöspäin putkien seinämissä. Nyt kaartuminen tapahtuu vain alaspäin. Tämä kaareva osa toimii linssinä saaden aikaan tämän kehänä näkyvän ilmiön. Tämä näkyy selvästi vain silloin, kun kuplia on vain yksi kerros veden pinnalla, kuten kuvassa.
Pisara on "kuopassa" veden pinnalla. Kuvassa kaavakuvamaisesti eri kohtaan alhaalta tulevien valonsäteiden kulku.
Vaahtoa valon suunnasta kuvattuna ja suurennos yksityiskohtaan samasta kuvasta. Kun kuplia on ueampi kerros päällekäin, niin varsinkin isoimmat kuplat ovat kaukauna pallon muodosta. Siitä huolimatta vain niiden reunat heijastavat valoa taaksepäin valon tulosuuntaan. En tunne mitään muuta mekanismia kuin edellä kertomani, miten ilmiö voisi tapahtua. Entenkin ottaen huomioon sen ennustevoiman. Kehä on kuitenkin avoin kaikille. Kilpailevia teorioita voi heittää avain vapaasti vertaisarviointiin.
Vaahtoa läpitulivassa valossa kuvattuna ja suurennos yksityiskohtaan samasta kuvasta. Vihreä väri johtuu astianpesunesteestä. Kuplien reunat ovat edelleen tummat, kuten teoriani ja edellisten kuvien perusteella on odottettavissakin. Varsinkin isojen kuplien muodot vaihtelevat.
Paksummassa vaahtokerroksessa tapahtuu paljon enemmän heijastuksia, mikä saa aikaan kontrastin vähenemisen. Itse asiassa olen hieman lisännyt kontrastia näihin kahteen kuvaan, jotta kuplien tummat ääriviivat tulisivat paremmin näkyviin.
Kun kuplia ei ole enää vain yhtä kerrosta veden pinnalla, niin niiden ympärillä ei ole enää vaaleaa kehää. Tämä todistaa minun kehähypoteesini puolesta.
14.12.2014
Vaahdon optisia ominaisuuksia on tutkittu paljonkin. Ei niinkään siksi, että miksi vaahto on valkoista, vaan siksi, että valon käyttäytymisestä vaahdossa saadaan tietoa vaahdon ominaisuuksista. Hakusanoilla light ja foam googlettamalla löytää runsaasti artikkeita.
Artikkelit eivät ole kaikkein kansantajuisimpia sisältäen mm. kohtuullisen runsaasti ns. korkeampaa matematiikkaa. Niiden perusteella minusta näyttäisi kuitenkin olevan niin, että keskeisin syy vaahdon valkoisuuteen on valon moninkertaiset heijastumiset kuplien sisällä. Myös sirontaa esiintyy, etenkin valon mennessä kuplan kalvon lävitse. Valohan siroaa vedessä.
Joten Hesarin vastaus ei siis ollutkaan niin pielessä kuin jo kerkisin sen lyttäämään. Ainoa selkeä virhe siinä on maininta taittumisesta. Sen rooli ei ole merkittävä.
Minun hypoteesini olivat samalla monelta osin virheelliset, ainakaan niiden merkitys on ole oleellista. Onko ilmiön mekanismi siis selvillä minulle? Valitettavasti ei. Moni yksityiskohta vaatisi vielä selvitystä. Löytyykö niiden selvittämiseen enää intoa, onkin jo toinen asia.
Lähikuva muutaman kuplan rykelmästä veden pinnalla. Toisissaan kiinni olevien kuplien yhtymäkohtaan on keskittynyt valoa. Miksi? Miksi kuplien sisällä kimpoileva valo yläpäänsä tulee ulos vain kuplan reunasta? Miten kuplan "varjopuolen" musta rantu oikein syntyy? Kysymyksiä riittää, hyvistä vastauksista on pulaa.
14.12.2014 vähän myöhemmin
Asiaa vielä vähän pähkäiltyäni palaan kuitenkin makrotason yksinkertaiseen selitykseen. Kuplien,varsinkin isojen kuplien reunojen valkoisuus ei voi johtua muusta kuin tavallisesta heijastuksesta. Minun käyttämälläni valolla on kuitenkin suunta. Jos valoilmiö reunoissa syntyisi satunnaisesti kuplien sisällä poukkoulevista valonsäteistä, niin se ei voisi olla niin selkeästi valon suunnassa kuplien reunassa.
Kuten Sakarin kuva osoittaa, niin varsinkin isot kuplat ovat lititstyneitä. Tällöin kuplan kaarevuussäde on reunassa paljon pienempi kuin keskellä. Pieni kaarevuussäde saa aikaan sen, että tässä kohtaa jokin osa kuplaa on sopivassa kulmassa katsojaan nähden siten, että valoa heijastuu katsojaa kohti.
Tähän olen toistaiseksi tyytyväinen. Vaikka jo välillä annoin "synninpäästön" Hesarissa olleelle selitykselle, niin otan sen takaisin. Vaahdon valkoisuus johtuu siis heijastuksista kuplien pienisäteisistä pinnoista ja kuplia yhdistävistä "särmistä".
Kaikkien virhelähteiden äiti? Tämän artikelin vuodelta 1991, joka käsittelee vaahdon valon läpäisyä mitatattaessa se läpitulevasta valosta, ingressin sivulauseessa sanotaan moninkertaisen sironnon antavan vaahdoille niiden tutun valkoisen värin. Lause on ei pidä paikkaansa ja läpitulevassa valossa se ei edes säilytä ilmiötä. Läpitulevassa valossahan vaahto on tummaa. Sitä paitsi vaahdon väri on yllä olevan tutkimuksen valossa täysin epäolennaista.
Näkökulmakysymys. Vaahtoa lasissa myötä- ja vastavalossa.
Osoituksena tieteellisen tekstin psykologisesta voimasta minäkin harhauduin tämän artikkelin viekoittelemana hetkeksi aivan väärille jäljille.
Olen jättänyt koko ketjun paikoilleen. Siitä käy ilmi, millaista hapuilua tieteellinen tutkimus yleensä on. Välillä ollaan ihan metsässä, kunnes lopulta oikea selitys tuntuu löytyneen. Sitten ollan vähän aikaa tyytyväisiä, kunnes joku (usein tutkija itse) kumoaa sen.
48 kommenttia:
"Vaahdon valkoisuus johtuu siitä, että vaahdon läpi kulkeutuva valo taittuu pienten ilmakuplien pinnoista ja kimpoilee joka suuntaan."
Mietin, miten voisi antaa enemmän pielessä olevan ja vähemmän itse asiaa kuvaavan selityksen. Ei tullut ihan heti mitään mieleen.
Hieno tutkimus. Itsekin tänään käsiä pestessäni ihmettelin juuri noita reunoja ja niiden valkoisuutta ja niistä se vaahdon väri varmasti johtuu. Selitystä en kuitenkaan keksinyt, joten kiitos tästä.
Kehuakin saa, kyllä se just ja just kestetään. ;-)
Jotta suhteellisuus säilyisi, niin kyllä minullakin ovat fysikaalisten ilmiöiden selitykset monesti olleet ja varmaan tulevat vielä olemaankin aika hukassa. Kuitenkin ilman Veli-Matti Ikävalkon selitystä tämäkin tutkimus olisi jäänyt minulta tekemättä ja minun tekeleeni saattaa innoittaa jonkun tekemään vielä paremman teorian. Näin tiede toimii. Se on prosessi, joka etenee ottaen väliin askelia eteen- ja taaksepäin, mutta suurin aika menee ihan paikallaan tarpomiseen.
Kaiken kehittymisen ehto on uskaltaa tehdä, vaikka voi olla ihan väärässä. Tietenkin myös ymmärrys havaita olleensa väärässä, kun todisteet ovat riittävän vankat.
Miten on mahdollista tehdä juttu, jossa ei mainita Guggenheimia, ei pakkoruotsia eikä piikitellä uskovaisille?
Onhan se mahdollista, joskaan ei välttämättä helppoa. ;-)
Poikkitiedettä parhaimmillaan.
Asiantuntija on henkilö, joka osaa googlata englanniksi. Googlauksen tuloksen järkevyyden arvioiminen ei kuulu enää asiantuntíjan toimekuvaan.
http://www.scholarshipsinindia.com/answer/soap_different_colours.html
Lather or foam is nothing but a large collection of small soap bubbles. A soap bubble is , in turn, a very thin film of soap solution enclosing some air. Because of the low surface tension of soap solution, the film can stretch and spread and form innumerable bubbles with a very large total surface area.
Due to this, whatever slight tint is present in the thin film of the coloured soap solution gets subdued. Although a soap film is more or less transparent, the lather or foam looks white because the light striking this large collection of bubbles gets scattered. That is the reason why all kinds of lather or foam appear white.
Kirjoitit "Se tulee niistä valosäteistä, jotka ohittavat kuplan lähes hipaisten ja kasautuvat aivan kuplan muuten tummana näkyvän reunan ulkopuolelle".
En ymmärrä. Miten valonsäteet kasautuvat tai mitä sillä tarkoitat?
Olenko ymmärtänyt oikein että ajatus tummista reunoista, kun valo tulee alhaalta, johtuu siitä että valo heijastuu takaisin kuten olet piirtänyt. Onko veden pinnalla näkyvä kupla myös alhaalta päin katsottuna kuplan muotoinen (pyöreä pallo)?
Arvoisa Anonymous, kun kerran otit asian esille, vastaan omalta osaltani:
Minua hämmästyttää suuresti se, että vaikka tiede osaa vakuuttavasti ja yhä uudelleen toistettavasti selittää sekä "kovan" tieteen että yhteiskunnallisten tieteiden ilmiöt, samanaikaisesti on oleva suuri vaikka vähenevä määrä ihmisiä, jotka perustavat elämänsä uskontojen varaan. Valitettavasti mikään ei tue jumaluuksien olemassaoloa. Vastoin luomiskertomusta ihmislaji on pitkän kehityksen tulos muinaisista alkeellisista eliöistä. Siitä on olemassa aukoton todistusketju.
Valitettavaa on, että nämä uskonnolliset piirit pyrkivät sanelemaan muille, miten pitää elää. Kirjoitan asiasta, koska oma kotikasvatukseni oli tosielämälle vieraaseen perustuvaa harhaa. Sen vallassa oli ikävä elää ja kasvaa.
Minusta on aivan oikein, että meillä on vapaita keskustelukanavia, joissa sana on vapaa mutta perusteluiden kera. Ilman yhteiskunnallista keskustelua populistit ja hörhöt vallanpitäjät saattavat tehdä harkitsemattomia valintoja meidän kaikkien rahoilla. Poikkitieteilijä on yksi näistä monista herättelijöistä. Tarvitsemme iltapäivälehtien viihde- ja sensaatiouutisten rinnalle vakavaa keskustelua.
Hypoteesi kuten piiroksetkin taitavat kusta siinä, että kupla ei ole pallonmuotoinen; lähinnä puolipallo, ja reunat kaartuvat rajalla ulospäin. Pallon muodolla ja säteiden kululla siinä ei juttu ole perusteltavissa.
Sen vaatimuksen selitys toki täyttää, että ilmiö säilyy.
Kaavakuva on usein yksinkertaistettu. Kuten yllä olevan jatkosta näkyy, niin varsinkin isoimmat kuplat ovat kaukana pallosta. Pienet kuplat sen sijaan ovat hyvinkin pallomaisia. Ihan samasta syystä kuin pienet pisarat ovat palloja pudotessaankin. Pintajännitys puristaa ne pienimpään tilavuuteen, eli palloksi.
Pallous ei ole tässä olennaista, vaan se, miten valo käyttäytyy tullessaan vinosti kuplan kylkeen. Sen suhteen en luovu hypoteesistani, ellei joku esitä parempaa.
Katso 13.12. kirjoitettua tekstiä. Olen tarkentanut nimenomaan tätä kohtaa.
Niin. Jos selitys on höpö höpöä ulkomaan kielellä, niin ei se vähemmän höpö höpöksi muutu suomeksi kirjoittamalla.
Noin intuivitiivisesti sanoisin, että.... hypoteesi joutuu koetukselle. Siinä on kokonaan unohtunut se seikka, että kupla on kalvoa. Kuplan pintojen väliin päässyt valo etenee siellä kuin valokuidussa, josta seuraa se, että sinne reunakohtaan kasautuu valoa, joka sitten käyttäytyy niin kuin käyttäytyy. Reunan kirkkaus (suuri valomäärä) selittyy osin sillä, että keskemmälle pisaraa osuvaa valoa "kasautuu" reunoille.
Ylläolevissa kuvissahan sen enempää ylhäältä kuin alhaaltakaan tuleva valo ei taida olla erityisen suunnattua, enempi hajavalon tyyppistä pehmeää valoa.
Valo tosiaan etenisi kalvon sisällä kuin valokuidussa, jos se vain pääsisi kalvon sisään kimpoilemaan niin suuressa kulmassa, että kokonaisheijastuisi kalvon seinämistä. Kalvo on niin ohutta, valon aallonpituuden suuruusluokkaa (muuten ei syntyisi interferenssin värejä, joita näissäkin kuvissa on nähtävissä). Tämä huomioiden voidaan kalvon pintoja pitää tässä yhdensuuntaisina tasoina. Jotta valo voisi kokonaisheijastua sisäpinnasta ja edelleen ulkopinnasta, niin sen täytyy osua sisäpintaan vähintään 48,8 asteen kulmassa. Snellin lain avulla saadaan tällöin tulokulmaksi ulkopintaan 90 astetta. Saman voi toki todeta päättelemälläkin. Valoa ei saada valokaapeliin kaapelin sivusta, vaan kaapelin päästä. Kalvon on tässä asiassa auttamattomasti suljettu.
"Reunan kirkkaus (suuri valomäärä) selittyy osin sillä, että keskemmälle pisaraa osuvaa valoa 'kasautuu' reunoille."
Olisi mukavaa tietää vähän enemmän siitä mekanismista, jossa keskemmälle pisaraa osuva valo "kasautuu" reunoille. Edelleen perustelen tätäkin kalvon ohuudella. Kalvon lävitse menevä valo ei juuri muuta suuntaansa, vaan siinä tapahtuu lähinnä yhdensuuntaisiirto.
"Yllä olevissa kuvissahan sen enempää ylhäältä kuin alhaaltakaan tuleva valo ei taida olla erityisen suunnattua, enempi hajavalon tyyppistä pehmeää valoa."
Kokeilin tätäkin. Ohuessa vaahdossa valkoisuus vähenee, vähänkin paksummassa säilyy. Kiiltoja pistemäisen valolähteen tapauksessa tulee enemmän, mikä on varsin odotettu tulos.
Olen avoin uusille hyville, mieluiten perustelluille hypoteeseille. Niitä odotellessa pysyn näissä korteissa.
Ihan hauska keskustelu. Pieniä reunahuomautuksia:
Keskustelussa on käytetty ilmiöitä esittäviä peruskäsitteitä vähä vapaanlaisesti – osoittelematta ketään erityisesti.
Heijastuminen ja taittuminen ovat "makroilmiöitä", jotka tapahtuvat aineiden rajapinnoissa (tai rajapinnoista), Rajapinta sinänsä on makrokäsite, ja johtaa myös ilmiöiden makroskooppisiin primaariselityksiin.
Väliaineessa kulkeva valo siroaa ja absorboituu. Se voi myös herättää emission, jota sanotaan fluoresenssiksi, jos se on välitöntä, ja fosforesenssiksi, jos se on viivästynyttä. Sironta, absorptio ja emissio ovat havaittavina ilmiöinä myös täysin makroskooppisia, mutta niiden selitykset palautuvat atomitasolle.
Kuplissa näkyvät värit eivät ole spektrin värejä, joiden valolla on tietty aallonpituus. Nehän eivät johdu taittumisesta, jossa dispersiota eli väreihin hajoamista tapahtuu vaan interferenssistä ohuessa kalvossa, jolloin kunkin värin spektri on karkeasti tarkasteltuna sama kuin saapuvan valon spektri vähennettynä sillä aallonpituudella, joka säteen suunnan ja kalvon paksuuden perusteella joutuu sammuttavan interferenssin kohteeksi.
terveisin Kaarle
Oikeakikielisyyden poluilla yritetään pysyä, mutta kuten vanhalla juopolla askel saattaa joskus horjahtaa. Saa taluttaa takaisin polulle, jos havaitsee horjahduksen. Kaarlen oppilaana olen oppinut, että ajatuksen kirkkautta sumentaa pahasti käsitteiden epämääräisyys. Tietenkään oikeat termit oikeassa paikassa ei vielä johda syvempään ymmärrykseen, mutta niiden puute on lähes ylittämätön este.
No, laskelmista riippumatta valo kummiskin kulkee kuvailemallani tavalla. Puhalsin veteen yhden kuplan, suuntasin siihen kameran objektiivin vierestä lasersosoittimen säteen about keskelle: voilá, kuplan reunoille ilmestyy valorengas.
Selitys ilmiö säilyttäen, jos valo ei kulje kalvossa?
http://sakari.1g.fi/kuvat/_FSK7955.jpg
Edellä kuvatun hypoteesin mukaan valon pitäisi kulkea kuplan läpi suoraan ja mutkittelematta... ;)
JOS nyt oletetaan, että se kalvo on sittenkin sen verran paksua, että valo mahtuu sisään, niin villi mielikuvitukseni keksii helposti, miten OSA valoenergiasta heijastelee kalvon sisällä ja kulkeutuu reunalle, missä sitten pinnan kaareutuminen on toisenmoista.
Kuva on piirretty vain periaatteen esittelyksi, eikä ole missään mittakaavoissa:
http://sakari.1g.fi/kuvat/_FSK7957.jpg
Tämä kalvon sisäinen heijastusteoria ei kyllä säilytä ilmiötä, koska ilmiö ei ole mitenkään veden pinnasta riippuvainen. Olen satavarma, että se ei ole ratkaisun avain.
Sen sijaan mahdollisuus, että kuplan sisään päässeet valonsäteet heijastuvat kuplan takapinnasta siten, että ne kasautuvat kuplan laitamille, on jo ihan eri luokan hypoteesi. Se säilyttää havaitut ilmiöt ihan eri lailla. Tutkin asiaa tarkemmin ja palataan tähän sitten. Pysykää kanavalla.
Laserkuvan koejärjestelystä olisi mukava saada vähän parempi kuva. Tieteen perusjuttuihin kun kuuluu se, että kokeen pitää olla toistettavissa. Nyt koejärjestely ei kuvan perusteella oikein aukene minulle.
K.o. koehan on keittiöfysiikkaa puhtaimmillaan. Koevälineenä kahvinkeittimen kannu... Kuva on suoraan ylhäältä, laserosoitin objektiivin vieressä. Voin ottaa lisäkuvia, kunpahan kahvit on juotu.... :)
(Tämä koejärjestely kuuluu niihin "kokeile tätä kotona"-juttuihin.)
Nyt en oikein ymmärrä tuota "ilmiö ei ole mitenkään veden pinnasta riippuvainen"-lausetta? Valokehähän ilmenee nimenomaan kuplan ja veden (tai toisen kuplan) liitoskohdassa.
Kannu vapautui varsinaisesta käyttötarkoituksestaan. Kuvitusta tulevaan ohjekirjaan "Keittiöfyysikon opas luoviin koejärjestelyihin":
http://sakari.1g.fi/kuvat/_FSK7959.jpg
Ja niin.... riippumatta siitä, mikä on säteen kulku ja selitys sille, että myös keskelle kuplaa osuva valonsäde synnyttää kuplan liitoskohtaan kirkkaan valon renkaan, niin sinun hypoteesisi koetulos romuttaa.... :)
- Niin se tiede etenee.
Kehittelin hiukan koejärjestelyjä, ja korvasin kahvinkeittimen kannun Ilvestölkillä. Suoran seinän läpi on helpompi kuvata. Näin sain kuvia kuplasta altapäin ja sivulta.
Ensimmäinen havainto: yllä olevat piirroksen kuplasta "kuopassa" ovat varsin harhaanjohtavia. Pintakalvohan ei tee mitään kulmia tai äkkimutkia. Kuplaa ympäröi "vallihauta", joka on jonkinmoinen syvennys pinnan kalvossa, mutta mittasuhteiltaan aika iso kuplan kokoon nähden, uran pohja on aika etäällä kuplasta.
http://sakari.1g.fi/kuvat/1-_FSK7970.jpg
Kuplan muoto on pienillä kuplilla aika tarkkaan pallo, kuten Timo edellä totesikin. Isommat ovat sitten lähempänä tasokuperan linssin muotoa.
http://sakari.1g.fi/kuvat/1-_FSK7964.jpg
Seuraavaksi sitten säteen kulun tutkiminen taitaa edellyttää maitotippaa veteen ja savua ylle.... :)
(On kyllä helppo uskoa, että tuo "vallihauta" toimii heijastimen urana Timon yllä kertomaan tapaan, vaikka säteen kulku hieman erilainen olisikin. Sikäli siis hypoteesi toimiin.)
Viimeinen päivitys osoittaa, että valon käyttäyminen vaahdossa on selvästi monimutkaisempaa kuin alunperin kuvittelin. Kysymyksiä jää avoimiksi, mutta nyt jätän tämän teeman ainakin toistaiseksi hautumaan. Hyviä selityksiä ja kuvia otetaan kuitenkin vastaan.
Tunnustaako poikkitieteilijä olleensa väärässä? Ennenkuulumatonta.
Itse asiassa, omien jatkotutkimuksieni valossa (nimenomaan...) olen päätymässä lähemmäs Timon alkuperäistä hypoteesia. Lisäsin veteen maitoa säteen kulun selvittämiseksi, ja saattaapa olla, että kuvaamani (ja kuvailemani) valorengas syntyykin kuvana kuplan alla olevasta valosta. Kun lisäsin maitoa niin paljon, että säde ei enää heijastunut purkin pohjasta, en enää saanut k.o. rengasta näkyviin. Kyseessä saattaa siis olla kuva purkin pohjaan osuneesta valotäplästä, eikä niinkään kuplan sisällä muodostuneesta valoilmiöstä.
Asia vaatii vielä jatkotutkimuksia (musta mattamateriaali purkin pohjalla jne.), mutta toistaiseksi olisin Timon hypoteesin kannalla, noin periaatteessa ja pienin täsmennyksin. Se pieni täsmennys on siinä, että vaahto ja kuplat ovat useimmiten heijastavalla taustalla, ja sillä taustan kuvautumisella kaarevissa pinnoissa on iso osuus.
Jopa poikkitiede etsii asioiden todellista laitaa. Jankkaava oman totuuden julistaminen sopii uskovaisille. Omasta mielestäni minulla ei ole koskaan ollut mitään vaikeuksia luopua jostain näkemyksestäni, jos vastaevidenssi on riittävän vahvaa. Näin ainakin tieteellisten teorioiden kohdalla.
Olen kääntänyt kelkkani ja takkini tämän pienen tutkimuksen aikana niin monta kertaa, että menen jo laskuissa sekaisin. Viimeisen selitys kuitenkin päätee, kunnes se kumotaan.
Alkuperäinen kysymys oli siis Hesarin lasten tiedekysymyksissä. Lopullinen vastaus, jos sitä löytyy, taitaa olla aika monen lapsen ymmärryksen ulkopuolella. Aiheena sinänsä mielenkiintoinen mutta jos tarkoitus on selittää asia lapsille niin......-Tauno Räsänen
Näin varmaan on. Minä olisin vastannut jotenkin näin.
Miksi vaahto on valkoista?
Vaahdon valkoisuus johtuu siitä, että valo heijastuu monesta kohtaa vaahdon pinnoista. Heijastuminen on ilmiö, jossa kohteesta heijastunut valo on saman väristä kuin kohteeseen osuva valo. Punaisessa valossa vaahto näyttää punaiselta, sinisessä taas siniseltä.
Mitä pienemmintä kuplista vaahto on muodostunut, sitä valkoisemmalta se näyttää. Mitä pienempiä kuplat ovat, sitä enemmän vaahdossa on heijastavaa pintaa suhteessa valoa läpäisevään pintaan. Oikein isokuplainen vaahto ei ole valkoista, vaan läpinäkyvää.
Jos vastauksen antaminen Hesarin lastenkysymyksiin vaatii tällaisen väännön, niin varmaan pakkiotkin ovat samaa suurusluokkaa?
Juuri näin! Hyvä esimerkki tieteen ilmiöiden selittämisestä kansantajuisesti - tuon ymmärtää lapset ja minä. Nyt kun Guggenheim, uskonto ja pakkoruotsi puuttuvat tästä artikkelista niin - Guggenheimin taru puhkeaa kuin kupla, kuplat eivät ole valkoisia siksi että Jumala on ne sellaiseksi luonut, och samma på svenska! -Tauno Räsänen
Voisi lisätä vielä, että isokuplainen vaahto voi olla myös osin värikästä, kuten ylin kuva osoittaa.
Tästähän tuli oikein havaintoesitys tieteen tekemisestä: hypoteesi, testaus, korjaus, harha-askel, korjaus - toistaiseksi voimassa oleva selitys. - Kunnes muuta ilmenee.
Näinhän se laajemmissakin ympyröissä toimii.
Artikkelit siroamisesta johdattivat minua harhaan, kuten myös Hesariin vastannutta Ikävalkoa. Kyseessä oli kuitenkin vaahdon lävitse kulkeneen valon analysointi. Sen perusteella saadaan tietoa vaahdon ominsisuuksista.
Olen aika vakuuttunut siitä, että nykyinen hypoteesini on pääpiirtessään oikeassa kuvaillessaan valon käyttäytymistä kuplissa vaahdon valkoisuuden selittäjänä. Ainakin se säilyttää ilmiön.
Nämä kai rinnastetaan haastatteluihin. Ei näistä pikku jutuista ainakaan minulle mitään korvauksia ole maksettu. En ainakaan muista mitään maksetun, tosin siitä on jo aikaa, kun viimeksi Hesariin näitä silloin tällöin väsäilin. Ne ovat vähän kuin virjatyönä tehtyjä.
Hauska juttu. Poikkitieteilijä ei ota itseään liian vakavasti, mikä näissä piireissä ei ole aivan tavallista.
Onpahan vaahdottu vaahdosta. Vielä yksi ihmettely: Alkuperäisessä vastauksessa ”valo kimpoilee”. Kukaan ei kiinnittänyt siihen huomiota. Minua tämä sanonta häiritsee kovasti. Se mielestäni vahvistaa popularisointifysiikkaan pysyvästi pesiytynyttä harhakuvaa fotonista jatkuvasti olemassa olevana hiukkasena. Tämä käsitys pitäisi kyllä jo pystyä jättämään sadan vuoden takaiseen haudanlepoonsa.
Kiitoksia vaan teille kaikille!
Miten enään ikinä pystyn juomaan Guinnessia ilman että alkaisin pohtimaan sen pienikuplaisen vaahdon valkoisuutta. Ja niin paljon kun olen laittanut rahaa siihen että olen lopulta alkanut pitämään kyseisestä vaahtojuomasta...
Jotenkin tulee mieleen männä vuosien suosikkisarja televisiossa. Soap suomeksi Kupla.
Ilmeisesti kemian laitokselta ei ole löytynyt halukasta ja aihepiiriin perehtynyttä asiantuntijaa, joten kysymykseen on vastannut koordinaattori, jota ei haittaa, jos selitys on vain sinne päin tai jopa väärään suuntaan. Asiantuntija ei varmaan haksahtaisi sirontaan mutta ei hänkään välttämättä hoksaisi, että heijastuminen tapahtuu kahden kuplan välillä niin kuin vakuuttavasti esität. Kiitos sinulle aiheeseen paneutumisesta!
Oletko muuten lähettänyt minulle taannoin lupaamasi kirjan, vai joko painos ehti loppua? Tuli vain nyt mieleen, kun pitkästä aikaa taas eksyin blogiisi.
On varmaan unohtunut. On myös painos loppunut. Laita osoite meiliin, niin laitan jonkin korvaavan tekemäni opuksen.
Lähetä kommentti