Vesitornado

Tiedekeskus Heurekan Klassikot näyttelyyn on kesällä tulossa muutama uusi kohde. Yksi niistä on työnimeltään "Vesitornado". Kävin Heurekan pajalla vähän kurkkimassa sitä, kun sen fysiikka tuntui minusta kovasti kiehtovalta.

Laite on noin 1½ metriä pitkä ja 25 cm läpimitaltaan oleva pyöreä läpinäkyvä muoviputki. Sen sisällä on metrin verran vettä ja sitä pyörittää pohjassa oleva pystylapainen potkuri. Potkurin pyöriessä vesi kiertää putkessa ja muodostaa keskelle syvän suppilomaisen pyörteen. Sitä syvemmän, mitä kovempaa potkurit pyörivät. Jos pyörivään veteen pudotetaan pingispallo, niin se uppoaa ja jää pyörimään keskelle putkea jonnekin pohjan ja pyörteen kärjen väliin. Kuvassa oleva esine ei siis ole kananmuna, vaan pyöreä pingispallo. Sen litistyminen ei johdu pyörimisestä kuten maapallolla, vaan se pyöreän putken ja veden aikaansaama optinen ilmiö.

Itse pyörrekin on siinä mielessä optinen ilmiö, että se näkyy parhaiten katsojaan nähden sivuistaan. Valo tulee  tällöin takaa veden ja ilman rajapintaan kulmassa, jossa tapahtuu kokonaisheijatuminen.

Koitan ensiksi selvittää, miksi pyörre syntyy ja miksi se on niin jyrkkä, suunnilleen porkkanan muotoinen aivan yläosaa lukuunottamatta. Kun vesi on paikoillaan, niin sen pinta on vaakasuorassa. Paine veden pinnassa aiheutuu päällä olevan ilmakehän paineesta.

Kun vesi alkaa kiertää putkessa, niin tilanne muuttuu. Alla olevassa hidastetussa videossa näkyvästä roskasta käy ilmi, miten vesi virtaa putkessa potkurin pyöriessä. Roska nousee ensin laitoja kiertäen ylöspäin, mutta joutuu sitten keskemmällä alaspäin menevään virtaukseen, jolloin sen nopeus kasvaa voimakkaasti. Vesi siis "porautuu" keskeltä alaspäin vasenkätisen ruuvin suuntaan pyörien ja nousee vastaavasti ylös reunoja pitkin.

On helppoa ymmärtää, että vesi liikkuu nopeiten alhaalla potkurin lapojen vieressä ja nopeus pienenee kitkasta johtuen sitä enemmän, mitä kauempana potkurista ollaan. Siis vaakasuorassa suunnassa veden vaakasuora nopeus on pienempi reunoilla kuin keskellä ja pystysuorassa suunnassa pienempi ylhäällä kuin alhaalla.  

Virtaavan veden paineradientti virtausta vasten kohtisuoraan on sitä pienempi, mitä suurempi on virtausnopeus. Tähän ilmiöön perustuu muun muassa ns. Venturi putki, jotka voidaan käyttää imupumppuna. 

Koska veden painegradientti virtausta vastaan kohtisuorassa suunnassa pienenee virtausnopeuden kasvaessa, alkaa ilmanpaine työntää vettä kuopalle putken keskeltä, missä virtausnopeus on suurin. Kuopan reunojen syvyys asettuu sille korkeudelle, jossa veden virtauksesta johtuva painegradientin aleneminen ja syvyyden kasvusta johtuva hydrostaattisen paineen kasvu kumoavat toisensa. Mitä vinhemmin vesi pyörii putkessa, sitä syvemmälle veteen  pyörteen pinta porautuu. 

Pyörteen pinnassa paine on sama kuin ilmanpaine p(0). Olen tässä lähtenyt siitä, että ihan putken reunassa veden nopeus on niin piene, että se on katsottu nollaksi. Silloin paineeseen veden pinnalla ei tule syvyydestä eikä nopeudesta johtuvaa termiä.

Hydrostaattinen paine kasvaa suhteessa syvyteen h veden pinnasta mitaten, mutta kun paineen laskun termi ½ x roo x v^2 kasvaa suhteessa nopeuden v neliöön ja nopeus taas lisääntyy sekä keskemmälle että alaspäin mentäessä, niin pyörteestä tulee hyvin jyrkkä veden pyöriessä nopeasti.

Myös toinen putkessa esitettävä ilmiö on selitettävissä erilaisten virtausnopeuksien avulla. Kun pingispallo pudotetaan putkeen ja vesi laitetaan kiertämään, niin pallo tempautuu pyörteeseen ja lopulta jää pyörimään pyörteen alapuolelle keskelle putkea. Alla olevasta videosta näkee ilmiön ja lopussa vielä ratkaiseva kohta hidastettuna.


Kun pallo jää paikoilleen tietylle korkeudelle vedessä, niin silloin paine-eron pallon ylä- ja alapinnan välillä kumota veden keveään palloon aiheuttaman nosteen. Tämä taas syntyy siitä, että vesi pyörii tässä systeemissä sitä nopeammin, mitä syvemmällä ja lähempänä potkuria se on.

Keskellä putkea pallo pysyy taas siitä syystä, että vesi kiertää keskellä nopeammin kuin reunoilla, mikä paineen vaakasuorassa suunnassa pienenemään kohti keskustaa.

Voimakuvioiden rakastajille kaavakuva paikallaan pysyvään palloon vaikuttavat voimat.
G = pallon paino
N = palloon kohdistuva noste
F = pallon ylä- ja alapuolen välisestä virtanopeuksien paine-erosta aiheutuva alaspäin suuntautuva voima.
H = putken reunan ja keskustan välisestä virtausnopeudesta aiheutuva, keskelle putkea suuntautuva voima.

Muitakin vaikuttavia tekijöitä varmaan on. Hydrodynamiikka on aika monimutkaista ja matemaattisestikin hankalaa etenkin virtauksen muuttuessa laminaarisesta pyörteiseksi. Kuinka paljon pingispalloon vaikuttaa esimerkiksi tämä pystysuora kiertovirtaus tai pallon oma pyöriminen? En osaa sanoa, en edes arvata. Virtausfysiikasta paremmin perillä olevilla Aalto yliopiston tupsulakeilla olevilla olisi nyt nokittamisen paikka.

Värivalot ja liukas lattia

Heurekan värivalot-kohteessa on näkyvissä kaikki RGB- ja CMY-värijärjestelmien päävärit ja sen lisäksi valkoinen ja musta.

Kun fysiikan laudaturtyöni aihe aikoinaan oli "Värinominaisuuksia hahmottava kokeellisuus",  niin Heurekan klassikoihin joitakin aikoja sitten uusittuna ilmestynyt kohde värivalot tietysti tuntui jotenkin läheiseltä. Kohteessa havainnollistetaan lisäävän ja vähentävän värijärjestelmän perusperiaatteita.

Kun kaikilla ei ole halua ja tarvetta tutkia värien perusteita näin suurisuuntaisilla systeemeillä, niin annan vinkin, jolla homma hoituu kätevästi yhdellä lampulla varsin sopuisalla hinnalla. Erityisesti fysiikan ja kuvaavataiteen opettajien kannattaa olla kuulolla. Monille valokuvaajillekaan pieni väriopin kertaus ei varmaan olisi haitaksi.

Perusvärijärjestelmiähän siis on kaksi. Lisäävä, jonka perusvärit ovat punainen (R), vihreä (G) ja sininen (B). Vähentävän värijärjestelmän perusvärit ovat syaani eli vaalean sininen (C), keltainen (Y) ja magenta eli vaalea violetti (M). Tarinaan kuuluvat lisäksi valkoinen (W) ja musta (K). K siksi, että musta ja sininen alkavat samalla kirjaimella. Musta loppuu koohon.

Värivalot noudattavat seuraavaa matematiikkaa.

R+G = Y

G+B = C

B+R = M

R+G+B = W

Matemaattiset "väriyhtälöt" pätevät yleisten matematiikan sääntöjen mukaan.

W = R+G+B = Y+B = C+R = M+G, jolloin

Y = W-B

C = W-R

M = W-G

ja vastaavasti

B = W-Y

R = W-C

G = W-M

Värijärjestelmien ominaisuuksiin kuuluu vielä se, että kullakin RBG-järjestelmän päävärillä on vastavärinsa CMY-järjestelmän pääväreissä. Se on se väri, jolla kyseinen väri saadaan valkoisesta vähentämällä. Siis vaikka sinisen vastaväri on keltainen.

Värillä ja vastavärillä ei ole juuri fysikaalista taustaa, vaan se on puhtaasti näköaistiin perustuva juttu. Siitä ei kuitenkaan tässä sen enempää.

Kaikkien näiden havainnollistaminen onnistuu fysiikan välineiden hovihankkijani  Clas Ohlsonin väriä vaihtavalla lampulla. Sen sisällä on punainen, vihreä ja sininen led-valo. Niitä yhdistelemällä värioppi onkin yllättävän helppoa. Myös värivalojen kirkkauden suhteen. Kun kahden RGB-järjestelmän päävärin valolla saadaan niiden vastavalo CMY-järjestelmässä, niin onhan vaikka keltaisen valon oltava silloin kirkkaampi kuin sen muodostavan punaisen ja vihreän valon.

Värijärjestelmien periaatteisiin voi tutustua valssin tahdissa tällä videolla, jonka otin Clas Olhsonin lampusta.

ps. Lamppu perhana putosi lattialle ja sen kupu hajosi. Kun sen mekanismi ei hajonnut, niin pääsin katsomaan, mitä se oli syönyt ja miten se toimiin. Kuten arvelinkin, pohjassa oli kolme pientä eri väristä ja tosi kirkasta lediä. Kuvassa on loistavat ledit ja lampun pohja kahdesta eri kuvasta. Valoja makrolla kuvatessa meinasi Canonistakin valotusarvot loppua kesken. Kuvan arvot olivat ISO 100, f 32 ja aika 1/4000 sekuntia.

ps. 23.9.2013

Tähän kohteeseen värivalot  liittyy minua kiinnostava valokuvatekninen yksityskohta. Kameran väritasapainoautomatiikka menee "sekaisin" näistä valoista ja kuvan valkoinen alue piirtyy säännöllisesti enempi vähempi violettina. Se liittyy jotenkin kameran logiikkaan päätellä pikselin väri kennon saaman väri-informaation ja vieresten kennojen väri-informaation yhdistelmänä. Tarkemmin en osaa sanoa, mutta saatanpa tutkia asiaa.

Kun kuvankäsittelyn keinoin määritellään varjoton aluen valkoiseksi ja täsyvarjoinen mustaksi, niin värit kirkastuvat jopa hämmästyttävän puhtaiksi pääväreiksi vastaväreinen.

Mikko Myllykosken omakuva kameran ja kuvankäsittelyn jäljiltä.

Maapallon pyörimisnopeutta mittaamassa

Tieteen - jopa poikkitieteen - näkövinkkelistä asiaa katsottaessa tiedon kerääminen voidaan jakaa karkeasti neljään luokkaan. Havainnointiin,  mittaamiseen, laskemiseen ja tulosten liittämiseen johonkin lokeroon tai yleisempään kontekstiin.. Viime olympialaisia kisoja seuranneet havaitsivat selkeästi television lähetyksestä, että UsainBolt voitti miesten 100 metrin juoksun. Kellolla mitattuna hänen  aikansa oli tarkistuksen jälkeen  9,63 sekuntia, mistä laskemalla saadaan keskinopeudeksi  10,83 m/s eli 37,4 km/h. Sillä vauhdilla lähitielläni juostessaan Bolt ei saisi edes  sakkoja. Nopeusrajoitus kun on 40 km/h. Ei se tieteellisen tiedon kerääminen sen kummempaa ole.

Tiedekeskukset ovat perinteisesti olleet paikkoja, joissa on päässyt ohjatusti monenmoisen tiedon lähteille, mutta yleensä vain havainnoimaan. Mittaaminen ja siihen kiinteästi liittyvä tulosten laskennallinen käsittely ovat pääsääntöisesti loistaneet poissaolollaan. Varsin ymmärrettävää sinänsä, sillä mittaaminen paitsi että on usein aikaa vievää, niin vaatii myös mittausvälineitä. Laskennallisten tulostenkaan  aikaansaaminen ei onnistu tuosta vaan käden käänteessä.Monille jo pelkkä sana matematiikka saa aikaan kylmiä väreitä.

Tiedekeskus Heureka tekee tässä suhteessa pienen syrjähypyn. Kuinka pienen ja kuinka syrjään, siitä minulla ei ole tietoa. Kuitenkin sunnuntaina 30.9.2012 kävijöillä on mahdollisuus tehdä omia mittauksia ja laskelmia Heurekan näyttelykohteissa, lähinnä Heurekan klassikoihin liittyen. Tapahtuma on nimeltään "Mieti ja mittaa". Näitä omia tutkimuksia voi tehdä Heurekasta saatavilla mittaus- ja laskenta välineillä ja kaikki sisältyy pääsylipun hintaan.  Minä kirjoitan tästä mittauskohteiden valitsijan ja mittausten suunnittelijan ominaisuudessa.

Heurekan harvoja alkuperäisiä näyttelykohteita on päänäyttelyn katossa riippuva Foucalt´n heiluri. Sehän tunnetusti todistaa konkreettisesti, että maapallo pyörii. Foucalt´n heiluri antaa tyypillisen kvalitatiivisen havainnon. Tämän havainnon avulla jokainen voi tulla enemmän tai vähemmän vakuuttuneemmaksi maapallon pyörimisestä.  Foucault´n heilurin avulla ei yleensä pyritä saamaan kvantitatiivisia tuloksia. Millä nopeudella heilurin heilahdustaso kääntyy? Mitä siitä voidaan laskea edelleen?

Onko se ylipäänsä mahdollista Heurekan heilurin avulla? Päätin kokeilla.

Foucault´n heilurin heilahdustason näennäisen kiertymisnopeuden maapallon pinnan suhteen, maapallon pyörimisnopeuden akselinsa ympäri ja paikkakunnan leveysasteen välillä on yksinkertainen matemaattinen yhteys. 

Eli Foucault´n heilurin heilahdustason kiertymisnopeus on maapallon pyörimisnopeus kerrottuna leveysasteen sinillä. Siitä on helppo päätellä, että päiväntasaajalla heiluri ei kierry lainkaan ja navoilla se kiertyy samaa  tahtia maapallon pyörimisen kanssa.

Heilurin kiertyminen voidaan mitata trigonometrisesti  peilillä olevien kaatuvien liuskojen avulla.  Kun mitataan heilurin siirtymämatka liuskojen kohdalla ja jaetaan se heilurin pään tekemällä matkalla heilahduksen keskipisteestä liuskoihin, saadaan heilahdustason kiertymiskulma radiaaneissa. Radiaanit ovat tieteessä paljon yleisempi kulmamitta kun asteet. 2π radiaania on 360^o.

Ensiksi mittasin laitimmaisten liuskojen välisen etäisyyden. Se oli noin 3,5 mm.

Pysähtyneen heilurin ja liuskojen välinen etäisyys saadaan mittaamalla. Etäisyyden, kuvassa vihreällä nuolella ja z:lla merkityn, selvittäminen vaati hieman matematiikkaa.  Matkaa kun on aika hankala mitata suoraan astumatta peilille, mikä ei tietenkään ole sallittua.  Siksi tehdään asia vähän mutkan kautta ja mitataan kuvan etäisyydet x ja y.  Haettu heilahdusmatka keskeltä  liuskoille on y-x/2 = 248 cm - 307/2 cm = 94 cm. (Pyöristin alaspäin, kun mittanauha on mitattaessa hieman mutkalla.)

Kaiteen  halkaisija x = 307 cm.

Liuskojen pidempi etäisyys kaiteesta  y = 248 cm.

Kolmas mitattava suure oli aika, joka alkaa siitä, kun ensimmäinen liuska kaatuu heilurin alla ja päättyy siihen, kun viimeiselle 3,5 mm:n päässä olevalle liuskalle käy samoin.   Tulos oli 55sekuntia.

Näistä tuloksista voidaan laskea, vieläkö maapallo pyörii entisellä nopeudellaan, eli kuluuko yhteen kierrokseen aikaa entiset 24 tuntia. Ei kun laskemaan.

Kun laskussa käytetyt radiaanit muutetaan tutummiksi asteiksi, niin tulokseksi saadaan, että maapallo pyörähtäisi vähän yli täyden kierroksen 24 tunnin aikana.  Tulos olisi tietysti tieteellinen sensaatio, jollaista Heurekan johtaja Pelle Persson hieman toivoikin ohi kulkiessaan ja mittaustani kommentoidessaan.

Ehkä on vielä syytä laittaa jäitä hattuun, ennen kuin julkaisen tulokset Physical Review Letterissä. Tutkimusasetelmaan kun liittyy vielä muutamia tarkistettavia yksityiskohtia. Ensinnäkin heiluri itsessään ei heilahtele suoraviivaisesti, vaan lievästi elliptistä rataa. Näin siitäkin huolimatta, että heilurin varren annetaan lopettaa värähtelynsä ennen irti päästämistä.

Kaikki liuskat alkavat myös väristä, kun heiluripallon uloke osuu ensimmäiseen. Näin ei voi olla varma, että viimeinen liuska kaatuu juuri sillä heilahduksella, jolla se olisi kaatunut ilman värinää.

Tulos heitti kuitenkin vain 7,5% tähtitieteen keinoin mitatusta arvosta, joten ei se ihan huono suoritus ollut. Joku voi kysyä, että mitä ideaa on mitata maapallon pyörimisaika, kun se tiedetään ja tulos on aika pielessä ja vielä enemmän epävarma. Samaa voi kysyä vaikka tähtien tiiraajoilta. Luultavasti he vastaisivat kuin minä. On ihan eri asia kokea jokin asia kuin nähdä se vaikka televisiosta. Kun ensimmäistä kertaa näkee Saturnuksen renkaat itse kaukoputkella, niin elämys on paljon voimakkaampi kuin hienoimmallakaan avaruusluotaimen ottamalla kuvalla.

Tämä näkymä kaukoputkella tiirattaessa teki ainakin minuun esimmäistä kertaa vaikutuksen. Saturnushan on ihan oikeasti tuon näköinen.


Maapallon pyörimisnopeuden selvittämistä ja muita mittauksia voi sitten kokeilla 30.9. Heurekassa. Tutkimuksia on montaa eri tasoa, helpoista vähän vaikeampiin. Mittausvälineet on useimmille tuttuja, kuten tässä käytetyt mittanauha ja sekuntikello. Toki hienompiakin löytyy, kuten vaikka lämpösäteilyyn perustuva lämpömittari.

----

Jälkikirjoitus 20.9.2012

Mittasin Heurekan heilurin pituudenkin heilahdusajan perusrteella.  Kuvasin hidastettuna videona kolme täyttä heilahdusta. Näistä keskiarvon laskien sain täyden jakson (heilahdus ja takaisinheilahdus) heuilahdusajaksi 7,45 sekuntia.  Kun heilurin heilahdusajan ja sen varren pituuden välillä on yhteys

 
niin varren pituus l saadaan lausekkeesta.

Tarkkaan ottaen yllä oleva lauseke pätee vain ideaalille matemaattiselle heilurille, mutta tässä tapauksessa reaalinen heiluri on aika lähellä ideaalia. Eli varren massa on paljon pienempi kuin punnuksen massa.

Kun teetin aikoinaan oppilaillani vastaavaa mittausta, niin havaitsin heidän lähes poikkeuksetta käynnistävän kellon heilahduksen äärikohdassa. Siellähän heiluri pysähtyy hetkeksi. Todellisuudessa ajanoton epätarkkuus on tässä kohtaa kaikkein suurin ja pienin se on alimmassa kohdassa, jossa heilurin nopeus on suurin. Videolla käynnistän kellon juuri alimmassa kohdassa. Sekunnin sadasosia ei pidä ihmetellä. Aikalaskuri laskee freimeja, joita toistossa on 25 sekunnissa. Todelliset hidastetun filmin sadasosasekunnit ovat siis ruudussa oleva luku kerrottuna neljällä ja todellinen aika on kokonaisaika jaettuna neljällä. Siis kun ruudussa on lukema 1:29:09, niin se tarkoittaa aikaa 89,36 sekuntia, jolloin yhden jakson aika on 89,39 s /4/3 = 7,45 s.

Ravilta laukalle

Esittelin viime keväänä tuttavalleni Heurekan Klassikoiden näyttelyä. Tuttavani kiinnitti huomiota kohteen Kuvarumpu näyttelytekstiin, jossa kerrottiin valokuvaaja Edvard Muebridgen ratkaisseen vanhan kiistakysymyksen, ovatko laukkaavan hevosen kaikki jalat jossain vaiheessa laukkaa kakki yhtä aikaa ilmassa. Kyseessä kun kuulemma ei ollut laukkaa vaan ravia koskeva kiista.
”Laukka tai ravi, mitä väliä sillä on”, minä vänkäsin vastaan. ”Juoksevasta hevosesta on kummassakin tapauksessa kysymys. ”
”Et taida olla hevosmiehiä?”, tuttavani kysyi. Vaikka olin palvellut asevelvollisuuteni Suomen viimeisessä hevosvetoisessa tykistörykmentissä Niinisalossa, niin myönnettävä oli, etteivät hevoset olleet ihan kärjessä mielenkiintoni kohteista.
”Raveissa laukalle hyppääminen aiheuttaa hylkäämisen. Ei taida tämän tekstin kirjoittajakaan olla hevosmiehiä tai –naisia! Kenellekään laukkaavaa hevosta vähänkin tarkemmin katsoneelle ei voi olla epäselvää, että kaikki hevosen neljä jalkaa ovat laukan jossain vaiheessa ilmassa.



Ravaavan hevosen kaikkien jalkojen yhtäaikaista ilmassa oloa on vaikea selvittää jopa hidastetusta filmistä. Pysäyttämällä filmin sopivaan kohtaan arvoitus ratkeaa varsin kivuttomasi.



Näinhän se on. Kuitenkin kun tiedän, miten asiantuntevin voimin ja huolellisesti usean henkilön tarkistamina näyttelytekstit syntyvät Heurekassa, niin en voinut olla aprikoimatta tämän sinänsä pienen mutta harmillisen lipsahduksen alkuperää.
Väärien tietojen jäljet johtavat kiusallisen usein samaan sylttytehtaaseen. Sen sylttytehtaan nimi on Wikipedia.
Täällä Wikipedia tietää että ”Vuonna 1872 Muybridge ratkaisi aikalaisiaan kovasti vaivanneen kysymyksen, irtosivatko kaikki hevosen neljä jalkaa maasta laukan aikana. Kalifornian kuvernööri Leland Stanford oli jalkojen irtoamisen kannalla ja palkkasi Muybridgen todistamaan väitteensä. Muybridge käytti sähköistä laukaisinta ja 24 kameraa ja sai aikaan kuvasarjan joka todisti väitteen oikeaksi.”
Olisiko virhe suomenkieliseen Wikipedian artikkeliin voinut tulla käännöksessä. Vilkaisu englanninkieliseen artikkeliin ei viittaa tähän, sillä sielläkin puhutaan laukkavasta hevosesta ” whether all four of a horse's hooves are off the ground at the same time during a gallop”.

Pakko oli tarkistaa asia vielä ruotsinkielisestä versiostakin: "Vadet gällde huruvida om en häst vid något tillfälle släpper alla hovarna från marken eller ej när den galopperar."

Alan jo epäillä tuttavani olevan väärässä. Onneksi on tullut opiskeltua sivistyskieliäkin. Wikipedian saksankielinen artikkeli Muybridgesta kertoo jo selvästi, mistä on kyse. ”1872 wurde er von Leland Stanford (Eisenbahn-Tycoon und kalifornischer Gouverneur) engagiert, um die exakte Beinstellung eines trabenden Pferdes zu bestimmen.”
Der trabende Pferde, eli ravaava hevonen. Muybridgen ottamista kuvista tehty animaatio tosin esittää laukkaavaa hevosta saksankielisillä Wikipedian sivuilla.
Encyclopedia Britannicaan nyt ainakin voi luottaa. Siellä sanotaan selvästi, että vedonlyönnin kohteena oli ravaavan hevosen jalkojen yhtäaikainen ilmassa olo.


Muybridgen kuuluisa kuvasarja ravaavasta hevosesta, nimeltään Occident eli Länsimaat. Minulle on aina jäänyt vähän epäselväksi, minkä kuvan perusteella ravaavan hevosen kaikkien jalkojen pääteltiin olevan jossain vaiheessa olevan yhtä aikaa ilmassa.


Ehkä uskotaan jo, että kyseessä oli ravaava, ei laukkaava hevonen. Muybridge kuvasi muitakin liikkuvia kohteita kamerasysteemillään, joka koostui useista kameroista. (Näitä on mm. Youtubessa ja edellä mainituissa Wikipedian artikkelissa.) Kun kuvat näytettiin peräjälkeen saatiin liikkeen tuntu kuten ainakin vanhempien palstan seuraajien hyvin muistavilla pläräyslehtisillä.



Näin saatiin jo 1800-luvulla elokuvia mm. naisen, biisonin ja norsun kävelystä. Norsu on tiettävästi ainoa nisäkäs, joka ei saa kaikkia jalkojaan yhtä aikaa ilmaan.

Muybridgen oma elämäntarina oli vähintäänkin yhtä dramaattinen kuin hänen tekemänsä ensimmäiset liikkeen tallentavat "elokuvat". Täällä lyhyt video Muybridgen elämästä. Tosin siinäkin puhutaan virheellisesti laukasta, vaikka kuvausjärjestelyä esittävässä kaavakuvassa on ravaava hevonen.





Heurekan näyttelyssä ollut virheellinen yksityiskohta kohteen Kuvarumpu näyttelytekstistä on nyt korjattu. Ehkä kannattaa muistaa, että Wikipedian on tiedonlähteenä hyvä renki, mutta ainoan isännän paikalle sitä ei kannata päästää.

Katti Matikainen ja tieteen popularisoinnin sietämätön keveys

Heurekassa avattiin männäviikolla uusi näyttelykohde ”Kolikon tie”. Siitä poikkitieteellisiä näkemyksiä enemmän hieman myöhemmin, mutta tässä muutama huomio avajaisista.

Näyttelyn avaajaksi oli kutsuttu TeeVeestä tuttu Katti Matikainen. Katin ja kolikon lyömisen välinen yhteys ei minulle paikalla olleenakaan oikein selvinnyt, mutta ei anneta sen häiritä. Olihan siellä Risto Räppääjäkin, mutta Katti Matikaisen karisman varjossa hänen läsnäolonsa jäi vielä suuremmaksi arvoitukseksi.

Toki Katti Matikainen joka alan asiantuntijana on varmaan ihan hyvä minkä tahansa näyttelyn avaajaksi. Ainakin avajaisissa olleiden runsaslukuisten lapsivieraiden mielestä.
Enempi vähempi virallisten avajaisten jälkeen Katti Matikainen veti Heurekan Klassikot näyttelyssä kattimaisen shown yhdessä Heureka-opettaja Mikko Kolkkalan ja lasten avustamina. Vai olikohan niin, että lapset vetivät sen shown Katin ja Mikon avustamina? Katsokaa itse ja päätelkää. Laiskana ihmisenä olen sisällyttänyt videoon vain yhden 10.23 minuutin kamera-ajon. Ei tarvitse editoida videoon muuta kuin otsikko alkuun.

Videon ensimmäisiin kymmeniin sekunteihin kulminoituu lähes koko tieteen tekemisen perimmäinen olemus. Teorian ja havaintojen vaikea yhteensovittaminen, kiistat tutkimuksen prioriteettioikeuksista, sukupuolten välinen tasa-arvo, kilpailevien teorioiden ja niiden esittäjien lyttyyn lyöminen ja auktoriteetteihin nojaaminen, kun omat argumentit tuntuvat jäävän tappiolle. Ja kuitenkin kaikesta tästä hässäkästä huolimatta – tai ehkä sittenkin sen ansiosta päästään totuuden jäljille. Tieteellinen tutkimus ja sen oppiminen ovat prosesseja, johon ei ole oikotietä mutta toisaalta ei myöskään yhtä ja ainoaa perille johtavaa reittiä. On vain pitkiä ja vielä pidempiä polkuja.

En voinut olla ihastelematta myös Katti Matikaisen roolisuoritusta. Asu, ilmeet, eleet ja tilanteessa läsnä oleminen. Siinä ei hiki haissut, mikä tarkoittaa sitä, että kokonaisuuden on täytynyt vaatia satoja ja taas satoja tunteja ollakseen nyt nähdyn tapaan valmis. Kannattaa huomioida vaikka juuri oikein ajoitettu kysymys makaamisesta vain yhden naulan fakiirin pedistä. Kun hallitsee tilanteen, ei tarvitse olla koko aikaa äänessä.

Katti Matikaisen suvereenia ”opastusta” seuratessa tulee vääjäämättä mieleen, että pitäisikö Heurekan oppaiden pyrkiä ottamaan oppia. Minun vastaukseni siihen on kyllä ja ei. Kyllä siinä mielessä, että jokainen voi heittäytyä ja olla läsnä koko persoonallaan. Ei taas siinä suhteessa, että toisen persoonaa on turha yrittää matkia. Ei kannata yrittää olla opashommissa kuin ei missään muussakaan esiintymisessä sen paremmin Katti Matikainen kuin Heurekan pääopas Hekokaan. Heillä molemmilla on oma tyylinsä, jotka ovat kehittyneen persoonallisuuden ympärille vuosien työn ja kokemuksen jälkeen.

Lisää kuvia Katista Heurekassa

Videoita Katista Heurekassa löytyy YouTubessa hakusanoilla katti, matikainen, heureka.

God said, Let Newton Be!

(c) Sidney Harris

"Nature and Nature's Laws lay hid in Night/ God said, Let Newton be! and all was Light."
Alexander Pope.

Mekaniikan peruslait eli Newtonin lait julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1687 teoksessa Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Mekaniikan peruslait käsittelevät kappaleiden liiketilan muutoksia, kun niihin vaikuttaa voimia. Periaatteessa kaikki liikkeeseen ja sen muutoksiin liittyvät asiat voidaan ymmärtää Newtonin lakien avulla. Myös lentokoneen lentäminen.
Newtonin kolmas laki sanoo, että jos kappaleeseen vaikuttaa jokin voima, niin samanaikaisesti kappaleen täytyy vaikuttaa toiseen kappaleeseen yhtä suurella, mutta suunnaltaan vastakkaisella voimalla.
Ilmassa lentävään lentokoneeseen vaikuttaa Maan gravitaatiovoima. Aina ja iankaikkisesti. Tämän voiman vastavoima on lentokoneen Maahan kohdistama gravitaatiovoima. Koska Maa on niin paljon lentokonetta (jopa Airbus A380:ta) suurempi, pelkästään näiden voimien seurauksena lentokone mätkähtäisi maahan, mutta Maa pysyisi aika tukevasti paikoillaan - siis lentokoneeseen nähden. Aurinko taas on suunnilleen paikoillaan Maahan nähden, ja Linnunrata Aurinkoon ja ... jonka omisti Jussi ja taas eksyttiin asiasta.
Lentokoneet eivät yleensä putoile omia aikojaan, joten täytyy olla toinen voima- ja vastavoimapari, joka kumoaa gravitaation vaikutuksen.
Ilmassa ei ole muuta kuin ilmaa, joten gravitaation kumoavan ja lentokoneen ilmassa pitävän voiman on synnyttävä ilmasta. Miten?
Lentokoneiden siiven rakenteita on kovin monenlaisia ja niiden aerodynaamiset ominaisuudet ovat aina enemmän tai vähemmän toisistaan poikkeavia. Joten back to basics ja Newtonin kolmanteen.
Ilman on pakko aiheuttaa lentokoneen siipiin voima, jonka suunta on ylöspäin ja jonka suuruus on sama kuin lentokoneen paino. Tämän voiman vastavoimana siivet vaikuttavat ilmaan saman suuruisella ja alaspäin suuntautuvalla voimalla. Voiman vaikutuksesta ilmamolekyylien on virrattava alaspäin.




Siipi työntää ilmaa alaspäin ja vastavoimana ilmaa työntää siipeä ylöspäin.

Siinä se on. Siihen ei tarvita sirkulaatiovirtauksia, ei Bernoullin periaatetta eikä edes painetta. Ensimäistä ei ole olemassakaan, toinen on kovin puutteellinen lentokoneen siipeen vaikuttavan nostovoiman selittäjänä ja paine kolmantena on vain seuraus voimasta.
Paine = voima/pinta-ala.
Jotta ei päästäisi ihan näin helpolla, niin muutama sana siitä, miten ilma synnyttää nostovoiman.
Lentokoneen siivet on yleensä muotoiltu siten, että alapinta on tasainen ja yläpinta kupera. Jälkimmäinen ei ole kuitenkaan välttämätön ominaisuus siivelle, vaikka sen avulla usein lentokoneen siiven toimintaan yritetään selittää. Ensimmäisten lentokoneiden siivet olivat tasapaksuja levyjä ja ilmassa niilläkin rakkineilla pysyttiin. Kuka pidempään, kuka lyhyempään.
Kun siipi käännetään hieman yläviistoon lentosuuntaan nähden, niin ilmavirta aiheuttaa siiven alapintaan voiman, joka voidaan jakaa kahteen komponenttiin. Vaakasuora komponentti on osa lentokoneen ilmanvastusta ja pystysuora komponentti antaa siivelle ja siinä kiinni olevalle koneelle nostovoimaa. Vastavoiman seurauksena siis ilmavirta kääntyy alaspäin.
Siiven yläpuolella virtaava ilman kääntyy niin ikään alaspäin, josta seuraa lisää nostavaa voimaa. Yläpinnan aikaansaama nostovoima on itse asiassa suurempi kuin alapinnan ja siksi yläpinnan ohitse virtaava ilman kääntyy voimakkaammin alaspäin kuin alapinnan ohitse virtaava ilma.
Ei siiven yläpintaa kuitenkaan ihan huvikseen tehdä kaarevaksi. Silläkin on oman roolinsa. Kun kone on saavuttanut lentokorkeutensa, kone käännetään sellaiseen asentoon, että siipien ilmanvastus on mahdollisimman pieni. Periaatteessa olisi mahdollista lentää koko ajan siivet hieman yläviistossa asennossa, mutta se ei olisi kovin taloudellista. Hävittäjäkoneet tekevätkin näin, mutta se johtuu muista seikoista ja niiden kohdalla taloudellisuus ei muutenkaan ole se ykkösasia.
Lentokone voisi olla vaikka koko ajan ylösalaisin nousu ja lasku mukaan lukien, jos moottoreissa vain olisi riittävästi tehoa, kukkarossa riittävästi papua ja pilotin päässä riittävän vähän älliä. Viimeksi mainittu ehto saattaisikin hyvin täyttyä veren pakkautuessa alaspäin olevaan kalloon.
Vaakalennossa siiven alapintaan ei tule juurikaan sen paremmin nostovoimaa kuin ilmanvastusta. Ne kun kulkevat yhdessä. Nostovoima syntyy siitä, että siiven yläpinta kääntää ohitseen virtaavan ilman alaspäin. Siis siiven yläpinta vaikuttaa ilmavirtaan alaspäin suuntautuvalla voimalla, jonka seurauksena ilma Newtonin III:n mukaisesti vaikuttaa siipeen ylöspäin suuntautuvalla voimalla.
Kaarevasta yläosan muodosta on toinenkin etu. Sen muotoilun avulla siiven ylitse virtaava ilma pysyy laminarisena pienilläkin nopeuksilla. Laminarisen virtauksen muuttuessa turbulenttiseksi, siiven yläpinnan nostovoima katoaa silmänräpäyksessä. Jokainen turbulenssiin joutunut lentomatkustaja tietää, miltä se tuntuu.

Tämä tietämisen taso on minusta se, minkä ns. valistuneen kansalaisen soisi tietävän lentämisen periaatteista. Ei enempää, ei vähempää. Poikkitieteellisyyden periaatteiden mukaan sana on vapaa mm. sirkulaatioteorian kannattajilla. Lupaan vastata parhaan kykyni mukaisesti.

























Ilmavirran käyttäytyminen vaakalennossa (siipi vaakasuorassa) ja nousussa (siipi yläviistosti lentosuuntaan nähden). Yläpintaan kohdistuva nostava voima on suurempi. Karkeasti ottaen voimien suhde on 1:2