Tyhjää täynnä

Tiedelehdissä ja lehtien tiedeosastoilla julkaistaan usein lukijoiden kysymyksiä, laidasta laitaan. Olen marissut tästä ennenkin, mutta minulle on jäänyt tunne, että nimenomaan fysiikkaan liittyvät kysymykset hoidellaan puolivaloilla. Kysytään "päivystävältä dosentilta" ja tyydytään siihen vastaukseen, mitä satutaan saamaan. Aika usein hukataan hyvä mahdollisuus kertoa mielenkiintoisesti fysiikasta kansantajuisesti suurelle yleisölle.

Tässä tapauksessa päivystävän dosentin virkaa hoiti professori, Jukka Maalampi. Tiedän hyvin, että Jukan tietämys fysiikasta, varsinkin ydinfysiikasta on ihan toisella tasolla kuin meikäläisen. Kritiikkini kohdistuukin vain tähän pikku kirjoitukseen Tiede-lehdessä.

Kun vastaus kysymykseen, kuinka suuri osa ihmisen tilavuudesta on tyhjää vasta, on prosentin kymmenestuhannesmiljardisosaa vaille sata prosenttia, niin minusta ollaan aika lailla epäolennaisen keskiössä. Vitsiksihän se varmaan oli tarkoitettu, mutta ainakaan minua se ei oikein jaksanut naurattaa. Ehkä olen vain huumorintajuton.

Tyhjä on semanttisesti monimerkityksellinen käsite. Urheilukatsomossa on yleensä tyhjää, kun ala-sarjan joukkueet pelaavat keskenään. Pääkin voi olla tyhjä, kun ajatus ei tunnu liikkuvan. Kun huokoisia esineitä pakataan tiiviiksi, niin niistä puristetaan tyhjät pois. Se tarkoittaa yleensä ilmaa. Ilman täyttämää tilaa pidetään yleensä tyhjänä tilana, jos se voidaan täyttää tai tiivistää.

Tästä saisi fysiologisen näkökulman asiaan. Kuinka suurelta osalta ihminen on ontto? Oikea vastaaja ei välttämättä olisikaan ydinfysiikan professori, vaan joku ihmisen anatomiasta paremmin perillä oleva. 

Ihmisen keho on muuten kiinteää ja nestemäistä ainetta, mutta suusta, nenästä ja korvista  johtaa käytävät keuhkoihin sekä mahalaukun kautta peräsuoleen asti. Näiden kaasutäytteisyys voi vaihdella, mutta parhaimmillaan ihmisessä voi olla noin 10 % tyhjää. Keuhkot täynnä ja maha kaasuista piukeana ihmisen kokonaistiheys laskee helposti alle veden tiheyden, jolloin ihminen kelluu. Kaasut nostatavat  hukkuneetkin nousevat lopulta pintaan, vaikka keuhkot olisivat täynnä vettä.

Jos autoromuttamon prässiin (vrt James Bond ja kultasormi) laitetaan laitetaan autonromuja, niin niiden välissä on ennen puristamista tyhjää. Samaa tyhjää on myös autojen sisällä monessakin kerroksessa: kuten vaikka moottoritilassa ja moottorin sisällä sylintereissä. Kun jääkiekkotermein otetaan tyhjät pois eli autot puristetaan prässillä kasaan, niin autojen välistä autojen sisältä poistuva ilma on ihan samaa "tyhjää". Jäljelle jää vain tiivis pakkaus kiinteää ainetta.

Jos ihminen joutuu syystä tai toisesta samaan prässiin, niin hänelle käy ihan samoin. Ilma puristuu pois ja jäljelle jää suorakaiteen muotoinen massa kiinteitä ja nestemäisiä kehon aineita. Ne eivät puristu juurikaan kasaan, vaikka kuinka puristettaisiin. Nesteet ja kiinteät aineet ovat käytännössä kokoon puristumattomia. Joten atomien sisällä oleva tyhjän täytyy olla jotenkin eri lailla tyhjää kuin autojen  sisällä oleva tyhjä.

Auto ja sen sisällä sattumoisin ollut ihminenkin sen jälkeen, kun niistä on otettu tyhjät pois. 

Elokuvasta Goldfinger. 

Suoraan sanoen kertomalla ihmisen olevan pääosin tyhjää ei anneta ainoastaan irrelevanttia tietoa atomeista, vaan se on minusta suorastaan virheellistä. Tila, jossa elektronit liikkuvat, ei ole suinkaan tyhjää, vaan elektronien kvanttifysiikan kuvaamalla tavalla täyttämää tilaa. Vähän samaan tapaan, kuin maantien sanotaan ruuhka-aikaan olevan täynnä autoja, vaikka autotonta tilaa on paljon enemmän kuin autojen viemää tilaa tiellä.

Atomien sisällä olevaa tilaa ei minusta voida mitenkään pitää tyhjänä, molekyylien välistä tilaa sen sijaan voidaan. Kun vesi jäätyy, niin vesimolekyylin muodosta johtuen molekyylien väliin jää tyhjää. Sen seurauksena veden tiheys pienenee. Joten jos palataan otsikon kysymykseen, johon ainakin koulun äidinkielen tunnilla kehotettiin vastaamaan, niin se riippuu myös ihmisen olotilasta. Jos ihminen on kuolla kupsahtanut ja jäätynyt pökkelöksi, niin runsasvetisenä kalmoon on syntynyt melkoinen määrä tyhjää tilaa. Sanoisin ilman sen syvempiä laskelmia ehkä 6 - 7 %.

Maalämpölämmittäjän parasta aikaa

 Syksy on juuri nyt lämmin ajankohtaan nähden. Maakin on lämmin kesän jäljiltä, kunhan mennään vähän syvemmälle. Olosuhteet ovat mitä otollisimmat maalämmöllä lämmittäjän kannalta. 

Maalämpösysteemini käyttöpanelista ottamani kuvat kertovat paljon tilanteesta. Niiden perusteella voi tehdä myös muutamia lämpöopillisia laskelmia. 

Ulkolämpötila lienee selkeä ilman sen kummempia selityksiä. 11,2 astetta, mikä näin lokakuun viimeisten päivien iltana on aika korkea. Liuos sisään tarkoittaa sen alkoholin ja veden seoksen (1:2) lämpötilaa, joka on käynyt 170 metriä syvällä imemässä maaperän kesällä auringosta varastoimaa lämpöä. Kun osa siitä on otettu kompressorilla talteen, niin maahan palaavan nesteen lämpötila on -0,8 astetta. Kun liuosta kierrätetään 1800 l/h, niin lukion ensimmäisen vuoden fysiikan kurssien lämpöopin laskulla saadaan tulokseksi, että lämpöpumppu imee maasta lämpöä huusholliin noin 11 kilowatin teholla. Ei huono.

Menov on se lämpötila, johon lämminvesivaraajassa kiertävän liuoksen lämpötila nostetaan. Sen avulla voidaan laskea laitteen teoreettinen COP-arvo eli suorituskerroin. 

Tämä siis tarkottaisi, että vajaan 2 kW:n sähköteholla saataisiin tupaan lähes 13 kW teholla lämpöä. Kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta. Kuten onkin. 

Maalämpöpumpun reaaliset arvot näkyvät tästä kaaviosta. Kun lämpötila nostetaan pyörein luvuin 5 asteesta 50 asteeseen, niin laitteen lämmitysteho Qh on noin 10,5 kW, suorituskerroin COP on 3,5 ja vaadittava sähköteho Pe on noin 3 kW. Ei ihan huonoja nekään. 

Sen sijaan pakkasen paukkuessa kireimmillään meikäläisen rintamamiestalossa yritetään imeä viimeinenkin lämpö maasta. Sisään tulevan nesteen lämpötila on nollan huitevilla ja se pitää nostaa 65 asteeseen. COP on enää noin kaksi, eli ollaan siinä kuuluisassa fifty-sixty -tilanteessa. Puolet petäjäistä. Lämmitystehokaan ei nouse juuri 8,5 kW:ia suuremmaksi. Liiterissä olevat koivuklapit nousevat arvoon arvaamattomaan. Tulee myös mieleen, että pitäisikö lisäeristää. No, kesähelteillä nämä pakkomielteet kummasti helpottavat. 

Tämän tarinan opetus on varsinaisesti siinä, että matematiikan lukutaito, niin kaavojen kuin graafien osalta olisi varsin hyödyllistä silloin tällöin arkielämässäkin. Mitatut suoritusarvot ja myyntimiesten puheet kun eivät aina ole 1:1.

Dance like a bee, sting like a hornet

Tuskin kovin moni tuli aikoinaan kiinnittäneeksi huomiota Cassius Clayn (myöh. Muhammad Alin) paljon siteerattuun säkeeseen "Float like a butterfly, sting like a bee" liittyvään luonnontieteelliseen ristiriitaisuuteen. Mehiläinen kun ei pistä kuin kerran ja putoaa sitten itse kuolleena kanveesiin koko takaruumiin piikkeineen päivineen revetessä irti. Ampaiset, herhiläiset  (englanniksi hornet) niistä suurimpina ja aggressiivisimpina, taas voivat pistää piikillään useita kertoja.  

Toisaalta Clay lähinnä tanssi vastustajansa alta pois pyörien  tämän ympärillä valmiina pistämään aina tilaisuuden tullen, joten tieteellisesti oikeaoppisempi riimi olisi mennyt jotenkin näin: "Dance like a bee, sting like a hornet". Mehiläinenhän  kertoo lajikumppaneilleen hyvän mesipaikan sijainnin tanssahtelemalla lennossa. Minusta Clayn liikehdintä kehässä, varsinkin Alina otellessaan, muistutti  mehiläisen pörräämistä. Ainakin paljon enemmän kuin perhosen lepattelua.

Ehkä varsinkin nuoruudessaan riimittelystä kovasti innostunut Clay/Ali menikin tässä enemmän riimin kuin hyönteisten taksonomian ehdoilla. Sonny Listonille osoitettu runonpätkä kuului kokonaisuudessaan näin.  

Float like a butterfly, sting like a bee

The hands can't hit what your eyes can't see

Jos Mohammad Ali (millä kutsun häntä tästä eteenpäin) olisi halunnut käyttää vähän pidempään taistelukunnossa pysyvää pörriäistä, niin olisi voinut riimitellä vaikka näin.

Dance like a bee, sting like a hornet

It will knock you out like a cornet

Kornettihan on tunnetusti sekä trumpetin kaltainen soitin että käytöstä poistunut ratsuväen sotilasarvo. Molemmat sopivat hyvin tähän asiayhteyteen. 

Jos Mohammad Ali olisi sattunut oleman suomalainen, niin minulla olisi takataskussa hyvä riimi samaan lähtöön, eli maailmanmestaruusotteluun Sonny Listonia vastaan. Se kuuluu näin.

Kun tuntee nahoissaan herhiläisen piston,

niin jo kaatuu iso ruma karhu, Sonny Liston

Onneksi minun ei tarvinnut nousta näiden säkeiden jälkeen Alin lailla samaan kehään ärsytetyn karhun kanssa. Vaikka Ali siitä selvisikin, niin myöhempien vaiheiden Parkinsonin taudin takana oletetaan olevan aika merkittävällä osuudella juuri pitkä nyrkkeilyura. Ihan kaikkien iskujen alta Alikaan ei ehtinyt tanssia sivuun.

Tosielämässä mehiläiset ja herhiläiset ovat toistensa vihollisia. Herhiläiset isompina ja voimakkaampina ryöstävät usein mehiläisten pesiä. Neuvokkailla mehiläisillä on kuitenkin jännittävä tapa puolustautua yksittäistä tiedustelijaherhiläistä vastaan ennen kuin tämä ehtii palata muiden luo kertomaan vallattavan mehiläispesän paikan. Mehiläiset muodostavat ison parven kimalaisen ympärille, värisyttävät itseään niin, että parven lämpötila nousee. Mehiläiset kestävät lämpöä paremmin kuin herhiläiset ja lopulta herhiläinen putoaa kanveesiin lämpöhalvaukseen kuolleena.

Arkhimedeen kuolemansäteet Heurekassa

Yksi monista historiaan jääneistä, mutta mitä todennäköisimmin paikkaansa pitämättömistä myyteistä on Arkhimedeen kuolemansäteet. Tarinan mukaan kreikkalaiset upottivat roomalaisten laivat Syrakusassa sytyttämällä ne tuleen Arkhimedeen rakennuttamien peilien avulla. Lukuisat kokeet ovat osoittaneet kertomuksen luultavasti legendaksi. Viimeisimpiä lienee Myytinmurtajien tekemät useat kokeet, joista viimeisin tapahtui presidentti Obaman toivomuksesta.

Minä olin asialla jo paljon ennen Myytinmurtajia. Olin töissä Heurekassa keväällä 1994. Kevät oli luokkaretkien aikaa ja Heureka oli toukokuun lopussa täynnä kuin nuijalla lyötynä näistä koululaisista. Kun eräänä aivan toukokuun lopun päivänä oli tulossa erityisen paljon luokkaretkeläisiä, niin päätin toistaa Arkhimedeen peilikokeen, tosin hieman pienemmässä mittakaavassa.

When the legend becomes fact, print the legend. (Ransom "Ranse"  Stoddard)

Tikkurilalainen lasifirma lahjoitti Heurekalla noin 500 peiliä niistä palasista, jotka muuten menisivät kaatopaikalle. Jopa hioi reunat pyöreiksi.  Aion jakaa ne koululaisille, ja he saisivat sytyttää niillä laivan pienoismallin, joka seilasi muoviämpärissä. Varmuuden vuoksi olin valellut puusta tekemäni laivan jollain helposti syttyvällä nesteellä (en enää muista millä), jotta sen palaminen saataisiin varmistettua.

Suurin huolenaiheeni etukäteen oli pilvisyys. Oli luvattu puolipilvistä, mutta taivas oli lopulta täysin pilvetön kokeen alkaessa. Peilien jakaminen usealle sadalle ihmiselle ja heidän saamisensa toimimaan kurinalaisena kreikkalaisena sotilasyksikkönä oli aika haasteellista. Vaikein osa oli kuitenkin säteen suuntaaminen peilillä laivan kylkeen. Nimittäin yksittäisen peilin käyttäjän oli mahdotonta päätellä peilien heijastamista sadoista auringonläikistä, mikä oli hänen omansa, niin vain osa säteistä saatiin osumaan laivaan. Lopulta suuri osa "kuolemansäteistä" meni harakoille. Ei toivoakaan, että laiva olisi saatu tuleen tällä keinolla. 

Onneksi olin varautunut suunnitelma beellä. Ulos oli kannettu myös Heurekassa monessa mukana ollut kovera peili, jonkinlainen jättiläisen partapeili. Kun laivan sytyttäminen taskupeileillä oli osoittautunut mahdottomaksi, niin kokeilimme yhdellä isolla peilillä. Kun laivassa oli sen verran herkästi syttyvää aviketta, niin laiva leimahti liekkeihin suunnilleen samalla hetkellä, kun laivaa käsissään pitänyt opas Markku Sarimaa löysi peilin polttopisteen.

Katsojat hurrasivat  – vai olisivatko vain taputtaneet. Missään tapauksessa eivät kuitenkaan buuanneet.  Show oli pelastettu. Hieman jäi tietysti kismittämään, että varsinainen koe epäonnistui. Siitä harmista vapauduin lopullisesti vasta sitten, kun Myytinmurtajat olivat osoittaneet, että se ei olisi voinutkaan onnistua. Peilien avulla lämpötilaa on käytännössä  mahdotonta saada niin korkeaksi, että laiva syttyisi tuleen.  Sekin lohdutti, että Myytimurtajilla oli yhtä lailla ongelmia saada kaikki säteet suunnattua oikeaan kohtaan useiden peilien sekamelskassa.

Lopuksi paistomme halukkaille makkaroita ison peilin avulla. Se onnistuikin hyvin, varsinkin kun syöjät eivät olleet niin tarkkoja makkaroiden sisäkypsyyden suhteen. Riitti, että pinta on kunnolla kärvennetty.

Heurekan oppaat Markku Sarimaa ja Jan Fast ovat juuri saaneet laivan syttymään ison peilin avulla. Minä olen edessä oleva, silloin vielä tummaa tukkaa omannut hemmo. Peilin alla näkyy muutama makkara, joita on taidettu jo käristää peilin polttopisteessä. Yleisöllä on  käsissään on tarinassa mainittuja peilejä. Kuvan on ottanut Sakari Mäkelä.

Lämpöhakuinen ohjus joutui huijatuksi

Naarashyttyset (ne verenhimoiset) hakeutuvat uhrinsa luokse lämmön ja hiilidioksidin houkuttelemina. Näitä kumpaakin on ihmisen vaikea olla erittämättä - ellei sitten ole vainaa.

Hyttyset eivät kuitenkaan ole kovin kranttuja sen suhteen, kuka tai mikä on lämmön ja hiilidioksidin lähde. Tämä tuli todistettua taannoisella mökkireissulla, jolloin hyttyset pörräsivät innoissaan auton pakoputken ympärillä. Valitettavasti näitä höynäytettäviä oli vain pieni osa hyttyspopulaatiosta, suurin osa ymmärsi, että Eisen und Blut eivät Bismarckin väitteestä  huolimatta ole hyttysten kannalta yhteen kuuluva pari, vaan oikea pari on Menschen und Blut. Siis minä.

Nopean kvantitatiivisen ja kvalitatiivisen analyysin perusteella tulin siihen tulokseen, että ihmiset eivät ole yhtään sen fiksumipa valheellisten lupausten suhteen kuin hyttyset. Päätellen siitä, että kun lupaus helposta rahasta on tarpeeksi idioottimainen ja summa riittävän suuri, niin aina joku siihen tarttuu. Kuten nigerialaiskirjeisiin. Jos ei muut, niin entinen ministeri ja kahden valtionyhtiön yhtäaikainen johtaja Olavi J. Mattila. Alla oleva tosin on Senegalista - ehkä.a.

Hei.
Haluaisin kysyä Valtakirja minun rakas ystävä Rita Khal.  Puhumme siirtoon 9,4 Miljoonaa dollaria tililleen tililleni. En liitä tähän mitäpankki tarvitsee. 1.A valtakirja ja vahvistusdokumenttien vala sallii voit hakea ja siirtää rahaa pankkitilillesi hänen puolestaan. Huom: Tämä valtakirja on vahvistettava Senegalin asuvan asianajaja (koska raha on peräisin Afrikasta ja tyttö on hetkellä asuvat Senegalissa).

Arvomonologia

Tiedelehden numerossa 6/2012 oli lukijakysely, jossa vastaajien kesken arvottaisiin viisi taskulamppua ja kymmenen kädenlämmitintä. Arvoiltaan 80 ja 5 euroa kipale.

Yksittäisiin sanoihin takertuvan nipottavan luonteeni vuoksi en päässyt lehden lukemisessa tätä ilmoitusta pidemmälle. Arvo 80 euroa! Mitä se tarkoittaa?  Jos haluan sellaisen lampun, joudunko pulittamaan siitä aina 80 euroa? Määräytyykö tuotteiden arvo kuin osakkeiden päivän kurssin mukaan?  Googlauksen hakusanoilla Maglite LEDXL200 + hinta tulos kertoo, että ainakin Topshotista lampun saa 59 eurolla. Siis sen hinta on eri asia kuin sen arvo. Olisiko informatiivisempaa kertoa, että lampun suositushinta on noin 80 euroa?

Sama esineen epämääräiseen arvoon takertuminen häiritsee minua Antiikkia antiikkia tyyppisissä ohjelmissa. Jotta siinä lonkalta heitetyillä hinta-arvioilla olisi jotain reaalista pohjaa, niin sen pitäisi minusta olla samalla vetäjän ostotarjous. Esineen esittelijä voi sitten hyväksyä tai hylätä sen.

Lampun valo kantaa 138 metriä. Tasan 138 metriä ja loppuu sitten kuin seinään? Tässä täytyy olla kääntäjän tekemä laskutoimitus takana. Alkuperäisessä tekstissä on käytetty tietysti anglosaksisia mittoja. Kantama on noin 150 jaardia.

Eipäs olekaan. 150 x 0,9144 metriä on 137,16 metriä. Lähelle mennään, mutta tulos ei pyöristy mitenkään järkevästi 138 metriin. Tosin ei jenkeillä ennenkään ole puuttunut luovuutta pyöristyssääntöjen tulkinnassa. "Yhdysvaltain Indianan osavaltion kongressi hyväksyi 1897 lain, jonka mukaan piin arvo ei vastaisuudessa olisi 3,14, vaan yksinkertaisuuden vuoksi 4."

 

Pakko oli käydä tarkistamassa asia lampun valmistajan sivuilta. Sieltä selvisi:  "Suorityskyky ANSI FL1 standardin mukaisesti: Valon kantama 138 m, valovirta 172 lumenia, valon voimakkuus 4737 candelaa."

Vielä googlaus hakusanalla: "ANSI FL1"  ja minulle selvisi, että taskulampun kantamalla tarkoittaa sitä etäisyyttä, jossa valaistusvoimakkuus on 0,25 luxia. Tekstin mukaan se vastaa täysikuun kirkkaalla ilmalla antamaa valoa.Nuorilla silmillä siinä valossa pystyy vielä lukemaan.

Tuoteselosteessa on siis koko valo-oppi, tai ainakin sen suureet. Harvoin näkee minkään tuotteen ominaisuuksista näin täsmällistä tietoa. Tästä hyvästä annan anteeksi lampun mitoissa käytetyt sentit. Sentti on sadasosa mittayksikön osana tai itsenäisenä euron sadasosa. Asiayhteydestä käy ilmi, että tässä tarkoitetaan senttimetriä ihan kuin painon ilmoittaminen kiloissa menee yksikäsitteisesti jakeluun, vaikka kyseessä olisikin massa kilogrammoina. Kieli on kommunikaatiota, ei nipottamista varten. Ehkä Tiede-lehti voisi kuitenkin laittaa tässä asiassa riman vähän korkeammalle kuin yleisaikakauslehdet.

 

Entäs sitten kädenlämmitin? Niitä saa netin mukaan alle kahden euron, joten siinäkin ilmoitettuun 5 euron arvoon voi suhtautua tietyllä skeptisyydellä. Enemmän minua alkoi kuitenkin kiinnostaa kädenlämmittimien  toimintaperiaate. Millä keinolla niistä saadaan lämpöä usean tunnin ajan. Paristoihin ei voida mitenkään varastoida niin paljon energiaa, että niillä voitaisiin lämmittää käsiä läpi yön. Ei edes läpi kesäyön.

Netti tietää. Suomeksi ja englanniksi.    Kädenlämmittimelle on myönnetty patentti jo vuonna 1924. Sotilaat käyttivät sitä mm. Korean sodassa. Pitämällä kädet lämpimänä tietysti myös liipaisinsormet toimivat herkemmin. Sota tuntuu olevan monien siviilikäyttöön soveltuvien keksintöjen tuottaja ja testausympäristö. Valitettavasti. Pisimpään toimivat kädenlämmittimet saavat lämpönsä lämmittimessä olevan rautajauheen ja ilman hapen välisessä reaktiossa. Siis raudan ruostumisen lämpö pitää kädet jopa 10 tuntia lämpimänä. Reaktio tuottaa lämpöä sopivan määrän ja on riittävän hidas.

Kun pelkkä Tiede-lehden ilmoitus vei minut näin mielenkiintoisen tiedon lähteille, niin tuskin maltan odottaa mihin lehden varsinaiset artikkelit minut johdattelevat.