Älykäs suunnittelu ja natsilippu

Hakaristi eli swastika oli ennen hyvän onnen symboli. Nykyään sen käyttäjiä pidetään sivitymättöminä moukkina, jos edes sellaisina. 

Wikipedia tietää, muistaa.

"Michelsonin-Morleyn koe (1887) oli kuuluisa koejärjestely, jolla pyrittiin selvittämään ns. eetterituulen vaikutus valon nopeuteen. Kokeen tuloksena eetterituulta ei löydetty. Albert Michelson sai tämän tutkimuksen ansiosta Nobelin palkinnon 1907.

Kokeen lähtökohtana oli ajatus siitä, että maailmankaikkeuden täyttäisi jonkinlainen eetteriksi kutsuttu massaton väliaine, jossa sähkömagneettinen säteily voisi liikkua. Tällöin maapallon liikkeen eetterin suhteen pitäisi aiheuttaa Maan pinnalla havaittava "eetterituuli". Valon suunnan ja eetterituulen välisen kulman pitäisi vaikuttaa valon nopeuteen. Kokeen tarkoituksena oli havaita "sivutuuleen" ja "vastatuuleen" liikkuneiden valonsäteiden eri nopeuksista aiheutunut vaihe-ero. Kokeessa ei kuitenkaan onnistuttu saamaan varmaa tulosta, sillä vaikka laitteella mitattiin pieni "nopeus", se mahtui mittausvirheen rajoihin. Koetta pidetään yhtenä kuuluisimmista epäonnistuneista kokeista.

Nykyisen suhteellisuusteoreettisen tietämyksen mukaan valonnopeus on absoluuttinen, eikä tällaista vaihe-eroa siten synny. Suhteellisuusteorian mukaan eetterin olemassaoloa tai -olemattomuutta on mahdotonta osoittaa todeksi."

Näinhän tiede toimii. Kun havainnot ovat ristiriidassa vallitsevan teorian kanssa, niin tehdään uusi hypoteesi. Jos hypoteesi on paremmin sopusoinnussa havaintojen kanssa, niin se kumoaa vanhan teorian ja siitä tulee vallitseva teoria, paradigma. Kunnes tulee sen aika väistyä joko suorastaan virheellisenä tai ainakin puutteellisena.

Elämän alkuperä  ja elämän kehittyminen tunnetaan toistaiseksi monilta osin aika puutteellisesti. Voidaan jopa sanoa, että monien aivan keskeisten asioiden synty- ja kehittymismekanismit eivät ole vielä lainkaan selvillä. Esimerkiksi ei ole kyetty luomaan keinotekoisesti elävää organismia elottomasta materiaalista. Samoin vaikka monien  biologisten systeemien toimintamekanismi onkin pystytty selvittämää fysikaalis-kemiallisena prosessina, niin niiden kehittyminen sellaisiksi pelkästään tunnettujen fysiikan lainalaisuuksien seurauksena tuntuu käsittämättömän ihmeelliseltä.

Näin ollen ei ole lainkaan kummallista, että on esitetty vaihtoehtoinen hypoteesi elämän synnylle ja kehittymiselle. Älykäs suunnittelu, josta käytetään myös englanninkielisen termin alkukirjaimia ID.

Mikäs siinä. Siitä vain haastamaan molekyylibiologit, biokemistit ja muut ihan väärillä jäljillä olevat tieteen tekijät. Kehään saa nousta kuka vain haastamaan vanhan mestarin. Ei painoluokkia, vaan: "Touch hands, fight fair, no hitting below the belt and may the best man win".

Kuvan lähde

Kreationismi, joka sivuuttaa kaiken Raamatun vastaisen tieteellisen näytön, ei ole edes eri sarjan nyrkkeilyä, vaan jotain ihan eri kamppailulajia. Mongolilainen paini eli Böke voisi parempi vertauskuva. Siinä kun säännöt ovat sen verran joustavat, että molemmat kamppailijat voivat tulkita lopputuloksen omaksi voitokseen.

Älykkään suunnittelun varteenotettavimmat kannattajat eivät yleensä kyseenalaista tieteellisin keinon saadun tiedon pätevyyttä. Maailmankaikkeus on syntynyt noin 14 miljardia vuotta sitten ja elämä on maapallolla on kehittynyt 3,6 miljardin vuoden aikana nykyiseksi vähintäänkin värikkäiden vaiheiden jälkeen. Kysymys on siitä, mikä on tämän kaiken tapahtumaketjun takana. Kaiken suunnittelija ja luoja vai vain materian ominaisuuksista riippuva tapahtumien kulku?

Älykkään suunnittelun heikko kohta tässä ottelussa on siinä, että se keskittyy pelkästään vastustajan puutteiden etsimiseen. Vaikka ihmettelyyn siitä, miten jokin solumoottori olisi voinut syntyä itsestään. Ei nyrkkeilyotteluakaan voiteta siten, että ei itse lyödä yhtään lyöntiä vaan toivotaan vastustajan huitovan itsensä hutilyönneillä keskeytyskuntoon. Kovin montaa tällaista ottelua nyrkkeilyn historia ei tunne. Tieteen historiassa ei ole yhtään tapausta, jossa uusi teoria kumoaisi vanhan esittämättä mitään tilalle.

ID:n keskeisin ja oikeastaan ainoa idea on se, että jos jonkin biologisen systeemin kehittymistä ei osata selittää, niin sen on täytynyt syntyä ulkopuolisen älykkään suunnittelun tuloksena. Ihan hyvä hypoteesi muuten, mutta kun se ei johda mihinkään, se ei selitä mitään eikä siitä saa mitään osviittaa sille, miten tälle hypoteesille voisi lähteä etsimään evidenssiä. 

Miten natsilippu tähän liittyy? No siten vain, että natsien lipun ikivanha symboli, hakaristi eli swastika  on totaalisesti pilattu myös graafisena symbolina natsien tekemien hirveyksien takia. Samalla tavalla älykäs suunnittelu on niin vahvasti leimautunut sitä kannattavien uskonnollisiin taustoihin, että kukaan tiedeyhteisössä edes jonkinlaista arvostusta kaipaava ei voisi ajatella ottavansa sitä tutkimuksensa lähtökohdaksi. Apurahatkin voisivat olla kiven alla, paitsi tietysti USA:ssa.

Minun on tällä vaatimattomalla ymmärrykselläni mahdotonta kuvitella, millaisen tieteellisen prosessin jälkeen älykkäälle suunnittelulle saataisiin muutakin tieteellistä sisältöä kuin "God did it"? Vaikka odotan sitä suurella mielenkiinnolla, niin pelkään odotusajan muodostuvan aika pitkäksi.

Tulenliekkinä saavuit kerran...

 Kuvasta näkee selvästi, kuinka nopeasti näkyvän liekin yläosassa olevat nokihiukkaset jäähtyvät niin, että eivät enää hehku. Liekin ilmavirta on hyvin laminaarista, josta syystä liekin reunoilla hehku loppuu kirkkaana kuin veitsellä leikaten. Hehkun ulkopuolella ei yksinkertaisesti vain ole nokihiukkasia.

Elmo Lehtelä, 6 v. kyseli Hesarin tiedepalstalla 7.9.2013 "Miksi tuli on keltaista?". Turun yliopiston teoreettisen fysiikan dosentti Iiro Vilja vastasi.

"Tulenliekki näyttää tosiaan usein kirkkaan-, vaalean- tai oranssinkeltaiselta. Tuli voi olla kuitenkin myös punainen, oranssi, valkoinen, sininen tai jopa vihreä.

Tulenliekin väri riippuu liekin kuumuudesta ja palavasta aineesta. Liekin kuumin kohta on valkoinen ja viileämmät kohdat keltaisia, oransseja tai punaisia. Hyvin kuumassa lämpötilassa palavat aineet, esimerkiksi hitsauskaasut, palavat sinisellä tai lähes valkoisella liekillä.

Tavallisen kynttilän, tulitikun tai takkatulen liekki on yleensä keltainen tai oranssinkeltainen. Kellertävä väri johtuu pienenpienistä nokihiukkasista, jotka syntyvät kynttilän, puun tai tulitikun palaessa. Noki puolestaan koostuu lähes kokonaan hiilestä.

Kellertävää liekkiä tarkasti katsomalla kuitenkin havaitsee, että siinä on yleensä erivärisiä kohtia. Kuumimmissa kohdissa väri on valkoinen, viileämmissä se on keltainen, oranssi tai punainen.

Keltainen liekki syntyy myös natriumin palaessa. Natriumia sisältyy tavalliseen ruokasuolaan, mutta sitä käytetään myös esimerkiksi ilotulitteissa."

Vastaukset kysymyksiin, jotka edellyttävät  lapsen käsityskyvyn ylittäviä tietoja ja käsitteitä, ovat tietysti haasteellista. Ei se kuitenkaan tarkoita sitä, saa kertoa selkeätä potaskaa – siis kaliumkarbonaattia.

Kolme ensimmäistä virkettä menee vielä jotenkuten, mutta sitten tulee vaikeuksia. Hehkuvan kappaleen lämpötilalla ja hehkun värillä on toki yhteys. Valon aallonpituusjakauma on siirtyy punaisesta siniseen päin lämpötilan kasvaessa. Tähtien värit ovat hyvä esimerkki tästä. Valkoisten tähtien lämpötila on suunnilleen sama kuin omalla Auringollamme, eli noin 5500 astetta. Aurinkoamme kylmemmät tähdet ovat punaisia, lämpimämmät sinisinä.

 Kuva: Lincoln Harrison

Tähtien värin perusteella voidaan arvioida niiden pintalämpötiloja.

Kun tiedetään, että kynttilän liekin lämpötila on noin 1000 astetta, niin jokin ei täsmää. Kynttilän liekin lämpötilan pitäisi olla paljon kuumempi, jotta sen keskustan valkoisuus johtuisi lämpötilasta. Erityisen paljon kuumempi pitäisi olla liekin alaosan sinisen alueen, jos sekin väri johtuisi lämpötilasta.

Ihmisen silmä on varsin huono instrumentti havaitsemaan valon värejä, jos valo on liian kirkasta. Emme me korkealla taivaalla olevan Auringon  väriäkään pysty kunnolla näkemään, koska Aurinko on niin kirkas. Silmän värinäkö "ylivalottuu", palaa puhki, kuten valokuvaajat asian ilmaisevat.

Sama pätee kynttilän valoon. Liekin keskiosassa hehkuvien nokihiukkasten tiheys on niin suuri, että niiden kirkkaus on liikaa näköaistin värinäölle. Siksi kynttilän liekin keskusta näyttää valkoiselta. Kun kameralla otetaan kuva kynttilän liekistä tarpeeksi vähän valottaen, niin liekin keskiosankin väri saadaan näkyviin. Se on punainen-keltainen, kuten sen lämpötilan perusteella kuuluukin olla.

 Liekin lämpötilajakaumasta voidaan päätellä jotain tämän vähän valotetun kuvan avulla. Silmä ei kykene näkemään kynttilän liekkiä ainakaan ilman suodattimia tai muita optisia apuvälineitä tällä tavalla. Keskellä on keltaisempi alue, jossa liekin lämpötila on kuumempi kuin muualla liekissä.

Siihen, miltä liekki näyttää kuvassa, vaikuttaa kaksi muuttujaa. Lämpötilasta riippuva liekin aallonpituujakauma eli väri sekä lämpötilasta että hehkuvien hiukkasten tiheydestä riippuva liekin kirkkaus. Siksi kuvasta ei voida aivan suoraviivaisesti päätellä lämpötilaeroista liekin eri osissa. Liekkiä reunustava tummanpunainen rantu lienee kuitenkin kylmintä liekin osaa, mikä ei sinänsä ole mitenkään  yllättävä kuvasta tehty johtopäätös. Kuva kannattaa klikata suuremmaksi, niin eri väriset ja kirkkauksiset alueet erottuvat paremmin.

Valon väri voi syntyä myös toisella mekanismilla kuin hehkusta. Palamisen energia virittää palamisessa mukana olevien aineiden elektroneja. Kun viritystila purkautuu, niin aine säteilee viritystilan "energian" eli aallonpituuden mukaista valoa, mikä tarkoittaa tietyn väristä valoa. Hiilivetyjen palaessa merkittävin näkyvä ns. karakteristinen aallonpituus on noin 430 nanometriä, mistä johtuu liekissä näkyvä sininen väri. Kaasumaisia hiilivetyjä, kuten vaikka nestekaasua poltettaessa tämä on käytännössä ainoa liekin väri, jos kaasu palaa puhtaasti. Epäpuhtaassa palamissa syntyy nokea, joka taas saa aikaan hehkun keltaisen liekin kaasujenkin palaessa.

Kuva: Wikepedia

 Nestekaasun valon aallonpituusjakauma. Sininen väri johtuu voimakkaasta CH-karakterisesta piikistä.

 Lähikuvassa nähdään kaksi valonmuodostustapaa. Sydänlangan pää hehkuu paikallisesta lämpötilasta riippuen punaisena tai keltaisena. Liekin reunassa oleva sininen hehku on hiilivetyjen karakteristista säteilyä. Sitä on muuallakin liekissä, mutta hentona se ei erotu hehkusta syntyvän liekin valosta.

Natrium on ihan oma lukunsa. Sitä kun harvemmin poltetaan, sen verran reaktiivisesta aineesta on kysymys. Toki sitä voidaan polttaa ja veteen heitetty natrium reagoi niin kiivaasti, että reaktiolämpö sytyttää natriumin palamaan. Osa palavasta aineesta on kuitenkin natriumin ja veden reaktiossa vapautuvaa vetyä. Sen lisäksi palamisreaktiokin on niin kiivas, että liekin kirkkaudelta ei natriumin keltaista väriä pysty erottamaan. Liekki näyttää valkoiselta.  Tätä koetta tein monia kertoja ollessani vielä opetustyössä ja kun kouluissa sai säilyttää vähän ärtsympiäkin kemiallisia aineita. Ymmärtääkseni metallinen natrium on nykyään kiellettyjen aineiden listalla.

Natriumin palamista ja etenkin palamista keltaisella liekillä harva on nähnyt. Kouluissakin sen sijaan tehdään ns. liekkireaktioita, joissa mm. natriumsuolaa kuumennetaan bunsenliekissä. Silloin nähden suolan metalliosan karakteristiset värit, mikä natriumille on kirkkaan keltainen. Myös rakettien natriumin värit tulevat natriumsuoloista, ei palavasta natriumista. Saman värin saattoi nähdä vielä joitakin aikoja sitten niissä katuvaloissa, joissa käytettiin matalapainenatriumlamppuja. Niiden valo oli täysin yksivärisen keltaista, mistä syystä niistä on pikku hiljaa luovuttu, vaikka ne muuten olisivatkin hyvin energiatehokkaita valon tuottajia.

 Eri metallien liekkireaktioita. Natrium vasemmanpuoleisena. Kyseessä ei ole siis palaminen vaan kullekin aineelle tyypillinen viritystilojen purkautumista seuraavan säteilyn väri.

Dosentille antaisin vastauksesta auskultooineen aineenopettajan valtuuksilla arvosanan 6. Hesarille sen painamisesta ilman mitään kontrollia lehteen korkeintaan 5-.

 Sakarin kommenttiin liittyvä kuva minun värillisestä led-lampustani. Tämän mukaan sininen olisi kirkkain ja punainen vähiten kirkas. 

Netistä kaapattu kuva, joka havainnollistaa aallonpituusjakaumia. Jos halutaan simuloida aauringonvalon kaltaista valkoista valoa, niin on aika ymmärrettävää, että RGB-komponentit eivät ole yhtä intensiivisiä, koska ne eivät auringonvalossakaan ole sitä. Tutkailen asiaa vähän syvällisemmin itseni ja poikkitiedepalstan lukijoiden iloksi lähtitulevaisuudessa. Väri on monimutkainen juttu, ettei se ole selvinnyt yhdellä gradulla vielä edes minulle.

ps. Myöhemmin illalla. Alla oleva kuva on otettu 3 aukkoa puoleen ja toiseen haarukoiden. Liekit vaihtavat muotoaan niin nopeasti, että niistä ei saa mitään järkevää HR-kuvaa.

 

Tuleen tuijottelu on hypnotisoivaa. Kuvattu kymmenkertaisesti hidastaen. Siniset liekit ovat Solventolista.

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. 

Synttärimuna pulloon

Kävin katsomassa tiedekeskus Heurekassa tiedeteatteriesityksen HYVÄ TULI! uusimman version kenraaliharjoituksen. Se on vauhdikas tulishow, jossa draaman keinoin kerrotaan palamiseen fysiikasta ja kemiasta. Suosittelen vilpittömästi tätä hienosti valo- ja äänimaisemaa yhdistävää esitystä, jos se  sattuu eteen tulemaan. Vaikka ihan yllättäen ja tilaamatta.

Seuraavana päivänä tuli sähköpostissa kiertokirje, jossa minäkin olin päässyt jostain syystä credit-listalle yhtenä alla olevan "seuraavista". En ihan kärkeen, mutta joukon jatkeeksi kuitenkin. (Listaa ei häveliäisyyssyistä johtuen ole tässä). Alla oleva sähköpostivaihto käytiin.

Kiitos kaikille innokkaasta kannustuksesta eilen. Ihan pienellä Heu-panoksella ei tällaista esitystä synnytetä. 1000 asteen kiitokset seuraaville, suunnilleen tuleen astumisjärjestyksessä.
Esitykset jatkuvat! Hyvä tuli! on tarjonnassa harkintamme mukaan sesonkiaikoina, lomakausina, perhepäivinä jne. eli aina kun haluamme tarjota isolle yleisölle napakan elämyksen. Allekirjoittaneiden lisäksi koulutamme vielä kaksi esittäjää - näin voimme sytyttää tulet joinakin viikonloppuinakin.

T. Heko, Nina, Otso, Juuso

Esityshän on kaikin puolin hieno ja vaikuttava. Tieteellistä draamaa tai dramaattista tiedettä parhaimmillaan - miten päin vain halutaan.
Poikkitieteilijä ei olisi poikkitieteilijä, jos hän ei malttaisi olla huomauttamatta pienestä yksityiskohdasta.
Muna pulloon tempun yhteydessä kerrotaan alipaineen vetävän kananmunan pulloon. Fysiikan käsitteiden suhteen tässä on mennyt vähän puurot ja vellit eli työnnöt ja vedot sekaisin. Kun muna sujahtaa pulloon, jokin tekee työtä. Alipaine, ääritilana tyhjiö, ei voi tehdä työtä eli vetää jotain puoleensa. Työtä tekee ylipaine. Siis pullon ulkopuolella oleva ylipaine työntää munan pulloon tai huoneilman ja pullon sisuksen välinen paine-ero työntää munan pulloon. Tilanne olisi ihan sama, jos kaappia lattialla työnnettäessä sanottaisiin, että kaappi liikkuu, koska kitkavoima puute vetää sitä.
Mutta kuten tuli jo todettua, tätä esitystä ei tarvitse hävetä isoimmillakaan foorumeilla. Siinä ei hiki haise, mikä on paras indikaattori tehdyn työn määrästä.


Timo Poikkitieteilijä.

Olet oikeassa (taas). Puhuessamme käytämme useimmiten ilmaisua "ulkopuolisen ilman suurempi paine työntää/painaa/survoo munan sisään". Tuohan korjataan pikimmiten kahdella tavalla:
1) tekstimuutos, kolmella kielellä
2) koko koe pois! (uusi huimempi koe onkin jo työn alla)
Kiitos tarkkuudesta,
Heko

Jäämme jännityksellä odottamaan kehityksen kehittymistä.
TS


Tiede on objektiivista, julkista ja itseään korjaavaa. Samaan ilmoittaa pyrkivänsä myös omien arvojensa perusteella tiedekeskus Heureka. Yllä oleva kirjeenvaihto vahvistaa omalta osaltaan tämän pyrkimyksen toteutumista.

Muna pulloon on variaatio jokaiselle fysiikanopettajalle tutustua demosta, jossa alaspäin käännettyyn vesilasiin nousee vettä, kun lasissa oleva kynttilä sammuu hapen puutteeseen. Ilmiön selitykset vain ontuvat aina silloin tällöin.

Ensimmäinen väärinkäsitys liittyy edellä mainittuun alipaineen kuviteltuun kykyyn vetää tai imeä materiaa puoleensa. Tämä väärinkäsitys ei ole sinänsä mitenkään ihmeteltävä. Onhan esimerkiksi pillillä mehua imettäessä konkreettinen tunne juuri se, että imu vetää mehua pillin avulla lasista. Mehun nousun todellinen aiheuttaja, eli ilmanpaine kun tekee työtään taustalla täysin huomaamattomasti.  Aistihavainnot ja niistä saamat mielikuvat kun eivät aina ole sopusoinnussa todellisten fysikaalisten lakien kanssa. Ei keskipakovoimakaan olisi pysynyt niin pitkään hengissä, jos ei vastaisi paremmin kokemusta kuin ympyräliikkeessä todellisuudessa vaikuttava keskeisvoima.

Toinen yleinen väärinkäsitys liittyy alipaineen  syntymekanismiin. Alipaineen selitään syntyvän siitä, että ilman happi häviää palamisessa, jolloin lasiin jää vain typpeä. Tätä virheellistä käsitystä ruokkii vielä se, että veden pinta nousee suunnilleen sen verran kuin ilmassa on happea. Eli noin 20% ilmatilan kokonaismäärästä.

Happihan ei palamisen aikana katoa minnekään, se on edelleen mukana palamistuotteena. Steariinin palaessa tapahtuu lähinnä seuraavat kemialliset reaktiot.
4H+O₂ -> 2H₂0
C+O₂->CO₂

Siis kun kaksi moolia happikaasua kuluu palamiseen, niin palamiskaasuja tulee kolme moolia. Sama suhde pätee kaasujen tilavuuksiin. Kaasujen määrä siis näyttäisi pikemminkin lisääntyvän palamisen johdosta eikä suinkaan vähenevän.

Tilanne ei kuitenkaan ole näin yksinkertainen. Steariinin kemiallinen kaava on C₃H₅(C₁₈H₃₅O₂)₃. Yhdisteessä vedyn ja hiilen suhde on pyörein luvuin 2:1. Palamistuotteita tulee täydellisessä silloin samassa suhteessa reaktioyhtälön kertoimet huomioon ottaen. Eli vettä ja hiilidioksidia molempia yhtä paljon.

Vaikka palamisen tuotteena syntynyt vesi onkin aluksi kaasua, niin käytännössä se tiivistyy nopeasti nestemäiseksi vedeksi, joka ei tietenkään osallistu kaasun paineen muodostumiseen. Osa hiilestäkin palaa epätäydellisesti, joten syntyvien palamiskaasujen todellista määrää on ilman tarkempia tutkimuksia aika mahdotonta päätellä.

Onneksi sitä ei tarvitsekaan tietää. Alipaine kun syntyy siten, että palamisen lämmittämä ilma laajenee ja osa siitä virtaa ulos lasista tai pullosta. Kun vesi alassuin käännetyssä lasissa tai muna pullon suulla estää ilmaa virtaamasta takaisin astiassa olevan kaasun jäähdyttyä ja paineen pienennettyä, niin ulkoinen suurempi ilmanpaine työntää vettä lasiin tai vastaavasti munan pulloon.

Vaikka tällä kokeella ei siis voidakaan osoittaa hapen osuutta ilmassa, niin jotain kvantitatiivista sen avulla voidaan kuitenkin arvioida. Vakiopaineessa saman kaasumäärän tilavuudet ovat kääntäen verrannolliset kaasujen absoluuttisiin lämpötiloihin. Kaasun tilavuus siis pienenee noin 20%, kun vesi nousee lasiin. Jos koe tehdään noin huoneen lämpötilassa, eli 293 kelvinissä, niin kynttilän lasissa lämmittämän ilman lämpötilan karkeaksi arvioksi saadaan
T= 293 K/0,8 = 366 K = 93^oC.

Mitä tällä tiedolla tekee? Ainakin sen, että tässä tempussa ei näpit ole kovin suuressa vaarassa palaa, vaan se kuluu sarjaan "Tätä voit kokeilla kotonakin!"

Entäpä missäs se synttärimuna sitten on? No tällä Steve Spanglerin Science-videolla.  Katso keskimmäinen videoista.

Rahaa kuin roskaa

Siivoilin tänään pihamme perällä olevaa työtilaani (mikä sivumennen sanottuna on yksi niistä monista asioista, joissa olen aika huono). Harjasin isompia roskia kasaan ennen imurointia ja heitin sitten rikkakihveliin kertyneen saaliin pihalla olevaan grilliin tekemääni nuotioon. Niihän ei toki kaupungin järjestyssäännön mukaan saisi tehdä, mutta ajattelin tuon lisäävän aika vähän syntisäkkini painoa - ainakin jos katsotaan suhteellista lisäystä.

Hetken päästä huomioni kiinnittyi pieneen vihreällä liekillä palavaan esineeseen. Kun nuotiossa ei ollut tulta juuri lainkaan, niin oli helppo tunnistaa se 5 sentin kolikoksi, jonka olin epähuomiossa heittänyt nuotioon roskien seassa. Kemiaa kun on tullut sekä opiskeltua että myös opetettua, niin ei ollut vaikeuksia päätellä, että edessäni oli tuttuakin tutumpi demo; liekkireaktio. Reaktion vihreä väri kertoi palavan metallin olevan kuparia. Ei järin suuri yllätys, että 5 sentin kuparikolikolla saadaan aikaisekseen kuparin liekkireaktio.

Minulla kun ei ole pikkurahan puutetta ja kun oli muuta kiireistä menoa (viedä lapsenlapset Lintsille), niin jätin kolikon kuumaan nuotioon. Otin kuitenkin tilanteesta valokuvan ja jopa pienen videonpätkän. Illalla latasin ottamani valokuvan tietokoneelle ja näin, että minulta oli päivällä jäänyt kokonaan huomaatta toinenkin nuotioon eksynyt kolikko. Koloreunaisuudesta tunnistin sen 20 senttiseksi.

Niin varakas en sentään ole, että minulla olisi varaa heittää roskien mukana nuotioon näin paljon rahaa. Onneksi tuhkakin oli jo jäähtynyt, joten saatoin kaivaa molemmat nuotiossa olleet kolikot ( + vielä yhden 10 sentin kolikon) oikeaan käyttöön, eli huomenna lähikaupan kassan kautta kansantalouden kasvua pönkittämään.

Minua jäi arveluttamaan, miksi 5 sentin kolikko antoi kauniin vihreän liekin, mutta 20 sentin kolikosta ei näyttänyt tulevan minkäänlaista liekkiä. Mitähän metallia kullan värinen 20 sentin kolikko mahtaa olla? Muistin, että Heurekan sivuilla oli paljon asiaa kolikoista, mm. niiden metallikoostumukset. Ei kun Kolikon tie sivuille.

Sieltä löytyi seuraavanlaista tietoa kolikoista:

5 c kuparipinnoitettu teräs

20 c Nordic Gold™ eli 89 % kuparia, 5 % alumiinia, 5 %

sinkkiä, 1 % tinaa

5 sentin "kuparikolikko" onkin siis vain päällystetty kuparilla, sisältä silkkoa terästä. 20 sentin kolikossa on kuparia paljon enemmän. Miksei siitä tullut kuparin liekkireaktiota?

Palaminen on pintareaktio, eli palaminen tapahtuu materian pinnassa palavan aineen yhteyessa ilman happeen. Eli 5 sentin kolikko antaa vihreän liekin, koska vain kolikon pinnassa oleva metalli on reaktiossa mukana. Mutta kun 20 sentin kolikossa on kuitenkin 89 % kuparia, niin pitäisihän senkin antaa niin voimakas kuparin liekkireaktio, että vihreä liekki ei peittyisi liekin muiden värien sekaan.

Olisiko fysiikan ja kemian opiskelijan Sudenpentujen käsikirjasta eli MAOL ry:n taulukkokirjata apua? Se on minulle tietokirjoista se, josta vieläkin löydän monet fysiikan ja kemian tiedot nopeammin kuin netistä. On tosin kirjaa tullut opettaja-aikoina plärättyä toisenkin kerran.

Kuparin lämmönjohtavuus on noin 400 W/Km, mikä on pyörein luvuin 20-kertainen teräksen lämmönjohtavuuteen. Olisiko siinä selitys? Ainakin se antaa aineet hypoteesiin. 5 sentin kolikon pinta pystyy kuumenemaan jo hiipuvassakin nuotiossa niin paljon kuumemmaksi kuin 20 sentin kolikon pinta, koska lämpö siirtyy kolikon teräksisiin sisäosiin paljon huonommin kuin materiaaliltaan homogeenisen 20 sentin kolikon sisäosiin.

Tieteelliseen, jopa poikkitieteelliseen metodiin kuuluu hypoteesin heittäminen tieteellisen (myös poikkitieteellisen) yhteisön hampaisiin vapaasti raadeltavaksi. Mutta vain tieteen omin argumentein. Esitän siis yllä olevaa syyksi liekkireaktion puuttumiseen 20 sentin kolikolla nuotiossa sitä grillattaessa. Hypoteesia tukevat tai sen kumoavat argumentit ovat vapaasti esitettävissä.

 

Nuotiosta noukitut kolikot. Kuten näkyy, niin 5 sentin kolikon ohut kuparipinnoite on jo osittain palanut puhki ja teräksinen sisus on osin näkyvissä.