Mitä, jos maapallo ei pyörisi?

Kuvan lähde

Hesarin lasten tiedekysymyksissä.

Mitä tapahtuu, jos maapallo lakkaa pyörimästä?

Joosua Orell, 5

Maa tai mikään muukaan planeetta ei voi olla kokonaan pyörimättä akselinsa ympäri. Jos Maa ei pyörisi lainkaan, merenpinnan laskua ja nousua aiheuttavat vuorovesivoimat vääntäisivät sen pyörimään hitaasti.

Mikäli maapallo pystyisi olemaan pyörimättä, vuorokausi ja vuosi olisivat sama asia. Olisi puolen vuoden mittainen päivä eli kesä ja sen jälkeen puolen vuoden mittainen yö eli talvi.

Lämpötilaerot näiden vuodenaikojen välillä olisivat hurjat. Päiväpuolella maapalloa olisi kuuma kuin saunassa. Se varmaankin kuivuisi aavikoksi. Talvipuolella lumi kerääntyisi pikku hiljaa kilometrien paksuiseksi jäätiköksi.

Rengasmaisella alueella päivän ja yön rajan lähellä voisi olla elämälle sopiva lämpötila, mutta siellä olisi jatkuva myrsky. Maan puoliskojen suuri lämpötilaero nimittäin pitäisi yllä hurjaa tuulta.

Kerran vuodessa pyörähtäviä planeettoja voi olla olemassa, mutta meidän aurinkokunnassamme niitä ei ole. Onneksi maapallon pyöriminen ei voi hidastua näin radikaalisti miljardeihin vuosiin.

Tiera Laitinen

tutkija

Ilmatieteen laitos

Hesarin fysiikkaa käsittelevien lasten tiedekysymysten vastaukset tiedesivuilla saavat minut yleensä hieman murheellisiksi ja vähän ärtyneiksikin. Kerta toisensa jälkeen hukataan ainutlaatuinen tilaisuus kertoa jännittävistä fysikaalisista ilmiöistä suurelle yleisölle. Kysymyksissä kun ei ole mitään vikaa, vastaukset vain on turhan usein huitaistu vasemmalla kädellä. Ymmärrän tämän siinä mielessä, että näistä kirjoituksista ei makseta mitään, palkkiona on "näkyvyyttä".

Virkatyönä tehtynä se on vielä ihan hyväksyttävää, kuten myös vaikka meikäläisen eläkkeellä olevan kansansivistäjän kohdalla. Tosin kun minua viimeksi (luultavasti myös viimeisen kerran) pyydettiin kommentoimaan, niin nostin vähän kulmakarvoja lupaukselle "näkyvyydestä". Annoin kuitenkin kommentin, sitä ei julkaistu.

Mutta päivän epistolaan. Tutkija Tiera Laitisen vastauksessa ei sinänsä ole minusta mitään merkittävää sisällöllistä vikaa, vähän hienosäätöä korkeintaan. Pyörimättömiä taivaankappaleita ei tiettävästi ole. Mikään fysiikan laki ei estä niiden olemassaoloa, niiden syntytapa vain on sellainen, että syntyvälle taivaankappaleelle jää tietty pyörimismäärä ikään kuin perintönä sen synnyttäneiden kappaleiden ja hiukkasten liikemääristä. Siksi kokonaan pyörimättömän planeetan ominaisuuksien spekulointi ei täytä oikein edes Einsteinin kuuluisien "Gedanken Experimentien" kriteereitä. Ne eivät johda mihinkään todelliseen mahdollisuuteen.

Lukittu pyöriminen, jollainen on mm. Kuun kierto Maan ympäri, on paljon mielenkiintoisempi tapaus. Hesarin jutussa vain täydellinen pyörimättömyys ja lukittu pyörimättömyys on sekaisin kuin entisen miehen puurot ja vellit. Lukija ei saa oikein selvää, puhutaanko jossain kappaleessa pyörimättömästä planeetasta vai lukitussa pyörimisessä olevasta planeetasta.

Jos planeetta ei pyöri lainkaan, niin siellä on kaikki vuorokauden ajat kiertäen koko ajan jossain. Pysyvää jääpeitettä ei voi tulla vain toiselle puolelle planeettaa, koska keskustähden eli auringon koordinaatistossa planeetta näyttä pyörähtävän kerran vuodessa akselinsa ympäri. Siis kaikki puolet saavat lämpöä ja valoa puoli vuotta kerrallaan.

Jos ilman ja veden määrä olisivat samat kuin meidän maapallollamme, niin seurauksena olisi tosiaan hurjat sateet ja niistä johtuvat tulvat sekä myrskyisät tuulet. Ei mitenkään suotuisa paikka ainakaan meidän tuntemamme elämän tyyssijaksi, ja kuten tuli sanottua, tällaista paikkaa tuskin on missään maailmankaikkeudessa.

Sen sijaan keskustähteen nähden lukitussa pyörimisessä olevia planeettoja on varmaan vaikka huru mycket. Maapallonkin pyöriminen hidastuu koko ajan. Vauhdin voi päätellä siitä, että sadassa vuodessa vuorokausi on pidentynyt 17 millisekuntia. Tästä johtuen ajanlaskussa on karkaussekunteja sopivin välein, jotta tähtitieteellisen vuorokauden pituus pysyisi synkronissa kelloajan kanssa.

Jos oletetaan maapallon pyörimisen hidastuvan vähän kuin urheilukilpailuista tutun tasaisen vauhdin taulukossa (mitä se kyllä tee, mutta saadaan vähän suurusluokkaperspektiiviä), niin tätä menoa maapallo oli lukitussa pyörimisessä Auringon ympäri noin 5 miljardin vuoden päästä. Tästä ei siis kannata vielä suuremmin huolestua.

Jos nyt kuitenkin ajatellaan, että tapahtumien kulku olisikin niin huima, että se tapahtuisi muutamien vuosien kuluessa, niin siitä seuraisi aika dramaattisia globaaleja juttuja ihmiskunnankin näkövinkkelistä asiaa katsottaessa.

Auringon kiertolaisena Maa ei ole yksi taivaankappale, vaan Maa ja Kuu muodostavat piiriä pyörivät parin kuin suomalaisessa tanhussa. Maa ja Kuu lukittuisivat yhdessä. Koska Kuu kiertää Maata, niin niiden yhteinen painopiste ei pysy koko ajan yhtä kaukana Auringosta. Siitä syystä Maa ei näyttäisikään koko ajan samaa puolta itsestään Auringolle kuten Kuu Maalle, vaan pyörisi hitaasti Kuun kierron vääntämänä. Joten, kun ollaan tässä ajatuskokeessa ainakin aurinkokunnan herroja, niin potkaistaan Kuu hemmettiin häiritsemästä spekulointia ja rasittamasta liikaa Hercule Poirot'n mainostamia harmaita aivosoluja.

Oletetaan siis, että Maa olisi jämähtänyt tiukasti lukittuun pyörimiseen Auringon ympärillä olevalla kiertoradallaan. Auringon puolella olisi ikuinen päivä ja toisella loputon yö. Mitä siitä seuraisi?

Muuttujia on paljon ja niiden väliset takaisinkytkennät monimutkaisia. Jonkinlaisia perusfysiikkaan perustuvia pohdintoja voidaan kuitenkin esittää.

Maapallon keskilämpötila on tällä hetkellä on 14 celsiusastetta eli 287 kelvinia. Tämän lämpöinen maapallo säteilee lämpöä avaruuteen samalla teholla millä Aurinko sitä lämmittää. Jos Auringon säteilyä tulisi vain yhdelle puolelle maapalloa, niin säteilyn määrä tälle puolelle olisi tuplat nykyisestä ja toiselle puolelle ei jäisi sitten mitään. Vastaavasti maapallo itse säteilisi pääasiassa vain Auringon puoleiselta puoliskoltaan.

Koska lämpösäteilyä lähettävän alan pinta-ala puolittuu, niin säteilevän pinnan lämpötilan täytyy kohota. Säteilyn intensiteetti on verrannollista absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin. Laskemalla tästä saataisiin aurinkoisen puolen keskilämpötilaksi noin 70 celsiusastetta. Parahultainen löylyn lämpötila, ihan kuten ilmatieteilijä jutussaan toteaa. Näin siis pyörimisen ollessa lukittu.

Hyvän vertailukohdan saa Kuusta, joka poikkeaa Maasta siinä, että sillä ei ole lämpötiloja tasoittavaa ilmakehää ja se pyörähtää akselinsa ympäri paljon hitaammin kuin Maa. Kerran 29,5 vuorokaudessa Aurinkoon nähden. Näin ollen Kuun pinta ehtii kuumeta kunnolla Aurinkoon päin ollessaan ja vastaavasti toinen puoli jäähtyy. Lämpötila Kuun pinnalla vaihtelee noin +120 ja -200 celsiusasteen välillä. Miten Kuussa voi olla niin paljon kuumempaa kuin Maassa, vaikka molemmat ovat keskimäärin yhtä kaukana Auringosta?

Keskeinen syy siihen on siinä, että Kuun albedo eli heijastuskyky on vain noin 14 %, kun se Maalla on 37 %. Maa siis heijastaa melkein kolminkertaisesti siihen osuvasta Auringon säteilystä Kuuhun verrattuna. Maan suuri albedoprosentti johtuu lähinnä pilvien ja veden suuresta heijastuskyvystä. Lukitusti pyörivän maapallon auringon puoleinen puolisko olisi kuitenkin täysin kuivaa ja pilvetöntä autiomaata, jolloin tämän kivisen  hiekka-autiomaan albedo olisi suunnilleen sama kuin Kuun ja vastaavasti se lämpenisi selkeästi kuumemmaksi kuin mainittu 70 astetta. Jos autiotuneen puolen albedo olisi sama kuin Kuun, niin keskilämpötila nousisi noin 160 asteeseen. On myös syytä huomata, että kyseessä on keskilämpötila. Kohdassa, jossa Aurinko on pysyvästi zeniitissä, lämpötila olisi tietysti vielä paljon korkeampi.

Hurja lämpötilaero auringon paahtaman puolen ja ikuisen varjon puolen välillä saisi kylmät tuulet puhaltamaan maan pintaan myöten varjon puolelta valon puolelle ja yläilmoissa päinvastoin. Tosin se puhuri voisi jäädä lyhytaikaiseksi, sillä varjon puolen hyytävä kylmyys voisi saada sekä hapen että typen nesteytymään. Se olisi ilmakehän loppu.

Nämä pohdinnat ovat yksinkertaisista malleista lähteviä ajatuskokeita. Voi olla hyvinkin oleellisia seikkoja, joita en ole osannut ottaa huomioon. Siitä olen kuitenkin ihan varma, että lukitusti Auringon ympäri pyörivä Maa ei olisi mikään ihannepaikka nykyisille elämänmuodoille. Korkeintaan syvällä maan sisällä nykyäänkin eläville bakteereille.

Mitä tapahtuisi jos poraisi reiän maapallon läpi ja hyppäisi siihen?

Siberian Times

Siperiaan syntyneet reiät eivät taida ulottua ihan maapallon lävitse. Muuten ne olisivat kätevä tapa livahtaa pois  Venäjältä, jos Putinin komento on alkanut kyllästyttää tai pelottaa.

Hesarin lasten fysikaalisten tiedekysymysten vastaukset saavat välillä myötähäpeän punan nousemaan jopa poikkitieteilijän kasvoille. Tällä kertaa Miro Turunen, 10 v. kysäisi otsikon mukaisesti, että mitä tapahtuisi jos poraisi reiän maapallon läpi ja hyppäisi siihen. 

Tohtorikoulutettava Ilkka Hendolin Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta vastasi siihen näin.

"Reiän poraaminen maapallon läpi tyssäisi moniin ongelmiin jo alkumatkasta. Mutta ei anneta sen häiritä, vaan mietitään, mitä tapahtuisi, jos reikä maapallon läpi olisi olemassa.

Ensinnäkin reikä täyttyisi ilmalla. Niinpä hyppääjän menoa hidastaisi ilmanvastus, ja vauhti jäisi parhaimmillaankin muutamaan sataan kilometriin tunnissa.

Niin hidas vauhti ei riittäisi syöksemään hyppääjää maapallon läpi, vaan hän pysähtyisi paikoilleen lähelle maapallon ydintä. Siellä musertava ilmanpaine ja kuumuus tekisivät olon vähintäänkin tukalaksi.

Jos hyppääjä haluaisi päästä maapallon läpi, reiästä täytyisi pumpata ilma pois tieltä.

Ongelmaksi jäisi vielä maapallon pyöriminen, joka saisi hyppääjään törmäilemään tunnelin seiniin. Osumat hidastaisivat menoa ja estäisivät läpipääsyn.

Pyörimisen aiheuttamat ongelmat saataisiin poistettua poraamalla reikä maapallon akselin suuntaisesti pohjoisnavalta etelänavalle.

Ilmattomassa navalta navalle vievässä tunnelissa hyppääjän vauhti kiihtyisi melkein 30 000 kilometriin tunnissa, ja vain 42 minuutin matkanteon jälkeen hän putkahtaisi pinnalle toisella puolella maapalloa.

Siellä hänen täytyisi tarrata nopeasti kiinni johonkin, tai hän putoaisi välittömästi reikään uudelleen."

Ihan jees. Vastattu siihen, mitä kysyttiin ja tavalla, jonka Miro 10 v. voisi ikänsä puolesta ymmärtää. Kouluarvosanoin entisenä fyssan maikkana antaisin tästä 10-. Mistä pieni vähennys? Selviää kohta.

Lienee aika ilmeistä, että koetta on ihan oikeasti mahdotonta suorittaa. Sopivan laitteiston voisi rakentaa korkeintaan sama älykäs suunnittelija, joka aikoinaan muun muassa pysäytti Auringon keskelle taivasta, jotta Israelin kansa näkisi paremmin listiä vihollisensa. Ehkä samanlaiseen tarkoitukseen voisi porata reiän maapallon lävitse. Sitä myöten pääsisi äkkiä livistämään toiselle puolen maapalloa, jos olot syystä tai toisesta kävisivät liian tukaliksi.

Ajatuskokeissa, Einsteinin tunnetuksi tekemissä Gedankenexperimenteissä kaikki on mahdollista. Koeolosuhteet voidaan muokata aivan halutun kaltaisiksi jättäen hankalia rajoittavia tekijöitä tarpeen mukaan huomiotta. Kuten ilmanvastusta tai kitkaa.

Joten oletetaan aluksi, että edellä mainittu kaikkeen kykenevä olento työntää päistään kiinni pultatun onton putken maapallon lävitse. Putkella olisi pituutta noin 12700 km. Mitä tapahtuisi, kun putken päät avataan?

Ilma tietysti "putoaisi" putkeen molemmilta puolilta ihan samalla tavalla kuin putkeen hyppäävä ihminen. Painovoima vaikuttaa ilmamolekyyleihin ihan samalla tavalla kuin mihin muuhun tahansa massaan.

Mitä syvemmälle reiässä mennään, sitä heikompi on painovoima. Sen aikaansaama putoamiskiihtyvyys putoaa lineaarisesti maan pinnalta maan keskipisteeseen mentäessä arvosta noin 10 m/s^2 nollaan. Ihan alkeismatematiikalla ei nopeutta maapallon keskipisteessä saada selville, mutta integroimalla loppunopeudeksi saadaan noin 7900 m/s. Kun ilmassat iskeytyisivät yhteen maapallon keskipisteessä, niin syntyvä pamaus olisi melkoinen. 

Kaasun tilaa makrotasolla kuvaa paremmin sen lämpötila kuin yksittäisten molekyylien nopeus. Kaasun lämpötila kelvineissä on verrannollista molekyylien keskinopeuden neliöön. Kun tiedetään, että ilmamolekyylien nopeus on noin 350 m/s lämpötilan ollessa 300 kelviniä, niin verrannosta T/300 = (7900/350)^2 ilman lämpötilaksi T maapallon keskustassa saadaan taas pyörein luvuin T = 150.000 kelviniä och samma på svenska celsiuksina. Sanoisin että aika vari. Happea ei olisi enää lainkaan, vaan kaikki putkessa vähänkin syvemmällä oleva ilman happi olisi yhtynyt typpeen ja synnyttänyt typen oksideja.

Ikävät olosuhteen kaiken kaikkiaan, jos joku päättäisi hypätä heti perään, kun putki oli korkattu. Älykäs suunnittelijakin olisi saanut laittaa putkeensa vähän tiukempaa toistaiseksi tuntematonta materiaalia, jotta se ei sulaisi. Korkein tunnettujen materiaalien sulamispiste on volframilla, noin 4000 kelviniä. Mutta me ajatuskokeilijat emme olekaan älykkään suunnittelijan kanssa tällaisten fysikaalisten reunaehtojen vankeja.

Joten oletetaan saman tien, että maapallo on sisuksiaan myöten kylmä planeetta, reikään virrannut kaasu on jäähtynyt ja jopa vaihdettu normaaliksi hapen ja typen koostumukseksi. Miten nyt kävisi reikään hyppääjälle?

Ei kovin hyvin nytkään, vaikka hän olisi samanlaisen ammuksen sisällä kuin Jules Vernen matkalaiset romaanissa Maasta Kuuhun. Nimittäin ilmanpaine maapallon keskustassa olisi noin 300 miljoonaa kertaa suurempi kuin mitä se on Maan pinnalla. Vaikka älykkään suunnittelijan tekemä sukkula selviytyisikin hurjasta paineesta, niin ilman tihetessä sen ilmanvastus kasvaisi niin suureksi, että putoava alus sekä kuumenisi ja lopulta pysähtyisi kokonaan, kun se ei pääsisi enää tiheän ilman lävitse. Paine olisi puristanut ilman kiinteäksi aineeksi.

Joten ei kun pumpataan ilma tarpeettomana pois. Tai mennään suosiolla Kuuhun, jossa sitä ei ole lainkaan harmina. Kuullakin on nestemäinen kuuma ydin, mutta annetaan ylivertaisen älykkään suunnittelijan jäähdyttää sekin. Matka Kuun lävitse kestäisi, yllätys yllätys, kauemmin kuin matka Maan lävitse ilmatonta tunnelia pitkin.  Yhdensuuntainen matka Maan lävitse kestää siis 42 minuuttia ja Kuun lävitse noin 54 minuuttia. Syy on se, että aika on verrannollista säteen ja vetovoiman kiihtyvyyden suhteen neliöjuureen. Kuun säde on 27,3% Maan säteestä ja painovoiman kiihtyvyys vain 16,5 %. 

Pienenä pikanttina yksityiskohtana voisi vielä mainita, että Kuun pintaa hipoen ammuttu ammus kiertää Kuun samassa ajassa kuin mitä reikään hypänneeltä kuluu edestakaiseen matkaan Kuun lävitse. Aseen täytyy olla tosin aika järeä, koska ammuksen lähtönopeus olisi silloin 1,68 km/s. Suunnilleen tällä nopeudella lähtevät maailman nopeimmat ammukset aseen piipusta. Kuussa kun ei ole ilmaa, niin nopeus Kuun pintaan nähden säilyy.

Kuvan lähde

Kuvan lähteessä löytyy vähän vähemmän poikkitieteellistä, mutta vastaavasti enemmän tieteellistä tekstiä maan läpi poratun reiän fysiikasta . 

Matemaattisesti tämä voidaan perustella sillä, että planeetan läpi poratussa reiässä edes ja takaisin syöksyilevä hyppää on harmoninen värähtelijä, siis samanlainen kuin jousen päässä oleva paino. Täsmälleen sama matemaattinen lauseke on planeettaa sen pintaa kiertävän satelliitin kiertoajalla ja harmonisen värähtelijän edestakaisella värähdysajalla.  

Miksi Ilkan vastaus ei olisi ihan kympin arvoinen? Kertomus törmäilystä ei minusta mennyt ihan "putkeen". Palataan takaisin Maahan ja porataan reikä pallon lävitse päiväntasaajalta. Ilmaa ja kuumuutta ei ole nyt harmina, kun hypätään vaikka reikään vaikka Indonesian Pontianakissa, joka on yhden kulmaminuutin päässä päiväntasaajasta 109 pituuspiirillä itäistä pituutta.

Maapallon pinnan kehänopeus päiväntasaajalla on 465 m/s itään päin. Tätä sivuttaista nopeutta hyppääjä "kuljettaa mukanaan" pudotessaan reiässä. Reiän seinämät sen sijaan kiertyvät itää kohti sitä hitaammin, mitä syvemmälle mennään. Hyppääjä havaitsisi lähestyvänsä vääjäämättä seinämää ja lopulta puristuvansa siihen kiinni. Alussa hyppääjän sivuttaisnopeuden ja reiän kehänopeuksien ero ei ole kuitenkaan kovin suuri. Siksi tämä seikka ei välttämättä johda Hesarin jutun ennakoimiin törmäilyongelmiin.

Kehänopeus on suoraan verrannollinen säteen pituuteen. Mitä alemmaksi reikään hypännyt pääsisi, sitä suurempi olisi hänen ja reiän seinämän välinen vaakasuoran nopeuden ero hyppääjän osuessa seinämään.

Vähän matematiikkaa. Oletetaan, että suoraan maapallon keskipisteeseen porattu reikä on läpimitaltaan kolme  metriä. Keskelle reikää sukeltavan (tai yhtä hyvin jalat edellä hyppäävän) kehon pinta noin 1½ metrin päässä seinämän reunassa. Milloin ja millä voimalla seinämä hyppääjä osuu seinämään?

Lyhyellä putousmatkalla voidaan kiihtyvyyden ilmattomassa tunnelissa katsoa pysyvän vakiona, eli sen arvo oli g, 10 m/s^2. 

20 sekunnin kuluttua hyppääjän nopeus on 200 m/s. Tänä aikana hän olisi ehtinyt pudota 2 km. Maapallon kehänopeus 2 km:n syvyydellä on noin 464, 85 m/s, josta saatavasta sivuittaisten nopeuksien erosta voidaan edelleen laskea, että hyppääjä olisi saanut reiän itäisen seinämän "kiinni" ja osunut siihen 0,15 m/s nopeudella. En kutsuisi sitä vielä törmäykseksi, pikemminkin varovaiseksi koskeutkseksi. Siitä eteenpäin hyppääjä oikeastaan liukuu reiän itäistä seinämää myöten aina maapallon toiselle puolelle, josta katsottuna hän nousee ylös läntistä seinämää pitkin.

Kun putoaminen maapallon keskipisteeseen kestää 42 minuuttia ja hyppääjän sivuttaisnopeus muuttuu tänä aikana arvosta 465 m/s  arvoon -465 m/s, niin keskimääräinen kiihtyvyys on silloin 0,35 m/s^2. Siis vain noin 3,5% g:n arvosta. Tosin nopeuden kasvaessa näinkin vaatimattomalla voimalla painautuminen reiän seinämää vasten aiheuttaisi niin ison kitkalämmön, että toisen laulun sanoja siteeraten jälleen "tulisi tukalasti kuuma". Joten annetaan älykkään suunnittelijan tehdä hyppääjän puku ja reiän seinämät materiaalista, joka olisi täysin kitkatonta.

Reiän seinämään osumisen ongelmasta selvittäisiin sillä, että ei poratakaan päiväntasaajalta reikää maapallon keskipisteen lävitse, vaan hieman itään päin. Uusi reikä siis ottaa huomioon tämän hyppääjän sivuttaisnopeuden ja pitää hyppääjän koko ajan reiän keskellä.

Matka maapallon läpi poratun reiän läpi kestää aina saman riippumatta siitä, onko reikä porattu keskeltä vai vähän sivumpaan. Siksi niin seiniin törmäämätön Pontianakista lähtenyt hyppääjä putkahtaisi pinnalle 42 minuutin kuluttua päiväntasaajalla, mutta ei täsmälleen maapallon vastakkaisella puolella, vaan 10 astetta lännempänä. Hyppääjän kannalta sinänsä ihan mukavaa, koska Pontianakin vastakkaisella puolella ollaan keskellä Amazonin viidakkoa, mutta 10 astetta lännempänä lähellä Ecuadorin pääkaupunkia.

Jos päiväntasaajalta hypättäisiin hieman itään päin porattuun reikään, niin reikä tietyllä tavalla "ottaisi huomioon"  hyppääjän vaakasuoran alkunopeuden vaikutuksen. Toisin enää paluumatkalla tämä reikä olisikaan enää niin hyvä jos hyppääjällä on edelleen alussa saatua maanpallon pyörimisestä aiheutunutta nopeutta. Nyt tunnelin suunta olisi väärä hyppääjän vaakanopeuteen nähden. 

Edes Gedankenexperiment-todellisuudessa asia ei ole ihan näin yksinkertainen. Vaakasuoralla nopeudella varustettua putoajaa väistävän radan laskeminen ei ihan onnistu ihan Ojalan laskuopin avulla. Rata ei ole edes suora, koska kehänopeuden muutos on tasaista etäisyyden maapallon keskuksesta suhteen, mutta putoamisnopeuden muutos ei.

Tietenkin tältä kaikelta säästyttäisiin, jos porattaisiin Ilkan jutun mukainen reikä navalta navalle. Silloin maapallon pyöriminen ei aiheuttaisi näitä törmäilyongelmia. Tosin jos minulta kysyttäisiin, niin olisihan se vähän hassua hypätä pohjoisnavalta etelänavalle, kun vaihtoehtona olisi siirtyä päiväntasaajalla maapallon toiselle puolelle 42 minuutissa. Toisessa tapauksessa siirryttäisiin talvesta kesään ja toisessa päivästä yöhön.

Vihreällä  merkitty ne paikat, joissa on maata molemmilla puolilla maapallon läpi poratun reiän päissä.  Maapallon läpi poratun reiän kautta pääsisi todellakin Kiinaan -  mutta reiän toinen pää olisi silloin Etelä-Amerikassa, vieläpä se eteläpäässä. Sen sijaan Siperian reikään hyppääjä päätyisi Etelämantereelle, joten sitä voitaneen pitää joutumisena ojasta allikkoon. 

Kun maapallon pinta-alasta 71 % on vettä, niin on varsin ilmeistä, että maapallolla ei ole hirveän paljon sellaista maa-aluetta, jossa on maata myös täsmälleen maapallon toisella puolella olevassa antipodissa. Teoreettinen maksimi olisi tietysti 29 %, mutta todennäköisyyslaskennalla saadaan lähempänä oikeaa oleva tulos. 0,29 x 0,29 = 0,084. Siis todennäköisyys, että jossain satunnaisessa kohdassa maapalloa on ei ole merta tai järveä eikä sellaista ole toisellakaan puolella on 8,4 %. Tämä siis oletuksella, että maa-alueet olisivat jakautuneet suhteellisen tasaisesti maapallolla.

Maapallolla maata molemmilla antipodin puoliskoilla on kutenkin vain noin 4,4 %. Tämä johtuu siitä, että maa-alueet eivät ole jakautuneet tasaisesti maapallolle, vaan maapallo voidaan jakaa maapuoliskoon ja vesipuoliskoon. 

Maapallo voidaan jakaa siten, että maapuoliskolla on melkein yhtä paljon maata kuin vettä. Toiselle puolelle jää sitten Indonesian saaristo, Australia, Etelämanner ja Etelä-Amerikan eteläisin kärki. Veden osuus täällä on noin 90%.

Netissä on hauska sovellus, jolla voi tutkia, mikä paikka on täsmälleen maapallon toisella puolella. Suomesta katsoen siellä on Eteläinen jäämeri riippumatta siitä, mistä kohtaa Suomea alettaisiin porata reikää maapallon keskipisteen lävitse.

Reikä maapallon läpi on kiehtonut monia scifi-kirjailijoita. Aionkin käsitellä vielä tätä teemaa sarjan toisessa osassa. Siis jos aihe kiinnostaa, niin kannattaa kurkata tänne vielä hetken päästä uudestaan. 

Viiden pennin Philae

Kuva: ESA

Avaruusluotain Philae kököttää nyt komeetta Churyumov–Gerasimenkon kupeessa. Kovin vakaalla pohjalla 12.11.2014 alkanut suhde ei ole. Ei ainakaan, jos sitä pitää kasassa vain komeetan painovoima. Se kun on vain noin sadastuhannesosa siitä, mitä painovoima on maassa. Joten Maassa 100 kg painava luotain painaa Churyumov–Gerasimenkossa suunnilleen yhtä paljon kuin muinainen 5 pennin kolikko Maassa. Eli yhden gramman. Ei ole ihme, että mekaanisten näytteidenottolaitteiden käyttöä viivytetään. Niiden hidaskin liike saattaa työntää luotaimen pois komeetan pinnasta Newtonin III lain perusteella.

Siitä koitunut rahallinen menetys olisi vähän suurempi kuin kuvassa oleva vuoden 1977 alumiininen viiden pennin kolikon. Tosin sen pyyntihinta numismaattisessa nettikaupassa näkyy olevan jo 50 senttiä. Olipa hyvä, että tuli säästettyä. Mulla on niin iso liuta käytöstä poistettujen kolikoiden laatikossa. Säilytin niitä lähinnä siksi, että niillä voi kivasti demonstroida pintajännitystä.

Pokkitieteelliset jäähyväiset vesipässille

Kuva: Zahner

Vesioinaan toimintaperiaatteesta kiinnostuminen johti minut pienelle retkelle, josta ei puuttunut harha-askeliakaan, umpikujista nyt puhumattakaan. Kyseisestä laitteesta kiinnostuneita näyttää olevan runsaasti ympäri maailmaa ja siitä johtuen myös runsaasti kuvauksia netissä.

Ylen uutisten pienessä videossa vesioinaasta käyttäjä selitti, että laite on niin yksinkertainen, ettei sen toimintaa osaa oikein monimutkaisesti selostaa. Totuus on kuitenkin toisenlainen, ainakin jos koittaa selittää laitteen fysikaalista toimintaperiaatetta. Siinä on nimittäin aika monta fysikaalista juttua, joita ilman sen toimintaa on vaikea ymmärtää.

Ensimmäinen on veden kokoon puristumattomuus. Ilman sitä laite ei voisi toimia vesivasarana, eli veteen ei voisi kehittyä niin voimakasta paineiskua kuin nyt tapahtuu. Kun virtaava vesi pysäytetään, niin liikemäärän muutoksesta johtuva impulssi on.

Paineaalto etenee vedessä noin 1500 metriä sekunnissa. Heurekan tuloveden letku on noin 15 metriä pitkä, joten tieto etupään äkkipysäyksestä etenee letkun alkupäähän 1/100 sekunnissa. Siitä saa suurusluokan, missä ajassa virtaava vesi pysähtyy koko letkun mitalla. Veden pysäyttävä voima on suuri, koska voiman lausekkeessa nimittäjä on pieni massan ja nopeuden muutokseen verrattuna. Käytännössä tämä näkyy hurjana paineen kasvuna, vesivasaran iskuna.

Nämä kuvat on otettu 1/100 sekunnin välein. Jälkimmäisessä kuvassa hukkaventtiilin sulkeutumisesta aiheutunut äkillinen paineaalto on saavuttanut putkessa olevan reiän ja vesi suihkuaa siitä kiivaasti ulos. Kuvien aikaväli on aivan liian pitkä näyttämään ilmiön kunnolla. Paineaalto saavuttaa reiän noin 1/10000 sekunnista siitä, kun hukkaputken venttiili napsahtaa kiinni.

Paine avaa takaiskuventtiilin ja paine purkautuu nousuveden putkeen. Nyt astuu kuvaan kaasujen kokoon puristuvuus. Ilman painesäiliössä olevaa ilmatilaa paineaalto etenisi nousuputkessa, mutta vettä ei nousisi putkeen juuri lainkaan. Nyt kuitenkin paineaalto puristaa kaasua kokoon, jonka jättämään tilaan virtaa runsaasti vettä. Kun takaiskuventtiili menee takaisin kiinni, niin säilössä kokoon puristuneen ilman paine työntää vettä nousuputkessa ylöspäin.

Kolmas fysikaalinen reunaehto on kaasujen liukenevuus paineen alla veteen. Jos sitä ei huomioida jotenkin, niin laite on jonkin ajan kuluttua aika huonossa hapessa, eli ilmatasku häviää ja laite ei enää pysty työntämään vettä juuri lainkaan ylöspäin. Tästä itse asiasta kuultuna suomalaisen vesioinasta jo 40 vuotta käyttäneen Jukka Vanhasen minulle lähettämä viesti.

"Hei Timo 

Somerolla sijaitseva vesioinaamme on nyt toiminut 40 vuotta.  Se oli samanlainen Makon myymä kuin blogissasi mainittu 50 vuotta kolkutellut. 

Koneviestissä oli oinaasta juttu opiskeluaikanani 70-luvun alussa ja isäukko oli sen verran ennakkoluuloton, että laite asennettiin maatalon ainoaksi vesipumpuksi.  Siihen asti oltiin kantoveden varassa.  Pumppausmatka on noin 250 metriä ja korkeus oli alussa 15-18 metriä, kun vesi pumpattiin vintillä olevaan varastosäiliöön.  

Nyt vesi menee puutarhan vesilammikkoon ja korkeutta tulee noin 10 metriä.   Lähteen tuotoksi arvoin 25-30 litraa minuutissa ja lampeen saadaan parhaimmillaan 2-2,5 litraa minuutissa.   Pudotuskorkeus oinaaseen on 2 metriä.   

Ilmareiästä ei ole kokemusta, koska tulovesiputki on veden alla, eikä siihen saa ilmareikää.   Tulovesiputken on syytä olla mahdollisimman joustamatonta ja painetta kestävää materiaalia.  Metalliputki on varmaan paras,  mutta meilläkin on muovinen painevesiputki, joka ujutettiin maan alla kolmen tuuman viemäriputken sisään.  Viemäriputki ei kestänyt paineiskuja kuin muutaman vuoden (jatkuvat iskut 60 kertaa sekunnissa).   Ilmaaminen oli toistuva puuha, eli oli käveltävä oinaalle pumppaamaan käsipumpulla ilmaan painekupuun, jossa on auton venttiili.   

Viime vuonna sitten rakentelin blogini mukaisen laitteen ja sisään tungin polkupyörän sisäkumin ja siihen sopivasti ilmaa.   Nyt se on lotkotellut lähes vuoden täysin huollotta.  Vanhasta oinaasta otin vain pronssien käyntiventtiilin, joka on tehnyt arviolta satoja miljoonia iskuja.  Takaiskuventtiilikin on nyt kestänyt jo toista vuotta uudessa versiossa.   Ensimmäinen vinolaippamallinen takaiskuventtiili ei kestänyt, sivussa ollut akselipinna katkesi.  Hollantilainen herra Breur kehitti Breurram'iksi nimeämänsä laitteen pelkistä vesijohto-osista.

Jaakko Fagerlund Tampereelta on kaveri, joka on aiheesta myös kiinnostunut.  Hän oli jo pähkäillyt, että ilmakammiona voisi käyttää kalvopaisunta-astiaa, joita menee taloremonteissa kierrätykseen.   Se oli käynyt itsenikin mielessä, mutta sitten laitoin tuon muoviastian ja sinne sisuskumin sisään.   Eivät ainakaan ruostu. 

Ilmausventtiili tai niiskutusventtiili löytämässäsi videossa näyttää toimivan jotenkin.  Sen sijoitus on varmaan  hyvä vaikka liikkuvaa neulaa ei olisikaan.  Pienikin sisään kulkeutuva ilma lähtee ylöspäin.

Kowan teknolokian päivillä Ramsoossa on ollut vesioinas toiminnassa.   Tuloputki on asiallinen suora teräsputki, joka varmasti takaa hyvän paineiskun.   Ilmausreikä on yläpuolella.   Tulee tässä mieleen, että eikö sen paikka olisi mieluummin alapuolella tai joissain putken alapuolikkaalla,  jolloin ilma lähtisi kulkeutumaan heti poispäin reiästä, kun vain alipaine vaihe koittaa.

Ulkomaisilta sivuilta en ole juuri tuon videon lisäksi ilmausreikään törmännyt.   Sama ilmanliukenemisongelma on varmasti sielläkin.   Sisuskumiratkaisua on aina jollain sivulla tarjottu. 

Saksaksi laite on Wasser Widder.   Sveitsissä on Zahner -yritys, jolla on hieno video.   Vehkeet maksavat siellä tuhansia Sveitsin frangeja."

Ilmatilan katoaminen on siis ongelma. Sen voi ratkaista eristämällä ilman ja veden toisistaan, tai sitten tuomalla ilmaa lisää sitä mukaan kun sitä häviää. Tässä käytetään niiskutusventtiiliä, joka Heurekan laitteessa on siis vain pieni reikä putkessa.

Ilmaa laite imaisee sisäänsä sinä ohikiitävänä hetkenä, jolloin takaiskuventtiili menee kiinni ja hukkaventtiili on vielä kiinni. Silloin toiminnassa on ns. takaiskuvaihe (recoil phase). Paine vedessä putoaa hetkeksi (videon perusteella noin 1/50 sekunniksi) pienemmäksi kuin ilmanpaine. Reikä on pieni ja aika on lyhyt, joten paljon ilmaa kerrallaan ei laitteeseen pysty kulkeutumaan. Riittävästi kuitenkin.

Törmäsin retkelläni moniin versioihin vesioinaasta ja  monenmoisiin propellipäihin. Kuten tähän heppuun, jonka oli näköjään mahdotonta pitää kameraa hetkeäkään paikoillaan. Pumppu kuitenkin toimii ja niiskutusventtiili näkyy hienosti.

Seikkailuni vesipässin kanssa lienee nyt siinä vaiheessa, että on aika sanoa jäähyväiset. Kuinka lopulliset, sen aika näyttää

Vesioinas

Tiedekeskus Heurekan ulkonäyttelyalueella, tiedepuisto Galilein puutarhan läpi virtaavassa purossa klonksuttaa laite, jonka varmaan harva näyttelyvieras on havainnut, vielä harvempi luultavasti ymmärtänyt laitteen toimintaperiaatteen. Kyseessä on vesioinas, ilman sähköä veden virtauksen energialla vettä nostava pumppu. Laitteen hyötysuhde on aika huono, mutta vettä se pystyy nostamaan noin 20 kertaa niin korkealle, mitä on laiteeseen tuloputkessa virtaavan veden korkeusero.

Omituiselta kuulostava nimi tulee ilmeisesti laitteen tavasta "pökkiä" vettä ylöspäin putkea myöten. Englanniksi laite on hydraulic ram, eli hydraulinen oinas ja monissa muissa kielissä nimi on samantapainen. Esimerkiksi ruotsiksi vädurspump.

Laite on keksintönä aika vanha. Sen keksijänä pidetään ranskalaista Joseph-Michel Montgolfieria. Samaa heppua, jolle yhdessä veljensä on annettu kunnia myös kuumailmapallon keksimisestä. Vesioinaan keksimisvuodeksi on merkitty 1796 ja ensimmäisen kuumailmapallolennon  tekivät Pariisissa vuonna 1783 mukaan uskaltautuneet (vai olisivatko ehkä lennolle pakotettuina?) kukko, hanhi ja tähän vuohieläinteemaan hyvin sopien lammas. Kuumailmapallo puolestaan on Heurekan pitkäaikaisimpia näyttelykohteita. Tällä hetkellä se on sijoitettuna Heurekan klassikot näyttelyyn.

Kuvasta päätellen ensimmäinen kuumailmapallolento herätti suurta huomiota. Eläinten valinta oli tehty vähintäänkin poikkitieteellisin perustein. 

Heurekan vesioinas nostaa vettä purosta Galilei-puistossa olevan ekotalon edessä olevaan kylpyammeeseen. Käydessäni katsomassa sitä amme oli piripintaa myöten täynnä, mutta se johtui varmaan viime päivien rankoista sateista. Kun lapoin hieman vettä pois ammeesta, vesioinaan puskema vesinoro tuli näkyviin. Vettä ei tule kerralla paljon, mutta sitä tulee koko ajan.

Vesioinaan osat ja toimintaperiaate ovat Wikipedian mukaan seuraavat. Toimintaperiaate on ainakin tätä kirjoitettaessa Wikipediassa aika sekavasti ja minusta osin väärin selitettynä. Alla oleva on minun hypoteesin asteella oleva selitykseni laitteen toiminnasta. Oikaisevat ja täydentävät näkemykset ovat enemmän kuin tervetulleita.

1. Virtaavan veden tuloputki

2. Läpivirtaavan veden poistoputki

3. Paineveden nousuputki (tuottoputki)

4. Hukkaventtiili jossa paino

5. Takaiskuventtiili

6. Painetankki

Alla kerrottu tapahtumasarja toistuu jatkuvasti:

1. Pumpun läpi virtaava vesi (1→2) pudottaa ja samalla sulkee tietyssä virtausnopeudessa venttiilin (4).

2. Venttiilin (4) putoamisesta aiheutuva paineisku nostaa vettä painetankkiin (6), säiliön ilma paineistuu.

3. Takaiskuventtiili (5) estää veden paluun ja ylipaine säiliössä (6) työntää vettä putkessa (3) ylöspäin.

4. Virtaavan veden paine nostaa ylös ja samalla aukaisee painoventtiilin (4) ja vesi alkaa virrata poistoputkesta (2) "hukkaan" kunnes kohta 1. toistuu.

Tässä vaiheessa vesi valuu "hukkaan". Virtaavan veden tuloputki (1) on oikealla oleva paksumpi letku ja vastaavasti nousuputki (3) on keskellä oleva ohuempi letku.  

Painava venttiili on juuri pudonnut alas, jolloin "hukkaveden" tulo on hetkeksi ehtynyt. Samalla venttiilin isku on työntänyt vettä isoon säiliöön kasvattaen siellä olevan ilmapatsaan painetta. 

Toiminta perustuu nesteiden ja kaasujen ominaisuuksille. Nesteet ovat kokoon puristumattomia, kaasut eivät. Näiden avulla putoavan venttiilin paineisku työntää vettä putkeen (3) ja nostaa säiliössä olevan kaasun painetta.

Vaikeinta on ehkä ymmärtää, miksi pumpun läpi virtaava vesi sulkee tietyssä virtausnopeudessa venttiilin (4). Sitä varten täytyy tutustua toiseen Heurekan Klassikoissa esiintyvää herraan. Nimittäin Daniel Bernoulliin, jonka nimen saaneen nesteiden ja kaasujen virtaamiseen liittyvän teorian mukaisesti mm. Klassikoiden leijuva pallo pysyy ilmassa.

Bernoullin lain mukaan virtaavan kaasun virtauksen suuntaisen dynaamisen paineen ja virtausta vastaan kohtisuoran staattisen paineen summa on vakio. Kun venttiili (4) on kiinni, niin virtauksen dynaaminen paine kasvaa lopulta niin suureksi, että se työntää venttiilin auki. Veden virratessa venttiilin ohitse, virtauksen staattinen paine pitää venttiilin avonaisena niin kauan, kunnes virtauksen nopeus on niin suuri, että koko ajan pienenevä staattinen paine ei enää jaksa kannatella venttiiliä. Kun venttiili saa pudotessaan alaspäin suuntautuvaa "momentumia", niin dynaaminen vedenpainekaan ei pysty enää pidättelemään sitä. Venttiili sulkeutuu, paine vedessä nousee äkillisesti, takaiskuventtiili aukeaa ja vesi virtaa nousuputkeen.

Korjaus 29.8.2014

Yllä oleva sinisellä merkitty teksti Bernoullin laista ei liity vesioinaan toimintaan mitenkään. Se oli vääräksi osoittautunut hypoteesi. Jätän sen kuitenkin paikoilleen osoituksena siitä, että poikkitiedekin onerehtyväistä, mutta itseään korjaavaa. Seuraava hypoteesi on kommentissani 29.8.2014 klo 20:44.

  Mielenkiintoinen yksityiskohta laitteessa on tuloputkessa oleva pieni reikä. Kun vasemmalla oleva venttiili menee kiinni ja paine tulovedessä kasvaa, niin vesi suihkuaa kapeana suihkuna noin parin metrin korkeuteen. Suoraan sanoen en tiedä, mikä tämän paineen alentajan merkitys on. Pyritäänkö sillä ehkä poistamaan ilmakuplia vedestä, koska systeemin keskeinen fysikaalinen toimintaidea perustuu veden puristumattomuuteen, mikä ei todeudu, jos siinä on runsaasti ilmakuplia. Avoimia kysymyksia riittää ja tutkimukset jatkuvat.

Vesipisarat nousevat ohuena suihkuna pari metrin korkeuteen tuloputken pienestä reiästä.

Ainakaan minä en nähnyt mitään näyttelytekstejä tämän kohteen luona. Minusta vesioinas ansaitsisi sellaiset. Se on minun fyysikon silmälasein katsottuna yksi Heurekan kiehtovimmista kohteista.

Pieni video Heurekan vesioinaasta.

Lähikuvavideo vesioinaasta

ps. 8.9.2014

Sain tänään postia poikkitieteellisen innokkaaksi seuraajaksi ilmottautuneelta henkilöltä. Hän lähetti kuvan Keksintöjen kirjasta vuodelta 1937. Siinä ole oli kaavakuva vesioinaasta. Kuvassa ei näkynyt mitään niiskutusventtiiliä (sniff valve).

Artikkeli vesioinaasta Keksintöjen kirjasta vuodelta 1937. Ei näy niiskutusventtiiliä kaavakuvassa.

Tutkin myös kuva kuvalta hidastetusta videosta veden virtausta niiskutusventtiilistä yhden syklin aikana. Venttiilistä, joka siis on pelkkä pieni riekä tuloputkessa, virtaa vettä ulospäin lukuunottamatta 1/50 sekunnin aikaa, jolloin vettä ei tule. Kuvista ei pysty mitenkään näkemään, virtaako sinä aikana ilmaa sisään.

Neljän peräkkäisen kuvan sarja videolta, joka kuvaa 100 ruutua sekunnussa. Kahdessa keskimmäisessä kuvassa ei tule vettä putkessa olevasta reiästä. Jos venttiili ilmee ilmaa putkeen, niin sen täytyy tapahtua tämän 1/50 sekunnin aikana, koska kaikkina muina hetkinä syklin kestäessä vettä tulee ulos reiästä vaihtelevalla voimalla.

Joten tämän hetkinen hypoteesini niiskutusventtiilin suhteen on se, että se on keventämässä painetta ja vähentämässä venttiileihin kohdistuvaa rasitusta. Näin venttiilit saadaan kestämään pidempään.

Juoksevassa purovedessä on aina ilmaa. Sekä kuplina että liuenneena. Vaikka paine toisaalta pyrkii liuottamaan kaasuja veteen, niin toisaalta isku saa veteen liunneita kaasuja vapautumaan. Jokainen täräytettyä olut- tai limskapulloa avannut on varmasti havainnut tämän. Joten ilman saannin kannalta niiskutusventtiili ei välttämättä ole tarpeellinen.

Toimiiko laite siis sen ansiosta vai siitä huolimatta? Siinäpä yhtä kiperä arvoitus kuin Viiltäjä Jackin henkilöllisyys aikoinaan. Jos suomalainen tutkija pystyi selvittämään viimeksi mainitun mysteerin, niin varmaan se onnistuu vesioinaan arvoituksellisen niiskutusventtiilinkin tapauksessa. Katseet kohdistuvat Heurekan pajan suuntaan.

ps. 9.9.2014

Tilanteet vaihtelevat. Tämä video kallisti sittenkin mielipiteeni sen kannalle, että niiskuventtiili tarvitaan. Heurekan laitteessa se vain on hieman oudossa paikassa ja se on pelkkä reikä, ei edestakaisin liikkuva venttiili kuten videossa. Ellei mullistavaa ilmene, niin katson vesioinaan tulleen ratkaistuksi ja siirryn uusiin poikkitieteellisiin teemoihin. Käykää Heurekassa katsomassa laitetta, ennen kuin talvi tulee. Se on kerta kaikkiaan kiehtova laite. Kuten netissä aiheesta olevassa hyvin runsaasta materiaalista voi päätellä. Hakusanalla "hydraulic ram".

Ylen videossa henkilö koittaa luistaa laitteen toimintaperiaatteessa sanomalla, että se on niin yksinkertainen laite, että sitä ei osaa selittää. Fysikaalinen periaate ei ole ihan yksinkertainen. Poikkitieteilijäkin on erehtynyt useampaankin kertaan sen toimintaperiaatta selvitellessään.

Päivän kärsä

Lehtikuvaaja Jore Puusa jakaa palkintoa nimeltä "Päivän kärsä" "ansiokkaasta" lehtikuvauksesta. Kun itse olen saanut Jorelta suorastaan "Kuukauden kärsä" -palkinnon, niin katson moraaliseksi oikeudeksi omia saman nimisen palkinnon antamisen myös itselleni. Perusteeni vain ovat hieman toiset. Minulla ne tulevat jalkapallosuorituksista ja palkintoa jaetaan vain futiksen mm-kisojen ajan.

  

Rakkaalla lapsella on monta nimeä. Kärkipotku, kärkkäri, kärsä. Potkulla on vähän kyseenalainen maine, mutta lähietäisyydeltä ja ahtaassa paikassa se on yhtä tappavan tehokas ase kuin Colt Peacemaker aikoinaan Villin Lännen kapakkatappeluissa. Seniori-ikään päässeenä, mutta vieläkin palloa satunnaisti potkivana olen havainnut kärsän olevan vähiten ongelmallinen potku revähdysten suhteen. Paljastettakoon tämä potentiaalisille vastustajan maalivahdeille. Kärsään kannattaa varautua meikäläisen päästessä maalintekopaikkaan.

Ensimmäiset Päivän kärsät menevät kaksin kappalein Chilen pelaajille Eduardo Vargasille ja Charles Aránguizille maaleistaan Espanjaa vastaan. Perustelut kuvateksteissä. 

1-0 syntymässä. Chilen hyökkäys on repinyt Espanjan puolustuksen aivan riekaleiksi. Siitä huolimatta maali on lopulta pienestä kiinni. Eduardo Vargas on ohittanut sivuittaisliikkeellä vastaan liukuneen maalivahti Iker Casillaksen, mutta pallo on samalla karannut hieman liian eteen. Vargasin paino on takimmaisella oikealla jalalla, joten kunnon laukaukseen ei ole enää aikaa, kun puolustaja Sergio Ramos on juuri työntämässä jalkaansa laukauksen eteen ja toisaalta Casillaskin peittää suuren osan maalista. 

Tyylikkään, mutta aikaa vievän nilkka- tai sisäteräpotkun sijasta Vargas tuikkaakin pallon kärsällä. Kuvasta näkyy hyvin, miten lähellä Ramosin pelastava jalka on siitä huolimatta. Asennosta, josta paikoillaan olevan Vargasin potku lähtee, ei voi mitenkään jatkaa vartalolla liikettä eteenpäin. Se on fysikaalisesti mahdotonta. Voiman oikean jalan potkuun Vargas saakin kiertämällä yläruumistaan taaksepäin, jolloin jalka tämän vastaliikkeenä kiertyy eteenpäin. Vargasilla tuskin oli koulun fysiikan kaavat tässä vaiheessa kovin aktiivisesti mielessä, mutta tapahtumalle on olemassa nimikin. Liikemäärän säilyminen.

Netissä on erilaisia animaatioita pelitapahtumien kulusta. Pelaajat ovat suunnilleen oikeilla paikoilla, mutta paikoiltaan potkaistun kärsän fysiikka on kuvassa pielessä. Pelaaja ei voi sekä potkaista että kaatua eteenpäin. 

Tästä kuvasta näkyy myös selvästi, miten Vargasin ylävartalo ja jalka liikkuvat eri suuntiin. Sergio Ramosin kenkä on pari ratkaisevaa sekunnin sadasosaa myöhässä. Iker Casillas on liukunut vasemmalle peittämään ja koittaa epätoivoisesti kääntyä takaisin. Kuvasta näkee selvästi, että tässä asennossa kohtisuoraan maata vasten olevalla jalalla on mahdotonta saadaa työntövoimaa oikealle. 

2-0 lähtee tästä. Casillas on nyrkkeillyt vapaapotkun suoraan  Charles Aránguizin jalkoihin. Espanjalla on kymmenen pelaajaa rangaistusalueen sisällä ja yhdestoistakin on tulossa. Ei auta, kun Casillas on täysin väärin sijoittunut. Hän on totaalisesti maskissa yhden oman ja yhden Chilen pelaajan takana.

Tästä kuvasta näkyy hyvin, miten hyvin kaksi pelaajaa peittävät Casillaksen ja pallon välisen linjan. Laukaus ei ole kova eikä edes suuntaudu ihan kulmaan. Casillas yksinkertaisesti vain ei näe sitä riittävän ajoissa eikä sitten ehdi enää reagoida siihen.

Aránguizin tyylipuhdas kärsä. Nilkka ei ojennu kuten nilkkapotkussa. Paikaltaan potkaistaessa usein ainoa mahdollisuus. Se vaatimaton, mutta tässä tapauksessa kuitenkin riittävä voima palloon saadaan samalla tavalla kuin edellisessäkin tilaanteessa. Vartalon taaksepäin suuntautuvalla vastaliikkeellä. 

Vaari näyttää kärsän mallia Heurekan mittausradalla. Potku on tehty vauhdista, jolloin vartalon liike suuntautuu eteenpäin. Tässä näkyy yksi kärsän etu. Osumakohta, tässä pisteen kohdalla, on selvästi tukijalan edessä. Tiukassa paikassa kärsällä saattaa ylettyä potkaisemaan sellaista palloa, joka muuten potkaistaessa väistämättä kohoaisi korkeuksiin.

Kulttuurihenkilö potkaisee paikoiltaan perinteisellä kärsätyylillä perinteisillä kulttuurihenkilön futiskengillä (normaaleilla kävelykengillä) ja voittaa isänsä, tosin niukkaakin niukemmin. Tässäkin potku lähtee selkeästi tukijalan edestä ja ilman vauhtia suoritettuna voima siihen saadaan ylävartaloa taaksepäin kallistamalla - ihan kuin Päivän kärsällä palkitut chileläispelaajatkin tekivät.

Vertailun vuoksi urheilijanuorukaisen tekemä tyylipuhdas nilkkapotku. Potkaisevan jalan nilkka ojentuu. Tukijalka on ollut pallon vieressä, ei takana. Voimaa potkuun saadaan paitsi vauhdista niin myös käsillä autetusta vartalonkierrosta oikealle. Nopeuttakin on huimat 80 km/h.

Menkööt vielä yksi Päivän kärsä takautuvasti Robin van Persielle. Kärsällä kurottamalla päästään tässäkin potkaisemaan noin 1½ metrin päässä olevaa palloa. Espanjan Gerard Piqué on ulkona tilanteesta kuin lumiukko.  Kärsä rules!

Muna pystyyn väärinpäin

Avustin Heurekan tämän kesän tiedeleiriä "Hyrrän hyrinää" nimisessä projektissa. Lähinnä olin ideoimassa siihen tulevia tutkimusprojekteja ja sen ohessa olin fysiikan asiantuntijana. Ihan mukava pikku jobi.

Yksi tutkimuskohteista oli tutkia, miten keitetty kananmuna saataisiin pystyyn. Arkipäivän fysiikkaa tuntevat tietävät tietysti keinon. Kun muna laitetaan lappeellaan pyörimään vinhasti, niin se nousee ihmeellisesti pystyyn. Olin juuri kertomassa, miten muna pyrkii pyörimään siten, että sen painopiste on alhaalla ja pyörimissäde mahdollisimman pieni, eli muna pyörii pystyasennossa suippo pää ylhäällä. Silloin yksi munaa pyörittävä ryhmä huusi: "Opettaja, opettaja! Meillä muna nousi pystyyn väärinpäin."

Näin todellakin oli käynyt. Otin vielä munan mukaani tarkempia tutkimuksia varten. Sen käyttäytyminen pysyi samanlaisena. Minulla on teoria siitä, miksi juuri tämä muna nousi pystyyn väärinpäin, mutta en hennonnut vielä rikkoa sitä tarkempia tutkimuksia varten. Kommenttina saa esittää omia teorioita, miksi näin. Kirjapalkinto taas parhaimman selityksen antajalle.

4.6.2014

Munatutkimukset jatkuvat.

Kananmunan leveämmässä päässä on ilmatasku, tässä kuvassa merkittynä numerolla 14.

Ilmatasku suurenee munan vanhetessa. Yleensä ilmataskusta tulee hieman epäsymmetrinen.

Väärinpäin pystyyn nousevalle munalle on tehty ruumiinavaus, tai ainakin se on kuorittu. Tämän munan ilmatasku on jo aika iso. Lisäksi se on poikkeuksellisen symmetrisesti munan leveämmässä päässä. 

Kun muna on tarpeeksi vanha ennen keittämistä, sen ilmatasku on kasvanut niin suureksi, että munan painopiste on siirtynyt suipon pään puolelle. Siksi tällainen muna nousee pyöritettäessä helpommin pysytyyn leveämpi pää ylhäällä. Pyörittämisellä saa siis osviittaa siitä, kuinka vanha muna on ollut keítettäessä. Keitetyn munan ilmataskun koko ei muutu enää juuri lainkaan. 

Hypoteesin jalostuminen teoriaksi vaatii useita toisistaan riippumattomia kokeita, joten poikkitieteelliset munatutkimukset jatkuvat.

7.6.2014

Munan ilmataskun koon näkee parhaisten raa'asta munasta. Näin suuri ilmatasku vaikuttaa oleellisesti munan painopisteen paikkaan ja munan hitausmomenttiin, siis kahteen keskeiseen lappeellaan pyörivän munan käyttäytymiseen vaikuttavaan fysikaaliseen suureeseen.

Rukoilu epäonnistuu aina – paitsi sattumalta

Kuvan lähde

Tämä kuva koplaa yhteen kaikki alla olevan  jutun keskeiset teemat. Jalkapallon, rukoilemisen ja epäonnistumisen. Cristiano (nimi tarkoittaa Kristuksen seuraajaa) Ronaldo rukoilee taivaallista apua rangaistuspotkukilpailussa Portugalin ja Espanjan välisessä EM-kisojen ottelussa vuonna 2012. Joko rukousta ei kuultu tai siihen vastattiin kieltävästi. Espanja voitti rankkarikisan 4-2. Ronaldo itse Portugalin viimeisenä laukaisijana ei päässyt enää edes yrittämään, kun Espanja oli karannut jo tavoittamattomaan johtoon. 

Länsiväylä-lehdessä oli Lasten Heurekasta kertovan pikku juttu. Siinä kerrottiin mm. "…kohteisiin sijoitetuista tableteista löytyy toimintaohjeet ja kohteeseen liittyviä hauskoja ja selkokielisiä tieteellisiä faktoja. Moni on yllättynyt, että kovin voima potkuun saadaan kimmoisasta törmäyksestä, eli kun potkaistaan vastapalloon".

Piti käydä oikein katsomassa, mitä hauskoja ja selkokielisiä faktoja olin tähän kohtaan kirjoittanut.

"Fysikaalisena ilmiönä pallon potkaisu on törmäys.  Se, mitä törmääville kappaleille tapahtuu törmäyksen jälkeen, riippuu kolmesta tekijästä. Törmäyksen kimmoisuudesta, törmäävien kappaleiden massojen suhteesta ja kappaleiden nopeuksista.

Mitä kimmoisampi törmäys on, mitä suurempi on törmääjien massojen suhde ja mitä suurempi on niiden nopeusero, sitä suuremmalla vauhdilla kevyempi kappale lähtee törmäyksen jälkeen liikkeelle. Jalkapallossa kovimmat vedot saadaan aikaan potkaistaessa vauhdista kovaksi pumpattua palloa vastapalloon: potkaisija juoksee tällöin kohti vastaan liikkuvaa palloa."

Osmo A. Wiion tunnettu teesi väittää, että viestintä epäonnistuu aina – paitsi sattumalta. Nyt ei sattuma toteutunut ainakaan tämän toimittajan kohdalla. Tosin toimittajat ovat ennekin osanneet yllättää minut fysiikkaan liittyvillä tulkinnoillaan.

Kun viestin lähettäjän ja vastaanottajan käsitykset viestin sisällöstä eivät kohtaa, niin joutuu miettimään, kummassa päässä viiraa enemmän. Tähän ongelmaan törmäsin opettajaurallani oppilaiden kokeita korjatessani reilusti useammin kuin olisin halunnut. Opetinko tosiaan asian olevan noin vai eikö opetus vain mennyt perille?

Länsiväylän juttu oli sinänsä ihan hauska buffi Heurekan näyttelyyn. Jos siinä fysiikka meni vähän poskelleen, niin eihän se maailmaa kaatava juttu ole. Pikemminkin sääntö kuin poikkeus tämän tapaisissa jutuissa.

Länsiväylälehden samassa numerossa oli myös seuraava uutinen:

"Rukousiltoja Espoossakin vuosikausia pitänyt maallikkosaarnaaja Pirkko Jalovaara on saanut porttikiellon Espoonlahden seurakuntaan.

– Olemme sopineet, että hän ei enää tule meidän seurakuntaan eikä meillä ole yhteistyön jatkon edellytyksiä, sanoo Espoonlahden seurakunnan kirkkoherra Jouni Turtiainen .

Toimituksen tietojen mukaan hänellä on porttikielto myös muihin Espoon kirkkoihin.

Turtiaisen päätös liittyy Espoonlahden kirkossa vuosi sitten järjestettyyn tilaisuuteen, jossa naisen katsottiin joutuneen hengellisen väkivallan uhriksi.

Huhtikuun lopulla kerrottiin tapauksesta, jossa kohusaarnaaja Pirkko Jalovaaralta apua hakenut nainen päätyi pyörätuoliin, kun saarnaaja suggeroi hänet kävelemään ilman hänelle määrättyjä kainalosauvoja.

Seuraava Jalovaaran rukousilta oli tarkoitus järjestää Espoossa Espoonlahden kirkossa 7. toukokuuta, mutta kirkkoherra oli edellyttänyt Jalovaaran anteeksipyyntöä.

Nyt Turtiainen kuitenkin sanoo, että asiasta on keskusteltu laajasti Jalovaaran, työyhteisön ja piispankin kanssa. Turtiainen sanoo, että Jumala vastaa kaikkien rukouksiin, jotka vain rukoilevat eikä Jalovaaraa tarvita siinä välittäjänä.

– Meillä on yksi välittäjä, Jeesus, ja se riittää, Turtiainen sanoo."

Jos Länsiväylän toimittajalla oli Heurekan jutussa vähän puutteita fysiikassa, niin Jalovaaralla niitä tuntuu olevan fysiologiassa. Tai sitten viestintä Jumalan kanssa on yksinkertaisesti vain epäonnistunut. Miten muuten voisi tulkita sen, että kainalosauvoja tarvitsevia jalkoja ei saatu kantamaan omillaan? Wiion teesin innoittamana teenkin siihen korollaarin: "Rukoilu epäonnistuu aina – paitsi sattumalta". Sekin tuntuu riittävän useimmille uskovaisille vakuuttavaksi todisteeksi Jumalan olemassaolosta. 

Kuussa luotikin lentää kummemmin

Viimeisessä Tiede-lehden numerossa 5/2014 ollut pohdinta luodin käyttäytymisestä Kuussa liippaa meikäläisen poikkitieteellistä lähestymiskulmaa asioihin. Joten juttu tuli lukaistua sillä silmällä.

Vastaus, vaikka onkin professorin kynästä, vaikuttaa aika lailla vasemmalla kädellä huitaistulta. Osaavat sitä näköjään muutkin oppineet kuin Kari Enqvist.

Heittoliikkeen kantaman lausekkeessa painovoiman kiihtyvyys on nimittäjässä. Jos ilmanvastusta ei ole, niin luodin kantama on kääntäen verrannollinen painovoiman kiihtyvyyteen. Kun Kuun painovoiman kiihtyvyys on kuudesosa Maan painovoiman kiihtyvyydestä (ei kuusi kertaa heikompi), niin tyhjiössä luoti lentää kuusi kertaa niin pitkälle Kuussa kuin Maassa. Tietenkin silloin lähtönopeus ja -kulma ovat samat.

Neliöjuuri kuudesta on tekstissä esiintyvä luku 2,5. Miten siihen on päädytty, on minulle arvoitus. Yhtä outoa minusta on tarkastella nimenomaan vaakasuoraan ammuttua luotia. Luotien kantamien suhde on kaikilla samoilla nopeuksilla ja lähtökulmilla Maassa ja Kuussa vakio, koska kantaman lausekkeessa ainoa erilainen tekijä on painovoimien kiihtyvyys.

Mielestäni kirjoittaja hukkaa myös mielenkiintoisen vertailun aseiden maksimikantamien eroista Maassa ja Kuussa, joka on ainakin minusta olisi paljon kiinnostavampi kuin pohdinta siitä, että käsiaseella ei saa Kuussakaan luotia Kuuta kiertävälle radalle.

Netissä on runsaasti dataa käsiaseiden luotien lähtönopeuksista ja todellisista kantamista. Esimerkiksi eräälle 9 mm:n pistoolille on mitattu lähtönopeus 450 m/s ja todelliseksi kantamaksi 45 asteen kulmalla 2300 m. Maassa kantama ilmanvastuksen huomiotta jättämällä olisi pyöreät 20 km ja Kuussa vastaavasti 120 km. Joten luoti todellakin lentää Kuussa YLI  2,5 kertaa pidemmälle kuin täällä.

Kuriositeettina voisi mainita, että ensimmäinen pakonopeus Kuussa on noin 1,7 km/s. Sillä nopeudella saadaan siis ammus jäämään Kuuta kiertävälle radalle. Samaan lähtönopeuteen yltävät tänä päivänä tankkien käyttämät lävistävät ammukset. Joten sellainen voitaisiin ainakin teoriassa ampua Kuussa siten, että ammus ei putoaisi lainkaan takaisin Kuun pinnalle.

Kädenvääntö imaisuiden "kaksi kertaa suurempi tai pienempi" lienee luonteeltaan ikuista. Ehkä Tiede-lehden kaltainen julkaisu voisi käyttää tässä ilmaisua, jonka matemaattinen sisältö on yksikäsitteistä.  Kun Seiska-lehti tiesi taannoin kertoa, että Johanna Tukiainen oli laitattanut itselleen kaksi kertaa suuremmat silikonit, niin suurimmalle osalle lukijoita lienee ollut aika lailla yhdentekevää se, olivatkot uudet silikonit kaksin- vai kolminkertaiset aikaisempiin verrattuina.