Author: Mika Toivonen

Vesipisaroita

Kirjoittaja Mika Toivonen Julkaistu

Vesipisara lehdellä
Vesimolekyylien välinen koheesiovoima pitää pisaran pyöreänä. Adheesio pitää pisaran paikallaan lehdellä. Kuva: Mika Toivonen
Monelle lomalaiselle taivaalta tippuvat vesipisarat ovat tulleet tänä kesänä varsin tutuiksi. Tätä elämänmuodollemme välttämätöntä liuotinta kaadamme kurkkuumme päivittäin, puhdistamme sillä vaatteemme sekä patoamme suurin määrin energiantuotantoon. Harvemmin kuitenkaan pysähdymme miettimään veden ainutlaatuista olemusta tarkemmin.

Vesi esiintyy luonnonolosuhteissa kiinteänä jäänä, nestemäisenä vetenä ja kaasumaisena vesihöyrynä. Veden olomuotomuutokset ovat hyvinkin keskeisessä roolissa yhtä lailla ilmaston kannalta, mutta myös luonnon kasvien, eläinten ja ihmisten lämmönsäätelyssä.

Veden korkean ominaislämpökapasiteetin ja höyrystymislämmön vuoksi olomuotomuutokset vaativat tapahtuakseen varsin suuren energiamäärän. Tämä ominaisuus tekee vedestä erittäin käyttökelpoisen aineen lämmönsiirtoon ja -varastointiin.

Vesimolekyyli koostuu yhdestä happi- ja kahdesta vetyatomista, jotka ovat keskenään sitoutuneet kovalenttisiksi sidoksiksi kutsutulla sähkömagneettisella voimalla. Varausjakauma vesimolekyyleissä ei ole aivan tasainen, mikä tuo vesimolekyylille dipoliluonteen. Dipolia voi tässä tapauksessa ajatella hyvin (hyvin) pikkuriikkisenä paristona tai magneettina (paitsi se ei ole tietenkään näistä kumpaakaan, mutta menköön nyt tällä kertaa ajattelun apuvälineeksi). Vesimolekyylin dipoliluonteen seurauksena vesimolekyylejä voi ohjata sähkökentässä, esimerkiksi ohut kraanasta valuva vesivana taipuu sähköisesti varautuneen kamman läheisyydessä. Vesimolekyylien poolisuutta voi hyödyntää myös laittamalla ne värähtelemään ja lämpenemään mikroaaltouunin suurtaajuisessa sähkömagneettisessa kentässä.

Vesimolekyylien välillä vaikuttaa voimia, kuten vetysidosvoimat, van der Waals -vuorovaikutusvoimat sekä dipoli-dipoli -sidoksien väliset voimat. Näistä tietysti kaikki, mutta erityisesti vetysidosvoimat ovat vastuussa veden mielenkiintoisista fysikaalisista ominaisuuksista. Veden korkea sulamis- ja kiehumispiste sekä veden erikoinen ominaisuus olla painavinta juuri +4 Celcius-asteisena ovat näiden voimien ansiota. Ominaisuutta ainakin kalat kiittävät, sillä se pitää talvisin järven yleensä edes pohjasta sulana.

Vesimolekyylien väliset vetysidosvoimat (koheesiovoimat) sekä veteen kosketuksessa olevan aineen väliset voimat (adheesio) tuottavat vedelle myös muita mielenkiintoisia ominaisuuksia. Syvällä vedessä molekyylien väliset voimat jakautuvat tasaisesti, mutta veden pinnalla voimien yhteisvaikutus suuntautuu alaspäin. Tämä luo eräänlaisen joustavan kumimaisen kalvon veden pintaan.

Ilmiö tunnetaan pintajännityksenä. Vesi on tunnetusti märkää, mutta juuri pintajännityksen vuoksi se ei ole lainkaan riittävän kastelevaa esimerkiksi pyykinpesuun. Veteen liuenneet suolat (myös tavallinen ruokasuola kelpaa, jos asiaa haluaa kokeilla) nostavat veden pintajännitystä. Saippuan ainesosat puolestaan pienentävät veden pintajännitystä. Pintajännityksen pienentyessä veden pisarakoko tulee pienemmäksi liuottaen näin likaa entistä paremmin.

Pintajännitys on elinehtona vesimittarin tyyppisille hyönteisille, jotka kykenevät näin sulavasti luistelemaan kesällä tyynellä järvenpinnalla. Pintajännitys, tässä tapauksessa osin ehkä myös Arkhimedeen lain noste ovat riittävän vahvoja kannattelemaan jopa kevyimpiä kolikoita.

Puolestaan adheesion ja koheesion tasapainotilana syntyvä kapillaari-ilmiö lienee tuttu kahvinjuojille. Kapillaari-ilmiön seurauksena varovasti kahvikuppiin kulmasta kastettu sokeripala vettyy painovoimaa uhmaten hetkessä kokonaan. Vastaavalla tavalla myös kasvit saavat nostettua vettä ohuiden hiussuonien avulla aina juuresta latvaan saakka.

Mikäli kesäloma kaikesta huolimatta uhkaa mennä säätilan suhteen pieleen, voi sadepäivien ratoksi aina kokeilla rakentaa veden potentiaalienergiaa hyödyntävän, jo vuonna 1867 kehitetyn Kelvinin elektrostaattisen generaattorin!

Lisätietoja:
http://www.splung.com/content/sid/3/page/electrostatic_machines

Video:
Kelvin electrostatic generator, Dr. Walter Lewin, MIT
http://www.youtube.com/watch?v=GTt-qM1UwXo

http://fi.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waalsin_voima + koheesio, adheesio

Juhannustaikoja

Kirjoittaja Mika Toivonen Julkaistu

Suolaa ja jäämurskaa pakastepussissa
Jäämurskaa ja suolaa pakastepussissa. Jään sulaminen ja suolan liukeneminen veteen ovat molemmat voimakkaasti lämpöä sitovia reaktioita.
Suomalaisessa kansanperinteessä juhannustaikoja tehtiin ennen muinoin moneenkin eri arjen pulmaan ja murheeseen. Taioilla manattiin parempaa satoa, parempaa naimaonnea ja pahoja henkiä pois pirttejä riivaamasta.

Vielä nykyäänkin, joko mökillä tai kesän muissa riennoissa, voi tulla tarve taikoa pitkän automatkan aikana ylikuumentunut juhannusvirvoke nopeasti kylmäksi.

Ongelma on haastava ja piinaa janoista mieltä. Onneksi ratkaisu on lähellä. Helpon saatavuutensa puolesta vesi soveltuu viilennykseen hyvin, sillä vedellä on korkea ominaislämpökapasiteetti ja höyrystymislämpö. Nämä ominaisuudet tekevät vedestä hyvän kylmäaineen.

Vesi haihtuessaan sitoo lämpöä, jolloin haihtumisjäähtymistä voi hyödyntää käärimällä viilennystä vaativat juomat märkään pyyhkeeseen.

Vesistön läheisyydessä virvokkeen voi upottaa katiskan mukana luonnon omaan jääkaappiin viilenemään. Vesi on tiheimmillään ja raskainta +4 Celcius-asteisena järven pohjassa. Saalis lienee varma kalaonnesta huolimatta. Ahvenet kiittävät, kun eivät mahtuneet katiskaan.

Talvella järvestä leikattu ja sahanpuruun säilötty jää kruunaisi tietysti koko omavaraisen mökkijuhannuksen. Jäämurskan sekaan voi heittää kourallisen kiteistä merisuolaa, jota sekoitellen ja ravistellen voi päästä kohtalaisen kylmiin lämpötiloihin.

Menetelmä on hyödyllinen juomien pikakylmennyksen lisäksi myös itse tehtyjen kylmäpussien ja kotitekoisen jäätelön valmistuksessa. Villalapaset on syytä laittaa käsiin, etteivät näpit palellu keskellä kesää!

Lähteet:

Lumi lusmuilee kesän sahanpurun alla
http://yle.fi/uutiset/lumi_lusmuilee_kesan_sahanpurun_alla/6098079

Eiran Jää – Eira Is Vantaanjoella
http://kaupunginosat.net/oulunkyla/historia/eiran_jaa_s.htm
Britta Holmlund, avustajana Kaj Blomberg

Tiede.fi, keskustelu: Kaljan/limsan jäähdytys
http://www.tiede.fi/keskustelut/kemia-fysiikka-ja-matematiikka-f3/kaljan-limsan-jaahdytys-t6694.html

Make Ice Cream in a Baggie
http://chemistry.about.com/cs/howtos/a/aa020404a.htm

Valokuva:
Suolaa ja jäämurskaa pakastepussissa
Mika Toivonen

Venuksen ylikulku

Kirjoittaja Mika Toivonen Julkaistu

Neulanreikäpeili
Hyvin pienikokoinen peili taittaa valoa keskittävän linssin tavoin. Peilin voi valmistaa suuremmasta esimerkiksi peittämällä ja rei'ittämällä. Kuvassa peili ja kaukaa varjostimelle projisoitu kuva Auringosta.
Tällä viikolla taivaankappaleiden liikkeistä kiinnostuneita kohtaa harvinaisen mielenkiintoinen havaintomahdollisuus. Keskiviikkona aamuyöstä alkava Venuksen ylikulku muistuttaa pienimuotoista auringonpimennystä.

Venus on nähtävissä pienenä mustana pilkkuna tai pisarana Auringon pintaa vasten. Etelässä voi käytännössä olla mahdollista havaita ainoastaan ohikulun loppuvaiheet, mutta esimerkiksi Sodankylän pohjoispuolella ilmiö voi olla sään salliessa mahdollista nähdä alusta loppuun saakka kokonaan.

Mielenkiintoisen Venuksen ylikulusta tekee se, että ilmiö toistuu kaksi kertaa peräkkäin kahdeksan vuoden välein, mutta kahden perättäisen ylikulun jälkeen tulee aina 105,5 tai 121,5 vuoden tauko.

Ylikulkuja tapahtui edellisen kerran joulukuussa vuosina 1874 ja 1882, kesäkuussa 2004 tapahtunut sekä nyt keskiviikkona 6. kesäkuuta alkava ylikulku. Tätä seuraavaa ylikulkua harvempi meistä enää koskaan tulee näkemään, sillä havaintomahdollisuutta saamme odottaa vuosien 2117 ja 2125 joulukuuhun.

Auringon tarkkailu paljain silmin on hyvin vaarallista. Monet näkyvälle valolle mustat materiaalit, esimerkiksi aurinkolasit, filmit ja muovit voivat olla todellisuudessa täysin läpinäkyviä infrapuna-alueella.

Auringon havainnointiin tulee käyttää aina riittävää silmien suojausta. Suojalaseja voi yrittää etsiä rautakaupasta, esimerkiksi tummuusasteen 14 DIN hitsauslasit soveltuvat ainakin muutaman minuutin turvalliseen Auringon tarkkailuun.

Aurinko hitsauslasin takaa
Aurinkoa voi katsoa turvallisesti vasta 14 DIN hitsaussuojalasin takaa.
Vaihtoehtoisesti auringon kuvan voi projisoida seinälle tai valkokankaalle hieman teippiä ja sorminäppäryyttä vaativalla askartelutuokiolla. Järjestely vaatii suhteellisen pitkiä etäisyyksiä, kärsivällisyyttä ja tarkkoja sormia, mutta tarkoitukseen soveltuvan pienen peilin rakentaminen on optiikasta kiinnostuneille hyvin opettavainen kokemus.

Peilin rakentaminen vastaa idealtaan läheisesti neulanreikäkamerana tunnettua kameroiden esi-isää, mutta pienen rei’än tilalla käytämme tasaista peiliä. Peilin ei välttämättä tarvitse olla pieni pala. Peilin voi valmistaa suurempaa peiliä rikkomatta esimerkiksi peittämällä.

Valon taipuminen kapeissa raoissa tekee pienikokoisesta peilistä linssin keskittämään Auringon kuva sopivasti asetetulle varjostimelle.

Mukavia katseluhetkiä!

Lähteet:

Transit of Venus – 8 June 2004, Great Court, Trinity College Cambridge The ”Reflected Pinhole”
Using a mirror as a pinhole to produce an image of the sun
http://www2.eng.cam.ac.uk/~hemh/transit.htm

http://www.ursa.fi/tahtitieteesta/aurinkokelloveistos.html

http://fi.wikipedia.org/wiki/Neulanreik%C3%A4kamera

http://fi.wikipedia.org/wiki/Venuksen_ylikulku

http://www.transitofvenus.nl/files/TransitOfVenus.pdf

http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2012/05/17/61-2012VenusTransit-poster1280.jpg

Ultraviolettikatastrofi

Kirjoittaja Mika Toivonen Julkaistu

Päivän ylin UV-indeksi ma 21.5.2012
Päivän ylin UV-indeksi tänään maanantaina.

Alkava kesä saa voikukat kukkimaan nurmikolla ja ruohon odottamaan leikkaajaansa. Kärpäset, paarmat ja ampiaiset ovat saaneet Etelä-Suomen suunnalla jo hyvän aikaa lämmitellä kevätkohmeisia jalkojaan – ja varsinkin leukojaan. Ilmassa voi nähdä jos jonkinmoista alkavan kesän herättämää siivekästä surisemassa.

Kärpäsen tiedetään aistivan ultraviolettivaloa ja kenties hyödyntävän tätä ominaisuutta suunnistaessaan. Keltaisena ja vihreävartisena näkemämme voikukka voi näyttäytyä kärpäsen silmin aivan erilaisissa väreissä. Kärpänen saattaisi nähdä sinisen taivaan sijaan kirkkaan ultravioletin valon siroaman taivaan, nähdä vadelmapensaan järsineen rusakon virtsalammikot hehkumassa kirkkaana nurmikolla. Kenties kärpänen näkisi ohikiitävän junan katolla rätisevän sähköisen ajolangan kipinän, ja sen puoli kylää valaisevan ultravioletin valon loimotuksen.

Kärpänen voikukalla
Kärpäsen tiedetään aistivan ultraviolettisäteilyä.

Ihmissilmälle näkyvän valon ulottumattomissa, violetin värin tuolla puolen sijaitsevaa lyhyempää 380 .. 100 nanometrin aallonpituuden osa-aluetta kutsutaan ultravioletiksi alueeksi. Auringon säteilystä noin 7% sijaitsee ultravioletin aallonpituudella, mutta onneksemme maanpinnalle matkatessaan ultraviolettisäteilyn vaarallisimmat aallopituudet vaimenevat, ei kuitenkaan kokonaan. Kesän helteillä rapeaa ihoa kaipaavien auringonpalvojien olisi syytä muistaa, että UV-säteilyn voimakkaan siroamisen vuoksi ruskettuminen ja vitamiinivarastojen tankkaaminen on mahdollista myös varjossa.

UV-säteilyllä saadaan materiaaleista esiin mielenkiintoinen, fluoresenssiksi kutsuttu ilmiö, missä ihmissilmälle näkymättömällä UV-säteilyllä valaistut kappaleet loistavat takaisin pidemmän aallonpituuden näkyvää valoa. Ilmiö tulee esiin rusakon rosvoretken lisäksi myös fluoresoivia mineraaleja sisältävissä kivissä, timanteissa, kasveissa ja luonnossa muutenkin monin tavoin.

UV-valon fluoresenssi saa voikukan terälehdet, kuvaustaustan ja sanomalehden eri painovärien hohtamaan näkyvää valoa.
Alkujaan kellertävä paperi ja pesukoneen pyykki näyttävät silmiimme valkoistakin valkoisemmalta, mikäli käytössä on optisia kirkasteita muuntamassa UV-säteilyä näkyvän aallonpituuden sinertäväksi väriksi. Jos kellastuneiden, jo elämää nähneiden lakanoiden värispektriä korjataan sinisillä värisävyillä, saadaan tuloksena puhtaat valkeat lakanat. Siltä se ainakin silmiimme näyttää. Kärpänen lentäisi kirkuen karkuun.

Lähteet:

The sensitivity of housefly photoreceptors in the mid-ultraviolet and the limits of the visible spectrum
Timothy H. Goldsmith, Hector R. Fernandez, Department of Biology, Yale University, 1968

Fluoresoivat värit
Mutanen Jarkko, fysiikan väitöskirjatyö, Joensuun yliopisto, 2004

http://fi.wikipedia.org/wiki/Uv

Valokuvat:
Päivän ylin UV-indeksi, Foreca Ltd
Kärpänen voikukalla, Mika Toivonen
Voikukka suojaamattoman elohopealampun valossa, Mika Toivonen

Superkuu

Kirjoittaja Mika Toivonen Julkaistu

Kuutamo
Pohjanmaalla kaikki on suurempaa. Myös Kuu vaikuttaa näyttäytyvän tavanomaista suurempana.
”Tähtitieteilijä ei mahda mitään sille, että hänestä Kuu näyttää suuremmalta juuri noustuaan kuin jonkin aikaa myöhemmin, vaikka tämä harha ei petkuta häntä.” –Immanuel Kant, Puhtaan järjen kritiikki (1781)

Kuu, tuo taivaan kivinen kiertolainen, näyttäytyi viikonloppuna superkuuksi nimettynä. Superkuun aikaan Kuu on kiertoradallaan lähinnä maapalloa ja näyttäytyy ehkäpä juuri siksi aivan erityisen suurena ja kirkkaana. Kansanuskomuksissa täysikuun tiedetään valvottavan ihmisiä. Kuu saa koirat ulvomaan koppiensa katoilla ja mieleltään herkemmät tanssahtelemaan kepeämmin kohti kesän kukkaketoa.

Kuu kiertää maata elliptisellä radalla, minkä seurauksena Kuun välimatka Maahan vaihtelee jatkuvasti. Perigeumiksi kutsutaan sitä kiertoradan pistettä, missä Kuu sijaitsee lähinnä Maata. Radan kaukaisinta pistettä kutsutaan apogeumiksi. Kuun kokoero kahden pisteen välillä voi olla silminkin nähtävissä. Tämä ei kuitenkaan täysin selitä sitä, miksi Kuu joskus tuntuu näyttävän tavattoman suurelta.

Yleisen käsityksen mukaan kyseessä on optinen illuusio. Lähellä taivaanrantaa oleva Kuu voi näyttää suuremmalta perspektiiviharhan vuoksi. Korkealla taivaalla loistavan Kuun suhteellista kokoa on vaikea määrittää, sillä mustaa taivasta vasten apuna ei ole mitään vertailukohtaa koon määrittämiseen. Kerrotaan, että Kuun voisi saada takaisin oikeaan mittasuhteeseen pyllistäen sille, eli kääntyen selin suureen Kuuhun katsoen sitä jalkojensa välistä.

Kuuta katsellessa on aina hyvä muistaa, että emme varsinaisesti katso Kuuta aivan silmiemme edessä, vaan hyvin kaukaa Kuun pinnasta heijastunutta auringonvaloa. Kuu heijastaa noin 12% pintaan osuneesta valosta. Maahan matkatessaan kuunvalon taival kestää noin reilun sekunnin.

Ilmakehään saapuessa kuunvalo saa optisessa mielessä oikein isän kädestä. Valkoisen valon eri osavärit siroavat ja taittuvat ilmakehässä mielenkiintoisella tavalla. Väreistä sininen siroaa voimakkaimmin ilmakehään, jolloin Kuu voi horisontin taa laskiessa näyttäytyä kellertävältä tai punaiselta, kenties muodoltaan jopa hivenen litteältä.

Kuuilluusioksi nimitetään kokemusta, jossa ihminen kokee Kuun suhteellisen koon muuttuneen sen noustessa tai laskeutuessa horisonttiin. Ajatuskin sitä, että ilmakehän eri lämpöiset ilmakerrokset toimisivat optisina linsseinä, jotka suurentaisivat meren horisonttiin laskeutuvan suuren Kuun, saa herkemmän ihmisen lähes kuuhulluuden partaalle. Varminta on kiristää pakkopaidan hihnoja, ja mitata asia itse peittämällä Kuu suoran käsivarren päähän nostetun viivoittimen tai kolikon avulla.

Kuinka suuren Kuun sinä näit viikonloppuna?

Lähteet:
Atmospheric Optics
http://www.atoptics.co.uk/

Superkuu ihastutti yötaivaalla
http://yle.fi/uutiset/superkuu_ihastutti_yotaivaalla/6084121

Kuuilluusio
http://fi.wikipedia.org/wiki/Kuuilluusio

Valokuva:
Kuu Pohjanmaalla – (c) Mervi Korpiaho. Lupa julkaisuun saatu.

Tippaleipää ja serpentiiniä

Kirjoittaja Mika Toivonen Julkaistu

Tippaleipä
Kevyemmän vaihtoehdon tippaleivän voi valmistaa kätevästi siniaaltoja summaamalla. Kuva: Mika Toivonen

Vappuaattoon on tasan viikko aikaa. Monissa kodeissa ja opiskelijakomeroissa vappuun liittyy lähes joulun kaltainen kihelmöivä odotus. Voi sitä riemua ja vatsanväännettä siinä vaiheessa, kun pulleat rusinat nousevat vihdoin Kleinin simapullon pintaan!

Kleinin simapullo on topologisesti mielenkiintoinen kappale. Tarvitsee vain kuvitella pullo, jonka kaulan ulkopinta kiertyy pullon pintaa leikkaamatta sisäpinnaksi. Tämä ei onnistu tuntemassamme kolmessa ulottuvuudessa, mutta vapun kunniaksi suotakoon vapausasteita neljänteen ulottuvuuteen. Harmillisesti Kleinin simapullon tilavuus on nolla, joten tämä seikka voi jossain vaiheessa alkaa harmittamaan vapun kulkijaa.

Kleinin simapullolle läheistä sukua on myös Möbiuksen serpentiininauha. Nauhan valmistamiseen tarvitaan vain pätkä serpentiiniä, minkä toinen pää kierretään 180-astetta ja liimataan nauhan päät yhteen. Nauhan pintaa pitkin voi laittaa teekkarin konttaamaan ja hämmästyä, miten tämä tulee kiertäneeksi nauhan molemmat puolet liikumalla jatkuvasti samaan suuntaan.

Tippaleipien suhteen voi harkita tänä vappuna kevyempää vaihtoehtoa. Tippaleipiä voi valmistaa kätevästi sinikäyriä summaamalla. Tarvitaan vain sopivasti venytettyjä, kutistettuja, paisutettuja ja vaimennettuja sinikäyriä, puolikarkeaa näytteenottotaajuutta ja paistamalla tippaleivät oskilloskoopin XY-tasossa.

Hyvää vapun odotusta kaikille!

Lähteet:
http://fi.wikipedia.org/wiki/Kleinin_pullo
http://fi.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6biuksen_nauha