SALATTUJA TOTUUKSIA

Miten lentokoneen siipi toimii?

Monet oppikirjat ja eri kouluasteiden opettajat selittävät siiven nostovoiman johtuvan siiven muodosta ja Bernoullin periaatteesta: siiven kuperalla yläpinnalla ilma virtaa nopeammin, ilman tiheys alenee, syntyy alipaine ja siten nostovoima. Jos siiven toimintaa kuvataan kuten kuvassa 1, ilman liiketila ja tiheys ovat täysin ennallaan siiven kuljettua sen läpi eli mitään nostovoimaa ei myöskään voi syntyä.

Kuva 1, ALLSTAR:n luvalla (Eberhardt ja Anderson). Siivellä, joka ei liikuta ilmaa, ei voi olla nostetta.

Kuva 2 on huomattavasti lähempänä totuutta. Huomaa, että siipi on muodoltaan symmetrinen ja sillä on kohtauskulma. Lentokoneet pysyvät ilmassa, koska siivet painavat ilmaa alaspäin lentokoneen painoa vastaavalla voimalla. Ja suurin osa tästä ilman pystyliikkeestä johtuu siiven kohtauskulmasta.

Kuva 2, ALLSTAR:n luvalla (Eberhardt ja Anderson). Ilmaa alaspainavalla siivellä on nostetta.

Hyvin pieni osa ilman pystyliikkeestä johtuu myös siiven yläpinnan kuperuudesta, ns. Coanda-efektista: kuperalla pinnalla virtaava fluidi (kuten vesi ja ilma) taipuu sisäisen viskositeetin takia pinnan mukana, katso kuva 3. Kuva 1 olisi todenmukaisempi, jos siiven takareunasta lähtevä ilmavirta taipuisi aavistuksen verran alaspäin, samaan tapaan kuin "downwash" kuvassa 2. Yläpinnan kuperuus ja Coanda-efekti ovat tärkeämpiä siiven virtausvastuksen ja sakkauksen ehkäisyn kannalta kuin nostovoiman kannalta.

Kuva 3, ALLSTAR:n luvalla (Eberhardt ja Anderson). Coanda-efekti: sisäinen viskositeetti taivuttaa putoavan veden lasipintaa pitkin vasemmalle ja lasiputkeen kohdistuu vastaava voima oikealle.

Ohi kiitävän lentokoneen ja siiven muoto aikaansaa voimakkaan ilmapyörteen, joka näkyy hyvin kuvassa 4.

Kuva 4, efluids:n luvalla (Jan-Olov Newborg). Alas ja sivuille suuntautuva ilmapyörre cessnajetin perässä.

Jos siiven muoto pitäisi lentokoneen ilmassa, ylösalaisin lento olisi mahdotonta. Kaikki nykyaikaisessa suihkukoneessa matkustavat voivat helposti havaita koko koneen kohtauskulman matkalennon aikana, vasta laskeuduttaessa kone kääntyy vaaka-asentoon.

Rikkoutuuko äänivalli?

Äänennopeuden ylitys ei aiheuta hetkellistä äänivallin murtumispamahdusta. Maan pinnalla havaittava pamahdus ei johdu lentokoneen jälkeen tiivistyneestä äänestä.

Nopeasti ilmassa liikkuva kappale työntää ilmaa tieltään aiheuttaen paineaallon, joka laajenee äänennopeudella pallomaisesti samalla heikentyen. Äänennopeutta lähestyvä kappale alkaa saavuttaa eteenpäin suuntautuvaa paineaaltoaan ja kappaleen ylittäessä äänennopeuden sen paineaalto tiivistyy kappaleen jäljessä kulkevaksi kartionmuotoiseksi shokkiaalloksi. Toisin sanoen yliäänennopeudella liikkuvan eli supersonisen kappaleen jäljessä kulkee koko ajan "pamahdus", joka on seurausta tiivistyneestä paineaallosta, ei kappaleen äänestä - myös ruoska voi pamahtaa. Kaikki supersonisen lentokoneen lähistöllä olevat kuulevat pamahduksen pian koneen ohitettua heidät.

Tässä kuvassa on lähellä äänennopeutta lentävä eli transsoninen B-52. Huomaa kartiomainen pilvi, joka syntyy lentokoneen alipaineaallon kohdalle. Syynä on lämpötilan lasku, jolloin veden osapaine ylittää veden höyrynpaineen. Tämä ns. Prandtl-Glauert -pilvi voi siis syntyä ilman varsinaista shokkiaaltoakin.

Miten pilvet pysyvät taivaalla?

Pisaroiden pieni koko ei ratkaise pilvien taivaalla pysymistä. Hyvin pienet pisarat vajoavat kylläkin hyvin hitaasti suhteessa niiden väliseen ilmaan. Kondensoituneen veden kokonaismassa suuressa pilvessä voi olla kuitenkin useita tonneja - kasvattaen siis vesi-ilma -seoksen kokonaismassaa useilla tonneilla. Pilven tiheys kasvaisi siten selvästi pilveä ympäröivää ilmaa suuremmaksi, jolloin koko pilven (= ilma + pisarat) tulisi vajota nopeasti.

Sopivissa olosuhteissa vesihöyryä tiivistyy pieniksi pisaroiksi ja samalla vapautuu paljon lämpöä, joka

• hidastaa tiivistymisprosessia,
• lämmittää vesipisaroita ja sitten myös pisaroita ympäröivää ilmaa.

Pilvet ovatkin "kuumailmapalloja", joissa vastakkaiseen suuntaan vaikuttavat tiheyserot tasapainottavat toisensa:

• tiivistynyt vesi tekee pilvet raskaiksi, mutta
• ympäristöä korkeampi lämpötila keventää pilviä.

Osa pilvistä kasvaa, osa pienenee ja osa näyttää stabiileilta. Kaikissa pilvissä on kuitenkin käynnissä useita prosesseja: esimerkiksi pisaroiden

• pieneneminen haihtumalla
• kasvu yhtymällä ja/tai tiivistymisen seurauksena
• liike alas muun muassa painovoimaisesti
• liike ylös lämpimän ilmavirran mukana

Pilvien sisällä oleva lämmin ilma kohoaa - erityisesti silloin, kun sataa vettä. Hiekkapussien heittäminen pois kuumailmapallosta vaikuttaa samoin. Jäljelle jäävä kylläinen vesihöyry jäähtyy kohotessaan, tiivistyy sateeksi ja kierre jatkuu. Ilma voi kohota jopa 10 - 30 m/s, jolloin voi muodostua 10 km korkeuteen ulottuvia ukkospilviä. Cumulus- eli kumpupilvet puolestaan syntyvät sopivan maastokohdan lämmittäessä ilmaa, jonka kosteus tiivistyy ilman noustua riittävän korkealle. Purjelentäjien perustietoihin kuuluu, että kasvavan kumpupilven alta löytyy yleensä hyvä termiikkikupla.

Sopivissa olosuhteissa muodostuu riittävän suuria pisaroita, jotka satavat maahan. Hitaimmin kasvaneet pisarat satavat viimeiseksi. Jos pilven tilalle virtaa uutta kuivempaa ilmaa, matalapaine täyttyy ja alkaa poutajakso, muutoin sateet jatkuvat.

Paha kasvihuoneilmiö?

Ilman kasvihuoneilmiötä suurin osa maapallon nykyisistä elämänmuodoista jäätyisi kuoliaaksi, koska maapallon keskilämpötila olisi nykyisen +14,4°C sijaan noin -18°C.

Kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan yleensä lämpötilan nousua ns. kasvihuonekaasujen absorboidessa maanpinnan infrapunasäteilyä. Seuraavassa kaaviossa kuvataan (lämpö)energian virtauksia ilmakehässä tasapainotilassa.

Kaavion lukemat perustuvat lähteeseen Kiehl and Trenberth (1996) ja ovat arvioita keskimääräisistä energiavirroista, yksikkönä W/m². Oleellisia asioita ovat muun muassa

• Tasapainossa maapallolle saapuva (342 W/m²) ja maapallolta lähtevä energiavirta (107 W/m² + 235 W/m²) ovat yhtä suuret. Sama pätee ilmakehän ja pinnan energiataseille.
• Suurin osa auringosta pinnalle pääsevästä energiasta on näkyvää valoa, joka ei reagoi ilmakehän kaasujen kanssa. Otsonikerros absorboi suuren osan UV-säteilystä ja kasvihuonekaasut IR-säteilystä.
• Vesi ja maanpinta absorboivat tehokkaasti näkyvää valoa ja säteilevät pitkäaaltoista infrapunasäteilyä (IR).
• Vain kolmasosa (168 W/m²) pinnan saamasta lämpöenergiasta on suoraan auringosta, kaksi kolmasosaa (324 W/m²) palaa lämmenneestä ilmakehästä.
• Kasvihuonekaasut pidättävät huomattavan osan (350 W/m² eli 77 %) pinnan säteilemästä IR-säteilystä.
• Veden höyrystymisen mukana poistuu enemmän lämpöä (78 W/m²) kuin pinnan IR-nettosäteilyn (390 W/m² - 324 W/m² = 66 W/m²) mukana.

Vastoin useita kaavioita, ilmakehä ei heijasta peilin tavoin pinnan säteilemää lämpöä takaisin. Pinnan säteilemä infrapunasäteily absorboituu kasvihuonekaasujen molekyyleihin, jotka sitten emittoivat saamansa energian infrapunasäteilynä ympärilleen (ei peilimäisesti heijastaen). Osa molekyylien emittoimasta säteilystä palautuu lopulta takaisin pinnalle. Kasvihuonekaasujen hetkellisesti absorboima energia näkyy keskimäärin kohonneena ilman ja pinnan lämpötilana.

Suurin osa kasvihuoneilmiöstä, jopa 70 %, on vesihöyryn ansiota. Vesihöyryn määrä ilmakehässä toisaalta vaihtelee luonnollisesti paljon sekä ajallisesti että paikallisesti. Vaikka ihminen ei oleellisesti lisääkään vesihöyryn määrää suoraan, keskilämpötilan noustessa myös vesihöyryn määrä ilmakehässä kasvaa, mikä on syytä huomioida. Metaani CH₄ ja hiilidioksidi CO₂ ovat merkittävimmät kasvihuonekaasut, joiden pitoisuus on kasvanut ihmisen toiminnan seurauksena. Tämä kasvu on pienentänyt maapallolta poistuvan lämmön määrää noin 1 W/m² verran, mikä aikaansaa havaitun ilmastonmuutoksen. Muita kasvihuonekaasuja ovat muun muassa otsoni O₃, typpioksidi N₂O sekä freonit.

Ilman pääkomponentit typpi N₂ ja happi O₂ eivät ole kasvihuonekaasuja, koska niiden kaksiatomiset molekyylit eivät rakenteensa vuoksi kykene absorboimaan infrapunasäteilyä. Useimpien kasvihuonekaasujen molekyylit ovat vähintään kolmeatomisia ja ne kykenevät absorboimaan ulkoista energiaa värähtelyliikkeeseensä.

Kasvihuoneilmiö on nimenä harhaanjohtava, koska kasvihuoneet eivät lämpene niinkään kasvihuonekaasujen takia, vaan koska seinät ja katto estävät maaperän konvektiivisesti lämmittämää ilmaa karkaamasta.

Coriolis vesialtaassa?

Coriolis-ilmiö ei käytännössä ratkaise veden pyörimissuuntaa altaissa, wc:ssä tai muissa pienissä pyörteissä. Niissä pyörimissuunnan ratkaisee vesimassan sisäinen liiketila tai rauhattomuus juuri ennen "tulpan avaamista".

Coriolis-ilmiö on kuitenkin täysin todellinen: suoraviivainen liike onkin kaareutuva, kun sitä tarkastellaan pyörivästä koordinaatistosta käsin. Pohjoisella pallonpuoliskolla liikeradat kaartuvat oikealle, eteläisellä vasemmalle. Ilmiöstä löytyy todella havainnollisia videoita mm. about.com:lta. Se vaikuttaa kaikkiin maapallolla tapahtuviin liikkeisiin, mutta ilmiön heikkouden takia se on havaittavissa lähinnä pitkäkestoisissa liikkeissä kuten hurrikaanien pyörimisessä sekä nopeissa laajoissa liikkeissä kuten tykinkranaatin lennossa. Avaruusseikkailu 2001:n tapaan avaruusasema voitaisiin laittaa pyörimään, jolloin keinotekoinen painovoima helpottaisi fyysistä sopeutumista avaruuteen. Kääntöpuolella olisi voimakas Coriolis-ilmiö, joka vaikeuttaisi henkistä sopeutumista.

Useat Coriolis-ilmiön selitykset ovat vaillinaisia tai peräti virheellisiä ^(*. Coriolis-ilmiö johtuu nopeuden muutoksista ajan ja paikan suhteen pyörivässä koordinaatistossa. Soveltaen liikemäärän säilymislakia pyörivään koordinaatistoon voidaan johtaa coriolisvoimalle seuraava yhtälö (KYLLÄ: sekä keskipako- että coriolisvoima ovat todellisia, kun asiaa tarkastellaan pyörivästä koordinaatistosta käsin - "kaikki on suhteellista".)

missä

• _C on liikkuvaan kappaleeseen vaikuttava coriolisvoima.
• m on liikkuvan kappaleen massa.
• on kappaleen nopeus.
• × tarkoittaa vektorien ristituloa. Ristitulo on aina kohtisuorassa alkuperäisten vektorien muodostamaan tasoon.
• on pyörivän alustan kulmanopeus.

Asiasta kiinnostuneille hieman lisäinformaatiota: coriolisvoima, kappaleen nopeus ja alustan kulmanopeus ovat vektorisuureita ts. niillä on sekä suuruus että suunta (molemmat on huomioitava). Maapallon pyörimisliikkeen kulmanopeus on ω = 7,292*10^-5 rad/s ja suunta pohjoiseen pyörimisakselin suuntaisesti. Jos esimerkiksi Helsingin Torni-hotellin huipulta ammuttaisiin kevyellä haupitsilla suoraan länteen 22 kg kranaatti lähtönopeudella 700 m/s, siihen vaikuttaisi coriolisvoima

_C = 2 * 22 kg * (e * 700 m/s * 7,292*10^-5 1/s * sin(90°)) = e * 2,2 N

missä e on vektoreita ja vastaan kohtisuora yksikkövektori. Helsingin leveyspiirillä maapallon pyörimisakselin suuntainen maapallon kulmanopeusvektori osoittaa n. 60° kulmassa pohjoiseen ja kranaatin nopeusvektori suoraan länteen. Niiden välinen kulma on siten 90°, mikä yksinkertaistaa ristitulon laskentaa. Kranaattiin vaikuttaa lähtöhetkellä siis 2,2 N coriolisvoima (vastaa noin 225 gramman painoa), joka osoittaa pohjoiseen ja alaspäin n. 30° kulmassa. Kranaatti osuu siis maalin eteen oikealle, jollei Coriolista huomioida. Päiväntasaajan kohdalla coriolisvoima vaikuttaa vaakasuunnassa liikkuvaan kappaleeseen vain pystysuunnassa ja navoilla vaakasuunnassa. Maapallon pyörimisakselin suuntaan liikkuvan kappaleen coriolisvoima on nolla.

Miksi sitten hirmumyrskyt ja muut laajat matalapaineet kiertyvät pohjoisella pallonpuoliskolla vasemmalle eli vastapäivään avaruudesta katsottaessa? Viereinen kuva esittää hirmumyrskyn syntymekanismin Coriolis-ilmiön vaikutuksesta. Tuulet syntyvät kohti matalapaineen keskusta, mutta coriolisvoima kiertää niitä samalla ohi oikealta. Tällöin coriolista paljon voimakkaampi alipaine muuttaa kiertosuunnan vastapäiväiseksi.

Lähteiden mukaan Coriolis-ilmiön voi havaita myös vesialtaassa erityisjärjestelyin: altaan tulisi olla suuri, täydellisen pyöreä ja hyvin eristetty ympäristön tärinältä ja tuulelta. Allas täytetään vedellä ja peitetään vähintään viikon ajaksi rauhoittumaan. Sitten keskellä pohjaa oleva neulankokoinen reikä avataan. Useiden tuntien kuluttua havaitaan vesipyörteen pyörivän vastapäivään, voilà.

^*) Seuraavassa on tyypillinen, mutta epätäydellinen ajatuskoe Coriolis-ilmiön synnystä.
Oletetaan, että seisot päiväntasaajalla, jolloin pyörit maapallon mukana lännestä itään nopeudella 1670 km/h (= kierros/24 h). Heität kiven yli-inhimillisillä voimillasi suoraan pohjoiseen. Maapallon pintanopeus hidastuu pohjoiseen päin - kunnes pohjoisnapa pyörii hitaasti paikallaan, mutta kivellä se säilyy alkuperäisenä 1670 km/h. Tämän seurauksena maanpinnalla oleva tarkkailija huomaa kiven lentoradan kaartuvan oikealle: "maapallo pyörii yhä hitaammin kiveen verrattuna". Sama ajatuskoe voidaan esittää käänteisesti vaikkapa Suomesta suoraan etelään heitetylle kivelle.
Valitettavasti tämä malli

• selittää lentoradan kaareutumisen johtuvan vain maapallon pintanopeuden eroista eri leveysasteilla,
• ennustaa väärin kaareutumisen voimakkuuden,
• ei selitä lentoradan kaareutumista suoraan itään tai länteen heitetylle kivelle,
• eikä selitä coriolisvoiman pystysuuntaista komponenttia.

Koko totuus saadaan yhdistämällä edelliseen ajatuskokeeseen toinen koe, jossa kivellä on myös itä- tai länsisuuntaista nopeutta. Itseasiassa näin käy heti edellisen kokeen alusta, kun kiven lentorata alkaa kaartua. Pyörivästä koordinaatistosta tarkasteltuna kiveen vaikuttavat

• painovoima: vetää laskennallisesti kiven ja maapallon massakeskipisteitä toisiinsa, massojen erosta johtuen vain kivi reagoi siihen selvästi.
• keskipakovoima: johtuu valitusta koordinaatistosta ja suuntautuu kohtisuoraan pois maanpyörimisakselista.
• muut voimat: esim. ilmanvastus hidastaa lentonopeutta.

Jos pohjoisella pallonpuoliskolla heitetään kivi, osittainkin, länteen päin, se kulkee maapallon pyörimissuuntaa vastaan eli maapalloa "hitaammin". Tällöin etelään ja ylöspäin vaikuttava keskipakovoima pienenee, joten kiven lentorata kaartuu pohjoiseen ja alaspäin. Sama ajatuskoe toimii käänteisesti (keskipakovoima kasvaa) itään päin heitetylle kivelle.
Pintanopeuden muutos pohjois-etelä -suunnassa ja keskipakovoiman muutos itä-länsi -suunnassa selittävät yhdessä Coriolis-ilmiön - jos on valmis sitomaan itsensä pyörivään koordinaatistoon.

Sitooko ilma kosteutta?

Väite "ilma sitoo kosteutta" voidaan tulkita vertauskuvallisesti tai konkreettisesti. Konkreettinen tulkinta ei pidä paikkaansa: ilmalla ei ole vedensitomiskykyä tai -kapasiteettia, jos ilmalla tarkoitetaan pääasiassa typen ja hapen seosta. Jos ilma tulkitaan vertauskuvallisesti "avoimeksi" tilaksi - vastakohtana nesteen tai kiintoaineen täyttämälle tilalle, alkuperäinen väite sisältää hieman epätarkan tulkinnan totuudesta.

Ilman pääkomponentit typpi- ja happimolekyylit vaikuttavat vesimolekyyleihin käytännössä saman verran kuin törmätessään toisiinsa. Kukaan ei kuitenkaan puhu siitä, kuinka paljon happea typpi kykenee sitomaan. Veden tiivistyminen lämpötilan laskiessa höyrystä nesteeksi tai pakkasella jääksi ei oikeasti johdu ilman "vedensitomiskyvyn" laskusta. Miksi höyrystynyt vesi sitten kondensoituu lämpötilan laskiessa? Ymmärtääksemme veden kondensoitumista riittää pelkästään veden ominaisuuksien tarkastelu.

Veden haihtumista ja tiivistymistä tapahtuu koko ajan kaikissa lämpötiloissa. Kuivana kesäpäivänä ilmassa yhteentörmäävät vesimolekyylit voivat yhdistyä hetkellisesti mikroskooppiseksi pisaraksi, joka hajoaa pian takaisin höyryksi ympäristöstä tulevan lämmön kiihdyttäessä molekyylien värähtelyä. Vesimolekyylejä karkaa myös -20°C lämpötilassa lumikiteen pinnalta, mutta hyvin harvoin verrattuna huoneenlämpöiseen veteen juomalasissa. Tästä huolimatta vettä saattaa höyrystyä -20°C lämpötilassa enemmän kuin tiivistyä ja huoneenlämpötilassa päinvastoin.

Höyryn määrää ilmassa kuvaa veden osapaine: mitä enemmän höyryä, sitä suurempi on veden osapaine. Daltonin lain mukaan kokonaisilmanpaine saadaan summaamalla typen, hapen ja mm. veden osapaineet yhteen.

Jos veden osapaine on pienempi kuin sen höyrynpaine kyseisessä lämpötilassa tapahtuu nettohöyrystyminen, muutoin nettokondensoituminen. Joissakin lähteissä puhutaan höyrynpaineen sijaan kyllästyspaineesta tai kylläisestä höyrynpaineesta. Höyrynpaine on veden - EI ilman - oleellinen ominaisuus, joka kasvaa lämpötilan mukana ja kuvaa osapaineen raja-arvoa, jonka yläpuolella alkaa nettokondensoituminen.

Kuivana pakkasyönä vettä siis haihtuu (= sublimoituu) lumenpinnalta enemmän kuin sitä tiivistyy (= härmistyy) ilmasta, jos veden osapaine on pienempi kuin höyrynpaine. Määrät ovat toki huomattavan pieniä. Vastaavasti, veden osapaine voi ylittää höyrynpaineen kostean ilman jäähtyessä kylpyhuoneen seinän välittömässä läheisyydessä (osapaine pysyy ennallaan, mutta höyrynpaine putoaa sen alle), jolloin nettokondensoituminen synnyttää pisaroita seinille.

Suhteellinen kosteus tarkoittaa veden osapaineen ja höyrynpaineen suhdetta * 100 %. Suhteellinen kosteus ei tarkoita ilmaseoksessa olevan ja sen maksimissaan "sitoman" vesimäärän suhdetta. Jää, vesi ja höyry käyttäytyisivät edelleen täsmälleen samoin, vaikka ilmakehästä poistettaisiin typpi ja happi. Poisto toki hankaloittaisi elämistä monella tapaa, mutta vesihöyry ei huomaisi "sitojien" kadonneen minnekään.

Höyrynpaine liittyy oleellisesti myös kiehumiseen. Kiehumispisteeseen tultaessa veden höyrynpaine on kasvanut yhtä suureksi kuin ulkoinen ilmanpaine. Tällöin höyryn muodostuminen käy mahdolliseksi myös nesteen sisässä: syntyneet höyrykuplat eivät enää luhistu veden paineessa, vaan kohoavat pinnalle nopeuttaen dramaattisesti höyrynmuodostusta.

Aiempi pätee kaikille haihtuville aineille: osapaineen ja höyrynpaineen suhde ratkaisee sen, onko voitolla tiivistyminen vai haihtuminen.

Painoton avaruus?

Painovoima ei häviä avaruudessa. Sata kilometriä korkean tornin huipulla vaaka näyttäisi painoksesi 96,9% maanpinnalla mitatusta lukemasta - melko kaukana painottomasta! Lukema perustuu Newtonin vetovoimalakiin, jonka mukaan vetovoima on kääntäen verrannollinen kappaleiden etäisyyden neliöön. Maan pinnalla olevan henkilön ja maapallon keskipisteen etäisyys on noin 6380 km, jonka ero 6480 km:iin verrattuna ei ole kovin suuri.

Painottomuudessa onkin kyse itse asiassa vapaasta pudotuksesta: painon tunne häviää niin benji-hypyn alussa kuin avaruusaluksessa maankiertoradalla. Avaruusalus eroaa benji-hyppääjästä vain siinä, että se liikkuu lisäksi eteenpäin täsmälleen nopeudella joka putoamiseen yhdistettynä pitää sen maata kiertävällä radalla. Koska avaruusmatkaajaan vaikuttaa täsmälleen sama painovoima ja hänen liiketilansakin on sama kuin avaruusaluksella, hän kokee kelluvansa painottomana aluksen sisällä, vaikka onkin vapaassa pudotuksessa maapallon suhteen.

Painottomuuden voi kokea myös hississä, jonka vaijerit pettävät, sekä parabolisella lennolla suihkukoneessa. Virgin Galactic aloittaa lähiaikoina paraboliset lennot SpaceShipTwo-aluksella, joka pistäytyy noin 100 km korkeudessa. Vain kokemuksen kestossa, turvallisuudessa ja hinnassa on eroja. Niin kauan kuin matkaajan kulkuväline on vapaassa pudotuksessa vailla muita liiketilaan vaikuttavia voimia, matkaaja tuntee olevansa painoton. Tilanne muuttuu heti hissin hätäjarrujen käynnistyessä tai ilmakehän lopulta estäessä lentovälineen kiihtymisen. Vapaa pudotuskin on terminä hämäävä: sekä paraboliset matkustajat että Apollo-astronautit ovat/olivat vapaassa pudotuksessa myös aluksen kiitäessä poispäin maapallosta moottorit sammutettuina.

Painottomuus ei tarkoita massattomuutta: leijuva matkalainen kokee oman massansa kipeästi lentovälineen nopeuden ja/tai suunnan muuttuessa. Vielä kipeämmässä esimerkissä voisit olla rahtihenkilönä avaruusasemalla. Pääsi voisi murskautua kuin munankuori sen jäädessä painottomana leijuvan rahtitavaran ja seinän väliin.

Sähkö on yksi energiamuodoista?

Sähkö ei ole energiamuoto. Jos sähkövirta määritellään varausten liikkeeksi, kuten tieteessä yleisesti tehdään, sähkövirta ei siirrä varsinaisesti energiaa vaan massaa. Sähkö ja sähkövirta ovat termeinä niin epämääräisiä, etten yritäkään antaa niille yleispätevää ja tarkkaa merkitystä. Termejä käytetään arkikielessä yleensä ymmärtämättä juurikaan niiden takana olevia ilmiöitä. Onpa ehdotettu, ettei termejä sähkö ja sähkövirta tulisi käyttää lainkaan. Miten "sähkövirta" siis toimii?

Viereisessä kuvassa on yksinkertainen avoin virtapiiri, joka sisältää pariston, hehkulampun sekä niitä yhdistävät metallijohtimet. Metallille ominaiset vapaat elektronit poukkoilevat lämpöliikkeen takia satunnaisesti metalliatomiydinten välisessä avaruudessa, joten nettosähkövirta virtapiirissä on nolla.

Kun virtapiiri suljetaan, pariston kemiallinen energia käynnistää hapetus-pelkistys -reaktiosarjan, jonka seurauksena vapaat elektronit alkavat kiertää hyvin hitaasti ympäri virtapiiriä. Elektronit ovat siis virtapiirissä valmiina, paristo vain pumppaa niitä eteenpän. Seuraavassa tarkempi kuvaus: anodimateriaali hapettuu tuottaen lisää vapaita elektroneja pariston negatiiviseen napaan. Perinteisen sinkki-mangaanioksidi -pariston anodireaktiot ovat
Zn -> Zn2+ + 2e- (elektroneja vapautuu johtimeen) Zn2+ + 2OH- -> ZnO + H20 (kuluttaa katodilta hydroksidi-ioneina tulevat elektronit)
Positiivisella navalla eli katodilla tapahtuvat pelkistysreaktiot
2MnO2 + 2e- -> 2MnOO- (kuluttaa johtimesta saapuvat elektronit) 2MnOO- + 2H20 -> 2MnOOH + 2OH- (vapauttaa elektroneja anodille hydroksidi-ioneina)

Reaktioiden seurauksena anodin puoleiseen johtimeen syntyy elektronien ylimäärä ja katodin puoleiseen alimäärä, jota voidaan pitää positiivisena varauksena, ks. kuva. Koska samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, varausten ylimäärä siirtyy johtimen pinnalle.
Johtimen pinnan ja keskiosan välinen varausero luo johtimen sisälle johtimen suuntaisen sähkökentän (E-field), joka saa kaikki keskiosan vapaat elektronit liikkumaan hitaasti katodilta anodille, ks. kuva. Vapailla elektroneilla on edelleen myös satunnainen lämpöliikkeensä, mutta sen nettovaikutus sähkövirtaan on nolla ja voidaan jättää huomiotta. Koska elektroneilla on nettoliike, piirissä on siis sähkövirta.
Elektronivirran nettonopeus on vain senttimetrejä tunnissa ja suoraan verrannollinen jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen johtimen paksuuteen - vertaa jokeen, jonka vesi virtaa nopeammin kapeikoissa

Miksi lamppu syttyy "heti", vaikka elektronit "matelevat"? Tilannetta voidaan verrata suljettukiertoiseen vesipumppu-turbiini -yhdistelmään, ks. kuva. Turbiini alkaa pyöriä lähes samanaikaisesti pumpun käynnistyessä, koska vesi liikkuu yhtenä massana. Myös virtapiirin kaikkien vapaiden elektronien nettoliike alkaa lähes samanaikaisesti. Toisaalta on hyvä huomata, että vesivirta siirtää paine-energiaa pumpulta turbiiniin, mutta sähkövirta ei siirrä energiaa.

Viereiset kaaviot esitettävät kahta toimivaa virtapiiriä, joissa kuitenkaan sama sähkövirta ei läpäise sekä "paristoa" että lamppua. Jollain tapaa energia siirtyy ilman sähkövirtaa.

Elektronien liike ja jakauma luovat johtimien ympärille sähkömagneettisen kentän, joka siirtää energiaa paristosta lamppuun. Amasci.com esittää elektroni- ja energiavirtojen erot havainnollisena taulukkona. Seuraavassa tarkempi kuvaus: liikkuvat varaukset synnyttävät ympärilleen magneettikentän, jonka voimaviivoja havainnollistetaan viereisessä kuvassa. Magneettikenttä ympyröi johtimia sylinterimäisesti ulospäin heiketen.
Elektronien yli- ja alimäärä johtimien välillä synnyttää johtimien välille sähkökentän (tämä on ulkoinen kenttä, pintavaraus aiheuttaa sisäisen sähkökentän), jonka voimaviivoja havainnollistetaan viereisessä kuvassa.
Kentät muodostavat yhdessä kohtisuorassa toisiinsa olevan sähkömagneettisen kentän (ks. kuva),
jonka ristitulo tunnetaan Poynting-kenttänä (ks. kuva, ei mittakaavassa), jossa varsinainen energiansiirto tapahtuu. Muista, että elektronit kiertävät ympyrää, joten magneettikenttä kiertyy samaan suuntaan koko virtapiirissä. Sähkökenttä on meno- ja paluujohtimissa erimerkkinen, joten energia siirtyy molempien johtimien ulkopuolella paristosta lamppuun päin. On syytä pohtia, kannattaako laittaa datakaapeli verkkojohdon viereen, tai onko sähköallergiaa oikeasti olemassa.

Virtapiirin vapaat elektronit värähtelevät vaihtovirrassa edestakaisin lähes paikoillaan (= nettoliike). Virran suunnan vaihtuessa sekä magneetti- että sähkökentän suunnat vaihtuvat, joten Poynting-kentän suunta ei muutu: se kuljettaa energiaa koko ajan samaan suuntaan kuluttajille. Mitä vähemmän sähköverkossa on energiaa kuluttavia laitteita, sitä pienemmällä energiamäärällä sähkölaitoksen generaattori jatkaa pyörimistään.

Energia siirtyy Poynting-kentässä tyypillisesti 0,35 x valonnopeudella. Sähkömagneettiset aallot liikkuvat kylläkin valonnopeudella, mutta elektronien liike välittyy valoa hitaammin Poynting-kenttään. Tähän vaikuttaa johtimia ympäröivän aineen tai aineiden dielektrisyysvakio ja muoto. Jos johtimet ovat aivan paljaat, ei edes lakkapintaa, energian siirtonopeus on lähes sama kuin valonnopeus ilmassa.

Jännite kuvaa eroa sähkökentän voimakkuudessa kahden pisteen välillä. Jos sähkökenttä rinnastetaan mäenrinteeseen, jännite olisi korkeusero mäenpisteiden välillä. Jännitettä ei voi määritellä yhdelle kappaleelle, täytyy olla myös vertailukohde. Nollasta poikkeava jännite edellyttää sähkökenttää, joka taas edellyttää varauseroa kohteiden välillä.

Hengittävä hirsiseinä?

Hirsi ei hengitä. Jo ideatasolla on selvää, ettei massiivipuu läpäise tai sido kaasuja (vesihöyry mukaanlukien) siten, että sillä olisi merkitystä ilmanvaihdon kannalta. Kokeile vaikka kastella kuivaa kakkosnelosta toiselta puolelta useiden päivien ajan. Vertailun vuoksi: asuintilojen ilman tulisi vaihtua kerran parissa tunnissa. Kokeesta selviää kuitenkin, että hirsi voi hieman tasapainottaa pitkän aikavälin kosteusvaihteluja. Niin sanotut lamellihirret toimivat ilmanvaihdon kannalta aivan yhtä hyvin kuin perinteiset hirret.

Hirsiseinä sen sijaan voi hengittää. Perinteinen hirsiseinä vuotaa käytännössä kaikista väleistä, mutta suhteellisen hitaasti. Tuulisella säällä ilmaa poistuu suojan puolelta ja korvausilmaa saadaan tuulen puolelta. Talvella ilmaa poistuu piippuefektin voimasta pääosin huoneen yläosasta ja korvausilmaa saadaan alaosasta. Tuuli ja piippuefekti voivat riittää kuivien tilojen kosteudenpoistoon ja ilmanvaihtoon. Korvausilma myös esilämpiää hirsiväleissä ehkäisten vedontunnetta. Lämpimällä kaudella on perinteisesti avattu ikkuna, tuuletusräppänä tai pelti ilmanvaihdon tehostamiseksi. Tekniikka on edelleen täysin toimiva, mutta energiataloudellisesti melko huono.

Hirsitalojen terveellisyydellekin on selkeät syynsä. Seinäpinnoista ei haihdu teknokemiallisia liuottimia. Keskimääräistä heikomman ilmanvaihdon ansiosta ilmankosteus ei laske epäterveellisen alas talvisin.

Jos hirsien välit tiivistetään mahdollisimman tiiviisti, saumattomasti ja vieläpä kosteutta läpäisemättömästi (esimerkiksi kumilla), hirsitalo onkin vääjäämättä "pullotalo", jonka ilmanvaihtoon on käytettävä muita reittejä.

Eräs talovalmistaja mainostaa sivuillaan seuraavasti: "Hyvin suunnitellussa hirsihuvilassa kesäyön viileys varastoituu massiivihirsiseiniin, jotka ylläpitävät miellyttävää sisälämpötilaa myös kuumina päivinä." Haluaisin kiinnittää huomiota pariin yksityiskohtaan. Fyysiset esineet voivat sisältää tai varastoida eri määriä lämpöä, eivät viileyttä. Toisin sanoen kesäyö viilentää massiivihirsiseiniä, jotka taas lämpenevät päivisin. Massiivihirsien suuri lämpökapasiteetti on hyvä asia niin kauan kuin ulkolämpötila on päivällä selvästi yli 20°C ja yöllä alle 20°C. Tällöin hirsirakenne pienentää lämmitys- ja ilmastointikuluja aamuisin ja iltaisin. Toisaalta, jos jo yksi viileä kesäyö vaikuttaa koko massiivihirren lämpötilaan, mitä se kertoo seinän lämmöneristyskyvystä?

Mykiö on silmän linssi?

Mykiön osuus silmään saapuvan valon taittamisesta on vain noin kolmasosa. Sen pääasiallinen tehtävä onkin hienosäätää taittamista ja tarkentaa kuva verkkokalvolle. Valon varsinainen taittaja eli silmän linssi on sarveiskalvo, silmän uloin kaareva pinta. Useimmat silmän toimintaa kuvaavat piirrokset esittävät muun muassa tämän tosiasian puutteellisesti.

Tässä piirroksessa esitetään kuvan syntyminen oikeaoppisesti ylösalaisin verkkokalvolle, mutta taittajana on pelkästään mykiö. Täältä löytyvä piirros esittää oikein sarveiskalvon valon pääasiallisena taittajana, mutta kuvan sijaan verkkokalvolle syntyykin sokaiseva polttopiste. Figure 3:ssa on esitetty valonsäteiden reitti silmän sisällä oikeaoppisesti. Vahinko vain että itse puu, josta valo heijastuu silmään, ei ole mahtunut samaan piirrokseen, vaan löytyy ylempää samalta sivulta. Täältä löydät silmän toiminnasta kertovan videon.

Alussa oli räjähdys?

"Alkuräjähdys" ja useat tapahtumaa kuvaavat animaatiot antavat väärän kuvan maailmankaikkeuden kehityksestä. Ikäänkuin tyhjyydessä olisi tapahtunut käsittämättömän voimakas välähdys/räjähdys, jonka aineelliset rippeet muodostavat nykyisin toisistaan etääntyviä galakseja.

Aika ja paikka sellaisina, kuin me ymmärrämme, syntyivät maailmankaikkeuden kanssa ja pätevät vain siellä. Me emme nykytietämyksen mukaan voi saada tietoa maailmankaikkeutemme ulkopuolelta - ei ajallisesti eikä paikallisesti. Jotkut olettavat, ettei ulkopuolella ole mitään, ei varsinkaan tyhjiötä, johon maailmankaikkeus laajenisi. Joidenkin mukaan jo ulkopuolesta puhuminenkin on paradoksaalista ajan ja paikan puuttuessa.

Kaikki olevainen avaruuden tyhjiö mukaan lukien alkoi siis yhtäkkiä laajeta. Alkuhetkien kuumuudesta ja pimeydestä (liian kuumaa fotoneille) kaikkeutemme on viilentynyt nykyiselleen galaksien joukoiksi ja superjoukoiksi, joiden välissä oleva avaruus laajenee. Etäiset galaksit eivät siis oikeastaan liikukaan meistä pois, vaan välissämme oleva avaruus laajenee, vaikka ensimmäinen selitys sopiikin useimpiin havaintoihin. Etäisistä galakseista saapuvan valon punasiirtymä syntyy kuitenkin eri tavalla kuin paikalliset havainnot. Nopeasti poiskiitävästä kohteesta lähtevän valon taajuus laskee samaan tapaan kuin käy hälytysajoneuvon äänelle. Pienempi taajuus havaitaan äänen madaltumisena tai valon punertumisena. Etäisistä galakseista lähtevä valo ei sisällä aluksi lainkaan punasiirtymää. Punasiirtymä syntyy vasta matkalla valon "ponnistellessa" laajenevan kaikkeuden läpi.

Laajenevaa maailmankaikkeutta on havainnollistettu muun muassa ilmapallolla, jonka pinnalle on piirretty galakseja. Kun palloon puhalletaan ilmaa, galaksien välit laajenevat, mutta myös galaksit laajenevat.

Oikeampi malli olisi liimata pieniä pahvisia galaksiryhmiä eri puolille ilmapalloa, jolloin vain ryhmien välit voivat laajentua. Ilmapallo havainnollistaa myös kaikkeuden äärettömyyttä ja keskipistettä: pallopinta muodostaa äärettömän, mutta suljetun pallopinnan. Myös me elämme äärettömässä, mutta suljetussa maailmankaikkeudessa.

Pahvigalaksin mikroskooppiset asukkaat havaitsevat vain kaksiulotteisen pallopinnan ja galaksiryhmien "etääntymisen". Kaikki galaksiryhmät ovat samanarvoisessa asemassa, sillä kaikki etääntyvät toisistaan. Sen sijaan asukkailla ei ole keinoa havaita laajenemisen keskipistettä, joka sijaitsee kolmannessa ulottuvuudessa pallon keskellä. Me havaitsemme ja ymmärrämme kolme tilaulottuvutta, mutta kaikkeutemme keskipisteen määrittelyyn tarvitaan neljä ulottuvuutta.

Maailmankaikkeuden synnyn laukaisijaa ei vielä tunneta, mutta olemattomuudesta ilmestyminen ei ole fysikaalisesti niin suuri ihme kuin voisi luulla. Maailmankaikkeuden kokonaisenergia on todennäköisesti nolla, samoin nettovaraus, olemme siis syntyneet tyhjästä eikä maailmankaikkeus itsessään edes riko säilymislakeja. Maailmankaikkeuden kokonaisenergia muodostuu energiasta, (näkyvän ja pimeän aineen) massasta ja edelliset kumoavasta laajenemisliikkeestä.

Linkkejä

• Myös fysikaalista purtavaa syyskuun 11:nnestä
• Sivun alkuun
• Etusivulle