15 näyttävää fysiikan demoa, osa 2
Espoon koulutuspäivillä 2022 fysiikan demoshow’ssa esitettiin 15 näyttävää fysiikan demoa. Tässä artikkelissa käydään lyhyesti läpi demot, taustalla oleva ilmiö sekä annetaan muutamat vinkit demon pitämiseen.
15 näyttävää fysiikan demoa, osa 1
Värisevä alumiinitanko
Kaikki soittimet perustuvat värähtelyyn. Pitkä alumiinitanko saadaan soimaan jopa korvia pistävästi vetämällä sormia sen pintaa pitkin. Tanko pidetään toisessa kädessä kahden sormen välissä puristettuna ja toisella kädellä vedetään sormilla puristaen tangon suuntaisesti.
Riippuen kiinni pitävän käden sijainnista saadaan aikaiseksi eri taajuuksia tai voi olla, että ääntä ei kuulu juuri ollenkaan. Kun sormia vedetään tankoa pitkin, tanko alkaa värähdellä. Värähtelevän osan pituus määrittää syntyvät aallonpituudet seisovan aaltoliikkeen kautta. Siksi myös kiinni pitävällä kädellä on merkitys äänen syntymisessä. Aluksi kannattaa ottaa kiinni tangon keskikohdasta. Sormiin on hierottu hartsia, jotta ne tarttuvat voimakkaasti kiinni putkeen ja saavat sen värähtelemään paremmin. Siksi soittajat käyttävät esimerkiksi viulujen jousissa hartsia.
Demonstraatioon tarvitaan vain 1-2 metriä pitkän alumiinitangon, jonka halkaisija on noin 1 cm. Todistettavasti myös alumiininen H-palkki, jota käytetään esimerkiksi verhotankona, toimii tähän. Viuluhartsia löytyy lähes kaikista soitinliikkeistä, ja se on erittäin riittoisaa.
Rubensin putki
Rubensin putkella voidaan näyttävästi havainnollistaa ääniaaltoja, joita voi harvemmin nähdä suoraan. Rubensin putkessa toinen pää on suljettu ja toisessa päässä on värähtelevä kalvo. Putken yläosa on tasaisinvälein täynnä pieniä reikiä, joita pitkin putken alaosasta syötettävä kaasu pääsee poistumaan. Kun ylhäältä poistuva kaasu sytytetään tuleen, nähdään näyttävä liekkijono. Rubensin putken kalvon lähelle asetetun kaiuttimen kalvon värähdellessä putken oma kalvo alkaa myös värähdellä. Tämä saa putken sisällä olevan kaasun paineen vaihtelemaan. Mitä korkeampi paine kaasussa on, sitä enemmän kaasua purkautuu putkesta ja liekin korkeus kasvaa.
Rubensin putkella voidaan kuunnella muun muassa saksalaista progressiivista teknomusiikkia ja demonstroida seisovia aaltoja. Seisovissa aalloissa tietyllä taajuudella Rubensin putkeen syntyy ääniaaltojen painemaksimeita ja paineminimeitä, joiden kohdat putkessa pysyvät samana. Tämä nähdään paikallaan pysyvinä erikorkeuksisina liekkeinä, joiden muoto vastaa seisovan aaltoliikkeen kupuja ja solmuja.
Ohjeet tämän rakentamiseen saa kysymällä artikkelin kirjoittajilta. Ohjeita Rubensin putken rakentamiseen löytyy myös googlettamalla.
Puupölkky ja massan hitaus
Tämä demonstraatio antaa selkeän esimerkin massan hitaudesta. Henkilö käy makaamaan lattialle ja mahan päälle asetetaan iso ja painava puupölkky. Puupölkkyä voidaan lyödä vasaralla tai lekalla eikä puupölkyn alla makaavalle henkilölle käy pahasti. Tämä johtuu massan hitaudesta ja liikemäärän säilymisestä. Vasara on suhteellisen kevyt verrattuna raskaaseen puupölkkyyn. Vasarasta siirtyvä liikemäärä puupölkkyyn antaa pölkylle pienen nopeuden koska puupölkyn massa on niin paljon suurempi.
Maassa makaavaa henkilöä auttaa myös se, että puupölkyn pohjan pinta-ala on kohtuullisen suuri. Tällöin maassa makaavan henkilön mahan alueelle vaikuttava paine jää pieneksi. Vatsalihasten jännittäminen on silti suotavaa.
Vortex-tykki
Vortex-tykki toimii lähinnä motivaation herättäjänä. Renkaiden synnyn syvempää selittämistä emme lähde avaamaan. Tykki toimii hauskana fysiikan leluna. Vortex-tykin voi valmistaa vaikka pahvimukista ja kumihanskasta. Tehdään pahvimukin pohjalle ympyrän mallinen noin 3 cm halkaisijalta oleva reikä. Mukin toiseen päähän teipataan halkaistu kumihanska. Luokassa voidaan kisailla, kuka saa liikuteltua kauimpaa pöydällä olevia kertakäyttömukeja tykin synnyttämän ilmavirran avulla.
Ilmanpaineraketti
Demonstraatio Newtonin kolmannesta laista ja raketista! Tähän tarvitaan vain tyhjä limsapullo, polkupyörän pumppu sekä sopivan venttiilin (tässä tubeless-venttiili TR415). Venttiili tungetaan tiukasti pullon suuaukkoon ja pulloon aletaan pumppaamaan ilmaa. Kun paine kasvaa riittävän suureksi, pullo irtoaa venttiilistä. Newtonin kolmannen lain mukaan, voima, jolla ilma purkautuu pullosta aiheuttaa vastavoiman, mikä työntää muovipulloa vastakkaiseen suuntaan.
Huomio! Jos venttiili on hyvin tiukasti kiinni, pullo voi räjähtää. Venttiilin voi kastaa esim. veteen ennen venttiilin asentamista pulloon.
Nestetyppiraketti
Nestemäistä typpeä käsitellessä pitää aina käyttää suojalaseja ja pitkävartisia hanskoja. Lisäksi tulee varmistaa erittäin hyvä ilmanvaihto. Nestemäistä typpeä ei saa säilyttää suljetussa astiassa.
Nestetyppiraketti toimii samalla idealla kuin ilmanpaineraketti, ja se perustuu myös Newtonin kolmanteen lakiin.
Muovipulloon laitetaan noin desilitra vettä ja sen päälle noin desilitran verran nestemäistä typpeä. Pullo käännetään ylösalaisin, jolloin nestemäinen typpi sekoittuu veden kanssa. Nestemäinen typpi muodostaa lyhyessä ajassa paljon kaasua ja paine pullon sisällä kasvaa. Tällöin pullosta poistuu suurella nopeudella vettä ja typpeä alaspäin, jolloin Newtonin kolmannen lain mukaan pullo lähtee ylöspäin. Koska nestetyppiraketista poistuu enemmän ainetta suuremmalla liikemäärällä alaspäin kuin ilmanpaineraketissa, nestetyppiraketti myös lähtee suuremmalla nopeudella ylöspäin kuin ilmanpaineraketti.
Nestetyppi ja pilvi
Miten saada pilvi aikaiseksi koulussa?
Lämmitetään vedenkeittimellä noin litra vettä. Otetaan nestemäistä typpeä paksureunaiseen ämpäriin. Esimerkiksi muurauslaastin sekoittamiseen ja kuljettamiseen käytetty ämpäri on hyvä. Kaadetaan nestetyppeä astian pohjalle noin kilogramman verran. Kun sekaan kaadetaan nopeasti kuuma vesi, muodostuu pilvi.
Pilvi koostuu suurimmaksi osaksi hyvin pienistä vesipisaroista. Näkymätön vesihöyry tiivistyy nestepisaroiksi epäpuhtauksien eli pienten hiukkasten ympärille. Kiehuva vesi luovuttaa nestetypelle energiaa, ja nestetyppi höyrystyy. Kaasuksi muuttunut typpi lämpenee ja laajenee. Pilven valkoinen väri aiheutuu kaasumaisen typen mukana kulkevista pienistä vesipisaroista ja jäähileistä.
Pullon räjäytys nestetypellä
Monelle lienee tuttua, että kylmässä aineet kutistuvat ja kylmässä ne laajenevat. Kaikkein helpoiten tämä havaitaan kaasuissa. Talvisin lämpimästä ulos viety suljettu pullo rutistuu kasaan.
Erittäin iso muutos havaitaan myös, kun nesteet muuttuvat kaasuksi. Massan on säilyttävä, joten harvempi kaasu tarvitsee suuremman tilavuuden. Tämän takia nestetyppi säilytetään avoimessa astiassa. Kaasuksi muuttuva neste pääsee laajenemaan vapaasti ulos säiliöstä. Jos neste suljetaan esimerkiksi pieneen limupulloon ja korkki suljetaan, kaasu ei pääse laajenemaan haluamaansa tilavuuteen ja paine pullossa kasvaa. Tämä ei onneksi tapahdu hetkessä, mutta jos huolimattomuuksissaan heittää suljetun pullon saaviin, jossa on vettä, tuo prosessi nopeutuu huomattavasti. Seurauksena on kova pamaus, kun pullo räjähtää riekaleiksi.
Työturvallisuuden ja näyttävyyden lisäksi tämän avulla voi pohtia esimerkiksi kaasujen tilanyhtälöitä, joiden avulla voidaan myös suoraan laskea kuinka suuren tilavuuden esimerkiksi yksi desilitra nestetyppeä vaatisi kaasuna NTP-olosuhteissa.
Kuva 16: Suljettu muovipullo räjähtää nestemäisen typen laajentumisen seurauksena. Kuva: Emma Mäkelä
Artikkelin kirjoittajille voi laittaa viestiä, jos haluaa tarkempaa tietoa, miten jokin demonstraatioväline toimii tai rakennetaan. Hauskoja hetkiä demonstraatioiden parissa!
Seuraavat MAOLin koulutuspäivät Kokkolassa 6.-7.10.2023, ohjelmassa jälleen monipuolinen kattaus ohjelmaa fysiikan, kemian, matematiikan ja tietotekniikan opettajille. Kohdataan Kokkolassa!
