LUKU 8

1. Yleistä

Tee seuraavat tehtävät ja palauta teoriatehtävät KÄYTÄNNÖN FYSIIKKA -palautuskansioon

8. Käytännön fysiikkaa: video- tai vastaava Podcast -tehtävä

Tehtävät voidaan tehdä ilman, että videota on katsottu.

8.1. Kuvaajat ja tulosten esittäminen sekä käytännön tehtäviä fysiikkaan liittyen

Johdanto: Fysiikan mittaustulokset ovat havainnollisia kuvaajien avulla esitettynä. Tehdään seuraavissa tehtävissä kuvaajia sekä pohditaan kotitehtävien avulla, miten fysiikka liittyy normaaliin arkipäivään, liikuntaan jne.

TEHTÄVÄ 1: Suunnittele kuvaaja tilanteelle, jossa auto kuluttaa 100 km:lle polttoainetta 8 litraa. Laadi Excelillä ensin taulukko, johon otat seuraavat arvot, eli vasempaan sarakkeeseen kuljetut kilometrit

esim. 0 – 5 – 10 jne. viiden kilometrin välein 200 kilometriin saakka. Laadi Excelillä havainnollinen kuvaaja asiasta.

TEHTÄVÄ 2: Tutustu ilmatieteen laitoksen WWW-sivuihin ja vastaa seuraaviin kysymyksiin huolellisesti.

a)     milloin tuuli on kohtalaista?

b)     milloin tuuli on navakkaa?

c)     milloin pakkanen on kireää maan keskiosassa?

d)     mitä tarkoittaa myrsky?

e)     mitä tarkoittaa vaihtelevaa pilvisyyttä?

f)       mikä on päivän pituus Oulussa?

TEHTÄVÄ 3: Seuraavassa taulukossa on esitetty yhden opiskelijaryhmän osalta tulokset, jos kotiin saisi jättää vain 5 sähkölaitetta, mitkä seuraavista he jättäisivät. Lisää omat tuloksesi eli valitse 5 sähkölaitetta kotoasi, mitkä niistä olisivat sinulle tärkeimmät. Lisää ne alla olevaan taulukkoon ja laadi sitten Excelillä havainnollinen kuvaaja.

TEHTÄVÄ 4: Seuraavassa on erilaisia liikuntalajeja. Etsi Internetistä ja fysiikan oppikirjoista asioita, joita voitaisiin mitata seuraavissa lajeissa esim. fysiikan ja liikunnan yhteisillä tunneilla?

a)     keihäskilpailu

b)     100 metrin kisa

c)     moukarinheitto

d)     painonnosto

e)     uinti

f)       jääkiekko

TEHTÄVÄ 5: Seuraavassa on yksi erittäin keskeinen laite kotitaloudesta eli astianpesukone. Tehtävässä on annettu tietoja eräästä astianpesukoneesta ja siihen liittyen tehtäviä. Vastaa niihin.

a)     Mitä fysiikan mitattuja suureita löydät tekstistä?

b)     Paljonko maksaa astianpesukoneen käyttäminen eri ohjelmilla, jos sähkön hinta on 11 snt/kWh?

c)     Miten ohjelman pituus vaikuttaa sähkönkulutukseen?

ASTIANPESUKONE

·         Suositellaan kylmävesiliitäntää. Mikäli kuitenkin halutaan kytkeä lämpimään veteen, lämpötila ei saa olla yli 60^oC.

·         pesuohjelma nimeltään intensiivi, kestoaika 135 min, sähkönkulutus 1,60 kWh, vedenkulutus litroina 13 - 16

·         pesuohjelma nimeltään eko, kestoaika 140 min, sähkönkulutus 1,05 kWh, vedenkulutus litroina 12

TEHTÄVÄ 6: Kirjoita tähän, mitä fysiikkaan liittyviä mitattavia ominaisuuksia kahvinkeitin ja kahvin valmistaminen keittimellä sisältävät?

TEHTÄVÄ 7: Sähkölaitteissa on arvokilpi, josta ilmenee käyttäjälle tärkeitä tietoja.

Selitä jonkin kotonasi olevan laitteen arvokilvestä, mitä tietoja sieltä löytyy ja mitä hyötyä kilvestä on?

Kuvat. Arvokilpi eräästä laitteesta

TEHTÄVÄ 8: Seuraavassa on lueteltu erään aamupalan sisältö:

2 leipää, sisältää 60 g jauhoja (9,4 MJ/kg)

20 g margariinia (330 kJ)

2 dl maitoa ( 560 kJ)

2 viipaletta juustoa (600 kJ)

a)     Laske kuinka paljon saat energiaa tuosta aamupalasta yhteensä

b)     Kuinka paljon edellinen olisi päivittäisestä energiantarpeestasi sinun ikäiselläsi? Selvitä ensin paljon sinun ikäisesi opiskelijan tulisi saada päivittäin energiaa ja jaa sitten edellisen tehtävän tulos löytämälläsi energiamäärällä. Tuloksen saat muutettua prosenteiksi kertomalla luvulla 100.

8.2. Fysiikan keskeisiä kysymyksiä koko peruskurssin alueelta 

Johdanto: Näihin tehtäviin voit hakea vastauksia yhdessä työparisi kanssa ja haastaa koko opiskelijaryhmän etsimään vastauksia yhdessä. Siten tehtävä tuntuu varmasti mielekkäämmältä. Tehtäviin voidaan hakea vastauksia yhdessä tai erikseen esim. Internetin laajoista hakumahdollisuuksista tai kysellä esim. sosiaalisesti verkossa.

TEHTÄVÄ 1: Montako ydinvoimalaa on tällä hetkellä toiminnassa maailmassa?

TEHTÄVÄ 2: Miksi shampoopullon säilyttäminen kuuman saunan lauteilla ei ole järkevää?

TEHTÄVÄ 3: Menet mökille pitkästä aikaa ja toiveesi on saada takka lämpiämään. Sytytät uunia monien sytykkeiden avulla ja savu näyttää vain tulevan sisälle. Mitä kannattaa tehdä pellin aukaisemisen lisäksi?

TEHTÄVÄ 4: Ajattelit, että ajokortin saatuasi osaat huoltaa oman autosi ja painat autokoulun teoriatunneilla tarkasti mieleen, mitä pitää tehdä eri tilanteissa. Olet juuri tullut pitkältä automatkalta ja sinua vaivaa jäähdyttäjän tilanne, etsit jäähdyttäjän esiin ja päätät aukaista korkin? Mitä menee pieleen?

TEHTÄVÄ 5: Kerro hypotermiasta omin sanoin. Miten tällaiseen olotilaan voi joutua? Mitkä kaikki tekijät altistavat elimistön tuollaiseen tilaan?

TEHTÄVÄ 6: Kerro fysiikan keinoin vinkkejä, miten parhaiten säilyttää tasapaino

esim. kapealla kaiteella kävellessä jne.

TEHTÄVÄ 7: Kerro, mitä käytännön eroja on etuvetoisella, takavetoisella ja nelivetoisella autolla liikenteessä esim. liukkaan kelin ajossa tai talvikelillä.

TEHTÄVÄ 8: Kerää tähän vielä käytännön esimerkit jokaisesta Newtonin mekaniikan laista.

TEHTÄVÄ 9: Kerro omin sanoin, miten eri ammateissa fysiikka tarvitaan. Perustele vastauksesi.

a)     silmälääkäri

b)     keittiötyöntekijä

c)     postinkantaja

d)     linja-auton kuljettaja

e)     oma tuleva ammattisi

TEHTÄVÄ 10: Tekniikka kehittyy ja siten maapallo ympärillämme muuttuu. Tee 10 lauseen tarina ranskalaisin viivoin siitä, miten tekniikka ja teknologia on muuttanut elämääsi 20 vuoden kuluttua. Mitä uusia laitteita on ilmestynyt elämään?

TEHTÄVÄ 11: Tutustuminen median tarjoamiin mahdollisuuksiin fysiikan opiskelussa:

a)     Tutustu YLE:n tarjoamiin podcasting -lähetyksiin seuraavassa WWW-osoitteessa (voit ladata tiedostot MP3-soittimeesi tai tietokoneelle) http://areena.yle.fi/podcast?s=rss&pid=171727

Kerro omin sanoin, millaisia fysiikkaan liittyviä lähetyksiä löydät podcasting -muodossa?

b)     Seuraavassa WWW-osoitteessa http://www.freesciencelectures.com/ on tiedevideoita fysiikkaan ja muihin tieteisiin liittyen. Etsi sieltä 2 aihetta, jotka liittyvät fysiikkaan.

8.3. Video fysiikkaan liittyen - käytännön fysiikkaa

Johdanto: Seuraavassa on keskeisin teoria Käytännön fysiikkaa -videoon liittyen.

TEHTÄVÄ: Tee käsitekartta Wordilla luettelon muodossa, jossa keräät keskeiset käsitteet ranskalaisin viivoin seuraavien otsikoiden alle.

Voit myös lainata videon oppilaitoksen kirjastosta ja katsoa videon myös jossain luokassa. Videon katsominen tehtävän tarkastelun kannalta ei ole välttämätön.

Otsikot, joita käsitekartassa käytetään, ovat seuraavat:

1)      Mittaaminen

2)      Ympäristö ja asuminen

3)      Mekaniikka

4)      Sähkö

Palauta tehtävä tämän osion palautuskansioon.

Mittaaminen

-          nestelämpömittari: elohopean jäätymispiste –39 °C, alkoholia käytetään nestelämpömittareissa, kaikki perustuu nesteiden lämpölaajenemiseen

-          lämpökamera: kuvan värin perusteella, tarkkaillaan lämpötilaeroja

-          esim. lämpökameraan käytetään esim. savusukelluksen yhteydessä (pimeässä savussa kameran avulla saadaan varsinainen palopesäke selville; kameran avulla voidaan vesisuihku suunnata oikeaan suuntaa ja oikea määrä vettä käytetään

-          äänentoistossa mitataan:

o        ääni = mekaanisessa värähtelijässä ilmanpaineen vaihtelua

o        äänenvoimakkuus mitataan äänitasomittarilla dB eli desibeleinä

o        vähän yli 60 dB normaali puheääni

o        liukas ääni 85 dB

o        rock-konsertti yli 100 dB

o        yli 120 dB epämiellyttävä ääni ja kipuraja on 130 dB

o        äänen taajuutta mitataan

-          ääni ja kuulovauriot

o        tinnitus (kuulovaurio, jossa korvan äänisolut jäävät päälle, korvat soivat)

o        kuulon aleneminen ja huononeminen

-          keskinopeusmittari (poliisi)

o        ajanotto, poliisiauto mittaa matkaa, laite laskee suoraan keskinopeuden

-          lasermittalaite ja tutka

o        laser lähettää aaltoliikettä pulsseina: laite -> kohde -> laite (mitataan etäisyyttä) ja aika

-          nopeudenmittaustutka

o        mittaa lähimmän ajoneuvon

o        tutka perustuu ns. Doppler -ilmiöön (taajuusmuutoksen avulla voidaan laskea nopeus)

-          Mittaamisen virheet:

o        autoissa tahallinen mittavirhe (auton valmistajan intressi), renkaat kuluvat, erikokoiset renkaat, talvi- ja kesärenkaat

o        satunnainen virhe: mittaaja käyttää laitetta väärin

o        koe tehdään monta kertaa (levoton vauva esim. mittauksen alla)

o        systemaattinen virhe:

§         mitataan väärin systemaattisesti

§         kalibrointi: mitta-asteikon tarkistaminen, mekaaninen henkilövaaka (asteikko säädetään nollaan)

-          satelliittipaikannusmenetelmä:

o        GPS: vesillä ammattikäytössä (automaattiohjaus), huvikäytössä, käytetään paikanmääritykseen, turvallisuus (hätäsanoman liitteenä lähtee aluksen paikka)

o        GPS voidaan selvittää merenpohjan rakenne: syvyys, paikka

o        GPS: maanmittauksessa, merimerkkien sijoittamisessa, GPS-tarkkuus erittäin hyvä

o        rekat: GPS-valvontajärjestelmä, linja-autoaikataulut, kilpasuunnistus: ajastustehtäviin, televerkoissa

SIIS: Ihminen on epäluotettava mittaaja. Mittaamalla saadaan tarkkaa, eksaktia tietoa. Mittaaminen ei absoluuttisen tarkkaa

Ympäristö ja asuminen

Koti ja ympäristö

-          vesijohtoputki halkeaa jäätymisen ansiosta: jää sulaa, sula vesi osittain kiinteässä muodossa, laajenee -> paine tulee liian suureksi

-          lämpölaajeneminen (sillan kannet tehdään rullien päällä, sähkölinjat kesällä löysänä -> talvella tiukat)

-          lujuus

-          kosteuseristys

Home- ja kosteusvauriot

(Erkki Vähäsöyrinki, VTT)

-          liian matalalle rakentaminen

-          Homeen havaitseminen:

o        hajuaisti, seinässä näkyvät homepinnat, puut tummuvat

o        vaatteisiin hajuja (laukkuun vaatteet, avataan ulkona)

o        70-luvun omakotitalot (pintavesi pääsee rakenteisiin)

o        40- ja 50-luvulla (hajuongelma) purueristeet -> ei hometta

o        kuivatus (kosteusongelmat) -> hidas (kosteutta seurataan mittaamalla)

-          happi yhtyy aineeseen -> palaminen (valoilmiö, tulipalo)

-          kuinka ammattilainen sammuttaa tulipalon?

Säähavainnot (sää lasketaan tietokonemallien avulla)

-          Matalapaine (ilma painaa vähemmän) kuin korkeapaineessa

-          jo pieni häiriö säähavainnoissa -> kasvaa kaoottiseksi, ennustus voidaan tehdä vain 10 päiväksi kerrallaan

Vaatteet

-          Oikeanlainen vaate poistaa kosteutta iholta esim. palomiehen -> muuten voi palaa iho

-          Ulkoilussa tuulensuojavaate päällimmäisenä, ihon pinnalle puuvilla

-          palomiesten puku vaihtaa väriä -> värin mukaan tietää, että vaate ei enää suojaa ja on siten vaihdettava uuteen, ei kelpaa enää käyttöön

-          älyvaate:

o        hoitoala (potilaan paidassa anturi; voidaan mitata syke, lämpötila jne. ilman, että potilasta tarvitsee aina herättää aikaisin), työvaate, huvi, urheilu, pelit jne.

o        yksinäisen liikkujan turvaksi (moottorikelkkailija – anturit mittaavat G-voimaa -> törmäystilanne - > laukaisee hätäsignaalin -> voidaan selvittää, onko hätätilanne -> nähdään sydämen rytmi, jne.

o        muodon muistavat vaatteet (mitä paksumpi takki, sitä kuumempi sisällä esim. ostoksilla, takki litistyy sisälle mentäessä ja ulkona takki kipristyy taas täyteen)

o        energianlähde on ongelma (paristokäyttöisiä)

o        uudentyyppiset tekstiilit (faasimuutoskankaat)

Fysiikka ja rakentaminen

Sää on fysikaalinen ilmiö

Mekaniikka:

-          mitä suurempi kappale -> sitä suurempi vetovoima

-          kuun ja auringon vetovoima -> aiheuttaa vuorovesi-ilmiön

-          Newton loi mekaniikan lait:

o        Kappale jatkaa samansuuntaista tasaista liikettään tai on levossa ellei mikään ulkoinen voima vaikuta siihen (I laki: jatkuvuuden laki)

o        Kappaleen kiihtyvyys on suoraan verrannollinen siihen vaikuttavaan voimaan.

F = m*a (II laki: Dynamiikan peruslaki)

o        Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B tietyllä voimalla, niin samaan aikaan kappale B vaikuttaa kappaleeseen A yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla. Eli voimat esiintyvät pareittain (vastavoima ja voima). (III laki: voiman ja vastavoiman laki)

Yksinkertaiset koneet

-          sorkkarauta (naula irti seinästä)

-          mikä voimassa voitetaan se matkassa hävitään (mitä tarkoittaa?)

-          pyörä, kalteva taso ja ruuvi

Höyrykone

-          polttomoottori (n. 100 vuotta sitten)

-          -> auton aikakausi alkoi

-          kemiallinen energia muutetaan liike-energiaksi (polttoaine) -> lämpöenergiaa vapautuu -> paine-energiaa - > liike

Teho = voima * nopeus

Työ = voima * matka

Mitä enemmän työtä jossakin aikayksikössä tehdään -> sitä tehokkaampi

Momentti on tehoa tärkeämpi auton moottorissa (ilmaisee tavallaan auton sitkeyttä, kun autolla ajetaan esim. ylämäkeä, auto jossa on iso vääntömomentti -> ei tarvitse vaihtaa pienemmälle vaihteelle, kun taas autossa, jossa on pieni vääntömomentti -> vaihtaa vaihde pienemmälle, jotta saavutetaan mäen päällys paremmin.

Momentti on suoraan verrannollinen moottorin iskutilavuuteen autoissa, mitä suurempi moottorin iskutilavuus on, sitä parempi on siitä saatava vääntömomentti. (esim. 1000 cm³ Nissan Micra vääntömomentti pienempi verrattuna esim. 5800 cm³ Chevrolet Camaro)

Koneistus

-          kun voima on tarpeeksi suuri, pysyy koneistettava kappale kiinni koneessa, vaikka kierrosnopeus olisikin erittäin suuri -> keskihakuvoima vaikuttaa (kappaleen täytyy pysyä kiinni, muuten se lähtee säteen suuntaisesti)

-          lämpö koneistuksessa. leikkuunesteillä saadaan kappaleesta johdettua pois lämpö -> lämpö aiheuttaa mittavirheitä

MEKANIIKKA

Kitka

-          potkuri

-          auton renkaat (pito maanpintaan)

-          auton moottori (kitkaa pienennetään esim. voitelulla)

Ihmisen mekaniikkaa

-          jalkaholvi tuetaan piikkareissa -> energiaa ei siten hukata

-          ergonomia auttaa parempiin suorituksiin esim. urheilussa

-          painonostossa puntit: syvässä kyykyssä puntit painavat 50 %:ia vähemmän kuin jalat suorana (potentiaalienergia kasvaa, työtä on tehtävä, jotta puntit saadaan nousemaan)

o        kuntosalien kehittämisessä käytetään mekaniikkaa

Urheilu on kilpailua fysiikan lakeja vastaan

Urheilun mekaniikka

-          naisten keihäs: mitataan paljonko 2 viimeisessä askelessa on potentiaalienergiaa +kineettistä energiaa -> keihäälle

-          välineitä testataan erilaisissa tuuliolosuhteissa, eri ilman tiheyksillä jne.

Sähkö

Käytännön sähköä

-          Turvallisuus ja luonne

-          staattinen sähkö:

o        hiukset pystyyn pakkasella, kun esim. pipo otetaan pois päästä

o        kissanpennusta sähköä

Sähkövirta

-          sähköä ja tuulta ei voida nähdä, mitta niiden vaikutus havaitaan esim. puun liike jne.

-          perusyksikkö on 1 ampeeri = A

-          jännite: perusyksikkö on 1 voltti =V (jännitettä voi verrata vedenpaineeseen vesijohtoputkessa)

-          Suomessa käytössä 230 V:n jännite, joissakin maissa 110 V

-          Tehon perusyksikkö on W = watti

o        pölyimurin imukykyä ilmaisee paremmin imuteho esim. 425 W kuin imurin sähkömoottorin ottama ottoteho 1300 W

Turvallisuus

-          sähkölaitteilla on eurooppalaiset turvallisuusvaatimukset

-          CE on valmistajan vakuutus, että valmistettu oikein ja riippuu valmistajan omasta tunnosta, miten sähkölaite on loppujen lopuksi tehty

-          2/3 sähkötapaturmista tapahtuu 230 V:n jännitteellä kotitaloudessa

o        kammiovärinä

o        suurjännite -> palovammat iholle, sisäiset palovammat (esim. sähkömuuntamoon murtautuminen)

o        sähköliedet (suurin syy), televisiot, valaisimet, sähkökiukaat (pyykit niiden yläpuolella)

-          sulake ja sähkösuojakytkin (vikavirtasuojia)

-          Sähkö on hyvä renki, mutta huono isäntä

Sähkölaitteiden testaaminen

-          Liesi:

o        lämpeneminen, kuumeneminen (etuosa 100 °, lieden ulkoseinä 70 °

o        levy jätetään päälle

-          patterin päälle jätetty verho (lämpötilarajoitin auttaa, kytkee patterin päältä)

-          mikroaaltouuni:

o        avataan ja suljetaan 100000 kertaa ja ei saa koko testin aikana, kun välillä lämmitetään ruokaa, tulla säteilyä

o        edellisellä käytöllä kestäisi 30 vuotta (normaalikäytöllä)

-          pistotulppa (raskaat painot, väännetään 10000 kertaa)

-          sulakkeen vaihto –> voi tehdä itse

Sähköasentajan ammatti

-          Koulutuksessa opitaan mm. virran, jännitteen, resistanssitehon jne. ominaisuuksia, johtojen mitoittamista

-          Sähkötyöturvallisuus edellyttää työkohteen määrittelyä, suunnittelua, työn tekemistä jännitteettömänä

-          (kosketusjännitesuojaus: syötön automaattinen poiskytkentä)

SIIS

Sähkön perussuureet: ampeeri, voltti ja watti

Sähkön käyttö perustuu sen eri vaikutuksiin

Sähköturvallisuus edellyttää -> ei kiinteitä asennuksia itse

 Kuva 1. Taidetta luonnosta.

8.4. Videotehtävä käytännön fysiikkaa -videosta

TEHTÄVÄ: Tutustu ensin videoon liittyvään teoriaan osiossa 8.3 ja merkitse sitten, ovatko seuraavat väitteet oikein/väärin. Korjaa väärät väitteet oikeaksi tähän samaan asiakirjaan.

1. CE -merkintä sähkölaitteissa ei takaa, että laitetta voidaan turvallisesti käyttää.

2. Suomessa on käytössä 110 voltin jännite, kun taas joissakin maissa käytetään 230 volttia.

3. Jännitteen perusyksikkö on ampeeri.

4. Momentti ilmoittaa tavallaan auton tehokkuuden ylämäissä ja joissakin pienemmän momentin omaavissa autoissa, on parannettu auton tehokkuutta vaihteistosuunnittelulla.

5. Staattista sähköä syntyy, kun esim. pakkasella otetaan pipo pois päästä.

6. Matalapaineinen ilma painaa vähemmän kuin korkeapaineinen ilma.

7. Newtonin mekaniikan toinen laki on voiman ja vastavoiman laki.

8. Nesteiden lämpölaajeneminen on perustana nestelämpömittareissa.

9. Mittaamalla saatu tarkka tieto on toiselta nimeltään eksakti tieto.

10. Satunnainen virhe syntyy, kun mitta-asteikkoa ei ole tarkistettu.

11. Vuorovesi-ilmiön aiheuttaa kuun ja maan vetovoima.

12. Esimerkki yksinkertaisesta koneesta voisi olla sorkkarauta.

13. Lämpölaajeneminen saa kesällä sähkölinjat tiukoiksi ja talvella löysiksi.

14. Sähköä ja tuulta yhdistää mm. se, että kumpaakaan ei voida nähdä, mutta niiden vaikutus huomataan.

15. Sähköiskun seurauksena voi olla kammiovärinä.

16. Sulake suojaa vikatilanteessa.

17. Kodin sähkötöistä saa tehdä itse vain ne, jotka varmasti osaa.

18. Pölyimuria valittaessa on tärkeää kiinnittää huomiota imurin imutehoon.

19. Satelliittipaikannusmenetelmä on käytössä mm. linja-autoaikatauluissa pysäkeillä, rekoissa ja merenkulussa.

20. Lämpökameran avulla saadaan tietoa lämpötilaeroista ja niiden avulla voidaan esim. kadonnut henkilö paikantaa.