Heureka-hetki

23. Perintökorun surmansyöksy

TIEDE:

Koe perustuu klassiseen taikureiden tekemään temppuun, jossa rengas painovoiman vaikutuksesta pyörähtää oikea-aikaisesti jääden roikkumaan ketjuun. Videolla nähtävässä versiossa renkaassa on perinteisestä versiosta poiketen myös lisäksi pieni rako, josta ketju pääsee osittain läpi ja rengas näyttää menevän ketjun läpi.

Muun muassa taikurit käyttävät hyödyksi fysiikan lakeja yhdistettynä liikkeeseen joka on liian nopea silmän havaittavaksi. Metallista riippuen sen sulamispiste voi vaihdella yllättävänkin paljon.

Esimerkiksi elohopea sulaa jo -39 °C:ssa ja gallium 30 °C:ssa.

22. Kuukauden western: Vessapaperiduelli

TIEDE:

Vessapaperin komea lentorata perustuu Bernoullin efektiin. Bernoullin lain mukaan fluidin, tässä tapauksessa ilman, paine pienenee sen nopeuden kasvaessa. Kokeessa vessapaperirullan yläpuolelle syntyy siis alipaine, joka nostaa vessapaperia ylöspäin ja saa sen lentämään pidemmän matkan. Kuten kokeessa voidaan havaita, Bernoullin efekti on sitä voimakkaampi mitä suurempi on ilmannopeus.

21. Loimuporoa à la Heureka (Perunalastu vs. nallekarkki)

TIEDE:

Perunalastu palaa yllättävän hyvin ja soveltuisi mainiosti vaikka nuotion sytyttämiseen. Perunalastun kuiva peruna syttyy helposti lastussa olevan runsaan rasvan kanssa saaden aikaan komean liekin. Nallekarkin tapauksessa kaliumkloraatti hajoaa korkeassa lämpötilassa kaliumperkloraatiksi ja edelleen hapeksi. Samalla nallekarkin sokeri ja muut palavat aineet hapettuvat voimakkaasti synnyttäen komean liekin. Lopputuotteina saadaan runsaasti lämpöä, kaliumkloridia kaliumkloraatin hajoamisen tuotteena, sekä hiilidioksidia ja vettä sokerin hapettumisesta. Kuinka paljon energiaa näissä pienissä herkuissa onkaan!

20. Kuoleman keilapallo

TIEDE:

Vaikka koe voi näyttää hurjalta, avustaja on täysin turvassa. Jos avustaja päästää heilurin irti paikaltaan antamatta sille vauhtia, ideaalimaailmassa heiluri palaisi täsmälleen samaan paikkaan heilahduksen jälkeen hipaisten avustajan nenää. Reaalimaailmassa heiluria hidastaa kuitenkin myös nivelen kitka ja ilmanvastus, joten heiluri pysähtyy useita senttimetrejä avustajan päästä.

19. Suihkulähde Heurekan tapaan

TIEDE:

Kaikissa kokeissa on sama perusajatus, mutta ilmiö toteutetaan eri menetelmillä. Sekä hiilidioksidijään että nestemäisen typen tilavuus on huomattavasti pienempi kiinteässä ja nestemäisessä olomuodossa verrattuna kaasumaiseen olomuotoon. Hiilidioksidijään härmistyessä tai nestemäisen typen kaasuuntuessa astiaan syntyy suurempi paine, joka työntää kaasun (kokeet 1 ja 3) tai nesteen (koe 2) astiasta ulos. Kaikissa kokeissa syntyvä ”pilvi” on puolestaan pieniä jääkiteitä, joita syntyy, kun erittäin kylmä hiilidioksidijää tai nestemäinen typpi jäädyttää vettä nopeasti. Kokeissa 1 ja 3 jäädytettävä vesi lisätään astiaan, kokeessa 2 puolestaan härmistyy ilmassa oleva vesihöyry.

18. Kuinka kasvattaa lihakset ilman treeniä

TIEDE:

Vaahtokarkit sisältävät paljon pieniä ilmakuplia. Kun vaahtokarkkia ympäröivän ilman painetta pienennetään, vaahtokarkkien sisällä olevat ilmakuplat laajenevat ja saavat vaahtokarkit pullistumaan. Pullistuessaan vaahtokarkin rakenne kuitenkin hajoaa osittain, joten ulkoisen paineen palautuessa ennalleen vaahtokarkit eivät palaudu täysin ennalleen.

17. Mörön jäätyvät jalanjäljet

TIEDE:

Kokeessa valmistetaan kylläinen natriumasetaattiliuos, eli liuokseen ei pysty liukenemaan enää enempää natriumasetaattia. Koe on hyvin herkkä epäpuhtauksille ja vaatii äärimmäistä puhtautta kaikissa vaiheissa. Liuoksen jäähtyessä liuos tulee ylikylläiseksi. Ylikylläinen natriumasetaattiliuos kiteytyy sitä kosketettaessa.

16. Kuinka halkaista kumisaapas karateiskulla

TIEDE:

Kiehuvan nestemäisen typen lämpötila on -196 °C.
Riittävän matalassa lämpötilassa polymeerit kuten muovit ja kumit saavuttavat haurastumispisteensä, jolloin esine menettää joustavuutensa ja muuttuu “lasimaiseksi”.
Lasimainen saapas murtuu helposti oikein kohdistetusta iskusta.

15. Assistentin flambeeraus

TIEDE: Palamisessa suurin osa lämmöstä, kuuma ilma ja palokaasut nousevat ylöspäin. Saippualiuoksen veden lämpötilan nousu ja haihtuminen puolestaan kuluttavat suurimman osan käteen kohdistuvasta lämpöenergiasta. Jäljelle jäävä käteen kohdistuva lämpö on riittävän alhainen kokeen turvalliseen suorittamiseen.

14. Kansallissäveltäjä näkymättömyysakvaariossa

TIEDE:

Ruokaöljyllä ja Pyrex-lasilla on lähes samat taitekertoimet. Siksi näiden aineiden rajapinnassa ei tapahdu taittumista tai heijastumista, vaan valo kulkee suoraviivaisesti rajapinnan läpi. Koska rajapintaa ei voi havaita, lasi näyttää katoavan öljyssä.

13. Ping Pong Bang

TIEDE:

Hiilidioksidijää on kiinteää hiilidioksidia, joka sublimoituu eli muuttuu suoraan kiinteästä kaasuksi ilmanpaineessa. Sublimoituessaan hiilidioksidin tilavuus kasvaa. Suljetussa pullossa tämä aiheuttaa paineen kasvun ja räjähdyksen.

12. Taidetta Heurekan tyyliin

OHJEET:

Kattoon kiinnitetty kangas
Loraus vetyperoksidia
1/2 lorausta astianpesuainetta
Elintarvikeväriä
Tilkkanen kaliumjodidia

TIEDE:

Veriperoksidi hajoaa itsestään hapeksi ja vedeksi. Hajoamista nopeutetaan käyttämällä katalyyttinä kaliumjodidia. Nopeasti vapautuva happikaasu aiheuttaa saippuan vaahtoamisen ja paineen kasvun mittapullossa.

11. Kuinka rikot kondomin sisällä olevan ilmapallon

OHJEET:
1 kpl ilmapallo
1 kpl kondomi
1 kpl suurennuslasi
käsipumppu

TIEDE:

Snellin lain eli taittumislain mukaisesti auringon sähkömagneettisen säteilyn (mm. valon ja lämpösäteilyn) suunta muuttuu kohdatessaan kahden säteilylle optisesti läpinäkyvän aineen, kuten ilman ja lasin, rajapinnan.

Tätä ilmiötä käytetään hyväksi suurennuslasissa. Suurennuslasin kupera linssi taittaa auringon säteilyä synnyttäen polttopisteen. Suurennuslasin etäisyyttä säätämällä polttopiste saadaan mahdollisimman lähelle sisemmän ilmapallon pintaa. Sisempi ilmapallo hajoaa pinnan lämpötilan kasvaessa riittävän suureksi.

10. Näin puhallat kynttilät 10 metrin päästä

TIEDE:

09. Väriä vaihtava Rainbow-cocktail

TIEDE:

Cocktailissa on kyse hapetus-pelkistysreaktiosta: ravistettaessa ilman happimolekyylit sekoittuvat liuokseen, jolloin liuoksen sisältämä indigokarmiini-indikaattori hapettuu ja vaihtaa väriä. Kun ravistelun lopettaa, indigokarmiini-indikaattori pelkistyy ja väri palaa takaisin ennalleen. Glukoosi toimii liuoksessa indigokarmiinin pelkistimenä hapettuen itse ravistelun lopetettaessa. Reaktio vaatii tapahtuakseen myös sopivan happamuuden (pH-arvon), mikä varmistetaan emäksistä lipeää käyttämällä.

08. Tikkakisa Amazonin intiaanien tyyliin

TIEDE:

Ilmanpaineen kasvaessa nopeasti pillissä se lennättää paperisen tikan eteenpäin. Tikasta on valmistettu mahdollisimman virtaviivainen, jotta ilmanvastus kevyen tikan ja ilman välillä saataisiin mahdollisimman pieneksi. Siivekkeet pitävät tikan mahdollisimman hyvin suunnassa, joka vaikuttaa myös merkittävästi lentorataan ja -pituuteen.

Aerodynamiikka on virtausmekaniikan osa-alue, joka tutkii ilman ja kiinteiden kappaleiden vuorovaikutusta niiden liikkuessa toistensa suhteen.

07. Tomusokerin kuivaus

TIEDE:

Väkevän rikkihapon reaktio veden kanssa on niin eksoterminen (lämpöä muodostava) ja suotuisa, että rikkihappo kykenee irrottamaan vettä jopa hiilihydraateista seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti:

Reaktio: 𝐻2𝑆𝑂4 + 𝐶12𝐻22𝑂11 ⇉ 12𝐶 + 11𝐻2𝑂 + 𝐻2𝑆𝑂4

Rikkihappo + Tomusokeri ⇉ Hiili + Vesi + Rikkihappo

Reaktion eksotermisyyden voi huomata palaneen sokerin hajusta, sekä astian lämpenemisestä.

06. Paperiraketti vs. Keihäs

TIEDE:

Raketin lähtönopeus on huomattavasti suurempi kuin atleettimme keihäällä. Koska raketin massa on pienempi, vaikuttaa ilmanvastus merkittävämmin paperirakettiin kuin keihääseen. Siksi on ensiarvoisen tärkeää, että raketista on valmistettu hyvin virtaviivainen, jotta kevyen raketin ilmanvastus saataisiin mahdollisemman pieneksi. Siivekkeet pitävät raketin asennon lentoradan suuntaisena, mikä vaikuttaa myös raketin lennon pituuteen.

05. Tulitornado

TIEDE:

Palaminen on kemiallinen reaktio, jossa aine yhtyy happeen. Palamisreaktiossa syntyy lämpöä, joka synnyttää kuumia palokaasuja ja lämmittää ympäröivää ilmaa. Kaasut kohoavat ylöspäin, koska niiden tiheys on ympäröivää ilmaa pienempi. Palamisessa ylöspäin kohoavat kaasut korvautuvat uudella happipitoisella ilmalla paine-eron johdosta kuumien kaasujen kohotessa ylöspäin.

Pyörittämällä koejärjestelmää saadaan putken sisällä oleva ilmamassa pyörimään. Ilmamolekyylit, jotka ovat valmiiksi pyörivässä liikkeessä korvaavat kohoavat kuumat vähemmän tiheät kaasut. Samalla ilmamolekyylit siirtyvät ulompaa sisemmälle ja niiden nopeus kasvaa (1). Nopeuden kasvu johtaa nopeampaan vertikaaliseen virtaukseen ja palamiseen nostaen palokaasut ja liekin huomattavasti korkeammalle kuin paikallaan olevan liekin tapauksessa. Tulitornadoja voi syntyä myös harvinaisena luonnonilmiönä sopivissa olosuhteissa.

(1) A. Yu. Snegirev, J. A. Marsden, J. Francis, G.M. Makhviladze: Numerical studies and experimental observations of whirling flames, Int. J. Heat Mass Tr. 47, 2523 (2004)

04. Tennistä saippuakuplilla

OHJEET:

5 litraa vettä
2 dl Fairya
0,5 dl glyserolia
1,5 rkl tomusokeria
2 tennismailaa

TIEDE:

Suurien saippuakuplien valmistamisessa olennaisinta on oikeanlainen liuos. Saippuakuplakalvo ei rikkoudu, jos sitä kosketetaan esimerkiksi kädellä tai tennismailalla, joka on kostutettu saippuakuplaliuokseen. Saippuakuplan pinta yhtyy käden saippuapintaan joka ei riko kuplan pintaa.

03. Siian suudelma

OHJEET:

1,5 metriä narua
1 iso mutteri
1 kuollut kala
sido narunpää mutteriin ja toinen pää kalan pyrstöön.

TIEDE:

Naru vetää mutteria kohti sormea. Samaan aikaan gravitaatio vetää mutteria kohti lattiaa tehden mutterista heilurin, jonka ripustuspiste on sormessa. Pyörimismäärän säilymislain mukaan, kun pyörivän kappaleen massa siirtyy kohti ripustuspistettä, sen pyörimisnopeus kasvaa. Mutterin nopeuden kasvaessa se kiertyy sormen ympärille. Narun ja sormen välinen kitka pysäyttää kalan putoamisen.

02. Tölkin liiskaus

OHJEET:

1 tyhjä juomatölkki
1 lyijykynä

TIEDE:

Alumiiniseos on kestävä ja kevyt materiaali, joka soveltuu esimerkiksi tölkkien valmistukseen. Tölkki on hyvin kestävä, kun tölkin seinät ovat kohtisuoraa tasoa vasten. Seinä on kuitenkin hyvin ohut ja muotoutuu helposti seinämän sivuun suuntautuvasta voimasta. Pienikin lommo sivuseinässä vaikuttaa seinämän tukivoimaan ja johtaa koko rakenteen luhistumiseen painon alla. Toisin sanottuna tölkin sivun puristuslujuus on suuri tölkin seiniä kohtisuoraa tasoa vasten, mutta tölkin seinien taivutuslujuus on hyvin heikko.

Fysiikan aloista lujuusoppi tutkii kappaleiden käyttäytymistä erilaisten kuormien vaikuttaessa niihin. Alumiinitölkkejä ei valmisteta puhtaasta alumiinista, joka olisi liian pehmeää käytettäväksi semmoisenaan tölkeissä. Alumiiniin voidaan lisätä muun muassa rautaa, kuparia, magnesiumia ja sinkkiä tölkin kestävyysominaisuuksien parantamiseksi tölkin säilyessä hyvin kevyenä.

01. Mies saippuakuplassa

OHJEET:

iso allas, 80 cm halkaisija
10 litraa vettä
4 dl fairya
1 dl glyserolia
3 rkl tomusokeria
kankaalla vuorattu vanne, 70 cm halkaisija

TIEDE:

Suurien saippuakuplien valmistamisessa olennaisinta on oikeanlainen liuos. Saippuakuplakalvo ei rikkoudu, jos sitä kosketetaan esimerkiksi kädellä tai tennismailalla, joka on kostutettu saippuakuplaliuokseen. Saippuakuplan pinta yhtyy käden saippuapintaan, joka ei riko kuplan pintaa.

Saippualiuos koostuu vesi- ja saippuamolekyyleistä. Saippuamolekyyli puolestaan koostuu negatiivisesta rasvahappoionista ja positiivisesta natriumionista. Saippualiuoksen pinnalle muodostuu kerros saippuamolekyyleistä, joissa negatiivisesti varautuneet päät ovat kohti vettä ja hydrofobiset natriumionipäät ulospäin pinnasta.

Vastaavasti saippuakuplissa kalvo on kerros saippuamolekyylejä kalvon molemmilla pinnoilla, joiden välissä on vesimolekyylejä ohuena kerroksena.

Sokeria ja glyserolia lisätään seoksen viskositeetin kasvattamiseksi. Tämä auttaa tekemään sidoksista kestävämpiä, jolloin ne voivat venyä kauemmaksi sekä estää veden haihtumista, joka voi myös aiheuttaa saippuakalvon rikkoutumiseen.

Lisää yksityiskohtia voi löytää artikkelista:
Cyril Isenberg, The Science of Soap Films and Soap Bubbles (Dover, New York, 1992)