NASA todistaa sen! Höyhen ja teräspallo putoavat yhtä aikaa — Galileotakin hämmästyttänyt putoamisen laki
Olen luonnontieteiden valmentaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on uusi koe!
【Tämä artikkeli on kuunneltavissa myös radion muodossa!】
Hups! Puhelin lipsahti kädestäsi ja putosi maahan. Tiesitkö, että tuon lyhyen sekunnin aikana tapahtuu jotain sellaista, joka liittyy koko maailmankaikkeuden hallitseviin suuriin sääntöihin? Kaikki tuntevat tarinan Newtonista, joka sai idean painovoimalakiin katsellessaan puusta putoavaa omenaa. Mutta vaikka ”tavaroiden putoaminen” on meille arkipäivää, siihen kätkeytyy yhä draamaa, joka saa ihmiset hämmästymään.Pieni tietovisa: Jos päästät irti yhtä aikaa paperiarkista ja painavasta kivestä, kumpi osuu maahan ensin? Jos vastasit, että tietysti se painava kivi, niin tervetuloa fysiikan kiehtovaan maailmaan!Itse asiassa tuo arkijärki kääntyy täysin päälaelleen tietyissä olosuhteissa – aivan kuin taikuuden seurauksena. Tänään tutustumme arjen mysteeriin: vapaan pudotusliikkeen maailmaan.
Kyseenalaista itsestäänselvyydet! Galileon haaste putoamisen arvoitukselle
Yli 400 vuotta sitten suuri tiedemies Galileo Galilei pohti samaa kysymystä kuin sinä. Siihen aikaan ihmiset uskoivat Aristoteleen oppeihin: mitä painavampi esine, sitä nopeammin se putoaa. Tätä uskottiin horjumatta peräti 2000 vuoden ajan.Mutta Galileo käytti omia aivojaan. Hän päätteli, että jos ilmanvastusta ei olisi, kaikki esineet putoaisivat täsmälleen samalla nopeudella painosta riippumatta. Tarun mukaan hän todisti tämän pudottamalla kaksi erikokoista palloa Pisan kaltevasta tornista yleisön edessä. (Vaikka kyseessä saattoi olla vain ajatuskoe, tarinan jännitys säilyy!)Mutta hetkinen, jos pudotan höyhenen ja pallon, pallo putoaa varmasti ensin, eikö niin?Aivan oikein. Meitä ympäröi näkymätön jarruttaja nimeltä ilmanvastus. Kevyt höyhen törmäilee ilman molekyyleihin ja leijailee hitaasti, kun taas painava pallo halkoo ilman vaivatta. Mutta mitä tapahtuisi, jos ilma katoaisi kokonaan?
NASAn todiste: Tyhjiössä höyhen ja rautapallo putoavat samaa tahtia
Brittiläinen BBC toteutti NASAn valtavassa testikeskuksessa kokeen, joka on jokaisen tieteen ystävän unelma. Näyttämönä oli maailman suurin tyhjiökammio, josta ilma pumpattiin pois niin tarkasti, että tila vastasi kuun pintaa. Ensin koe tehtiin ilmassa: rautapallo tömähti maahan, ja höyhen tuli kaukana perässä. Mutta kun pumput olivat luoneet valtavan tyhjiön ja esineet pudotettiin uudestaan…
https://youtu.be/E43-CfukEgs?si=FcopVUJoByNEwj0QNäkymä on uskomaton! Kevyt höyhen ja raskas rautapallo putoavat täsmälleen rinnakkain, kuin ne pitäisivät toisiaan kädestä kiinni. Fysiikan oppikirjojen totuus – kaikki kappaleet kiihtyvät samalla tavalla – muuttui silminnähtäväksi ja hätkähdyttäväksi todellisuudeksi. Seuraavaksi pureudutaan tähän kauniiseen liikkeeseen matematiikan, tuon tieteen kielen, avulla.
Seikkaillaan yhtälöiden parissa! Putoamisliikkeen kaksi mallia
Putoamisliike johtuu siitä, että maan vetovoima vetää esinettä puoleensa. Tällöin esineen nopeus kasvaa tasaisesti koko ajan. Tätä kiihtyvyyttä kutsutaan putoamiskiihtyvyydeksi ja sitä merkitään symbolilla $g$. Maapallolla se on noin 9,8 m/s^2. Tämä tarkoittaa, että jokaisen sekunnin aikana nopeus kasvaa 9,8 metriä sekunnissa. Tämän säännön avulla voimme ennustaa tulevan nopeuden ja matkan pelkällä laskennalla.
Malli 1: Vapaa pudotus (päästetään irti varovasti)
Tämä on puhtain putoamisen muoto: pidät esinettä kädessäsi ja päästät irti. Alkunopeus on silloin 0. Jos esimerkiksi pudotat pienen pallon korkeasta puusta ja se osuu maahan 2,0 sekunnin kuluttua, kuinka korkea puu oikein on?
Käytämme matkan laskukaavaa. Sijoitetaan siihen aika t=2,0 s ja kiihtyvyys g=9,8 m/s^2.
Puun korkeudeksi selvisi noin 20 metriä! Se vastaa jo 5–6-kerroksista taloa, eli kyseessä on melkoinen korkeus.
Malli 2: Pystysuora heitto alaspäin (voimakas heitto)
Entä jos heität esineen alas voimalla? Jos alkunopeus on 5,0 m/s, mikä on nopeus ja kuljettu matka 2,0 sekunnin kohdalla?
Tällä kertaa 5,0 m/s alkunopeus antaa vauhtia heti alusta. Lasketaan ensin nopeus 2,0 sekunnin kohdalla:
Tämä vastaa jo noin 90 km/h nopeutta – siis maantievauhtia! Katsotaan sitten kuljettu matka:
Pallo ehti 10 metriä pidemmälle kuin pelkästään pudotettaessa. Yhtälöiden avulla luonnonilmiöt muuttuvat näkyväksi tiedoksi.
Tiesitkö, että NASAn tyhjiökokeessa pelkästään tilan tyhjentäminen kesti kolme tuntia? Tieteellisen totuuden etsiminen vaatii todellista intohimoa. Suosittelen myös katsomaan videon Apollo-lennon kokeesta, jossa kuun pinnalla pudotettiin vasara ja sulka!
Ota yhteyttä ja kysy lisää
Tuo tieteen ihmeet ja hauskuus lähelle itseäsi! Jaan vinkkejä kotona tehtäviin kokeisiin ja arjen tieteeseen, joka tekee jokaisesta päivästä mielenkiintoisemman. Lue lisää minusta, Ken Kuwakosta, täältä. Tiedustelut (artikkelit, luennot, tiedekerhot, tv-konsultointi jne.) löydät täältä. Seuraa uusimpia päivityksiä X-palvelussa!
Tiedekonstien kanavalla voit katsoa koe-videoita!
