Törmäytimme koekärryn kohteeseen! Kuvaajat paljastavat ”nopeuden neliön” salaisuuden (liike-energiakoe)
”Jos nopeus kaksinkertaistuu, kuinka moninkertaiseksi törmäyksen isku kasvaa?”
Liikenneonnettomuusuutisissa ”ylinopeus” nousee esiin yhä uudelleen, ja syy on yksinkertainen: pienikin nopeuden lisäys tekee iskusta yllättävän paljon rajumman. Salaisuus piilee fysiikasta tutussa käsitteessä, liike-energiassa.
Mistä suureista liike-energia sitten riippuu? Kun kysyin oppilailta heidän arvauksiaan, he ehdottivat ”massaa” ja ”nopeutta”.
Tämä koe tehdään yleensä pienessä mittakaavassa: marmorikuula vieritetään radalla kohti maalia. Minä päätin tehdä siitä isomman version, jossa yhden kilon dynamiikkavaunu törmää maalilaatikkoon ja tulokset luetaan siitä, miten laatikko liikkuu. Isompi mittakaava tekee tulosten tulkitsemisesta helpompaa. Esittelen tässä tämän kokeen.
Tarvikkeet
- Dynamiikkavaunu… Sen massa on 1 kg.
- Painot (500 g) × 2… Käytin painoina kahta 500 gramman öljysavipötkylää. Kun vaunun päälle laittaa yhden, kokonaismassa on 1,5 kg, ja kahdella se on 2 kg, eli vaunun massaa voi muuttaa helposti.
- Beespi… Yksinkertainen nopeusmittari.
- Bambuviivotin
- Kertakäyttöiset syömäpuikot
- Ticker timer -aikamerkitsin
- Maalarinteippi… Sillä merkitään paikat pöydälle.
- Maalilaatikko… Tein sen eväsrasiasta ja laittamalla sinne sopivasti öljysavea. Kätevää, että sen voi rakentaa arkisista tavaroista.
Koejärjestely
1 Kiinnitä syömäpuikko maalarinteipillä dynamiikkavaunuun. Aseta sitten laatikko paikalleen ja mittaa nopeus Beespillä juuri ennen kuin vaunu osuu laatikkoon.
2 Vaihtele nopeutta (välillä 0,20–0,80 m/s), törmäytä vaunu laatikkoon ja kirjaa ylös, kuinka pitkälle laatikko liukuu vaunun mukana.
3 Kun neljä mittaustulosta on koossa, laita vaunun päälle yksi paino (1,5 kg) ja toista koe samalla tavalla. Lopuksi lisää toinen paino (2,0 kg) ja tee koe vielä kerran.
Tulos ① Nopeus ja liukumamatka
Seuraavaksi tulokset analysoidaan ja piirretään kuvaajiksi. Tässä vaiheessa oppilaille tulee yleensä monenlaisia epäilyksiä ja pohdintoja siitä, millaisella funktiolla dataan pitäisi sovittaa käyrä. Juuri tämä on kokeen hauskin kohta.
Aloitetaan nopeuden ja liukumamatkan kuvaajasta. Pystyakselille laitetaan laatikon liukumamatka ja vaaka-akselille nopeus.
Useimmat oppilaat arvasivat, että kuvaaja olisi suora. Kun kuitenkin piirretään kuvaajat 1,0 kg:n, 1,5 kg:n ja 2,0 kg:n vaunuille, ne eivät olekaan suoria vaan taipuvat mukavasti kaarelle.
Käyrä voisi olla paraabeli, joten jatketaan tutkimista. Jotta nähdään, onko kyse toisen asteen funktiosta, korotetaan vaaka-akselin nopeus toiseen potenssiin. Kun pystyakselille laitetaan liukumamatka ja vaaka-akselille nopeuden neliö, huomataan, että liukumamatka on verrannollinen nopeuden neliöön.
Tulos ② Massa ja liukumamatka
Sitten massa. Massoja pitää verrata samalla nopeudella, mutta Beespillä on käytännössä mahdotonta saada 1,0 kg:n, 1,5 kg:n ja 2,0 kg:n vaunuja osumaan täsmälleen samalla nopeudella. Siksi käytetään äsken piirrettyjä kuvaajia ja luetaan niistä laatikon liukumamatka samalla nopeudella.
Kun nämä arvot piirretään kuvaajaan (pystyakselilla liukumamatka ja vaaka-akselilla massa), tuloksena on suora.
Yhteenveto: liike-energian todellinen luonne
Tulosten perusteella voidaan päätellä, että liike-energia on verrannollinen nopeuden neliöön ja massaan. Kirjoitettuna kaavaksi tästä alkaa hahmottua tuttu ”1/2 × m × v²”.
Kertoimesta 1/2 ei kuitenkaan voi tämän kokeen perusteella keskustella. Osa oppilaista yritti kaivaa sitä esiin kuvaajan kulmakertoimesta, mutta vaunun ja laatikon yhteen tarttuva liike ei säilytä mekaanista energiaa, joten kerrointa ei voi tästä kokeesta määrittää.
Tämäkin on tärkeä oppitunti: kyky erottaa, mitä tämä koe kertoo ja mitä se ei kerro, on tieteellisessä ajattelussa hyvin olennainen taito.
Tulos liittyy myös arkeen, esimerkiksi auton jarrutukseen.
Kun nopeus kaksinkertaistuu, liike-energia nelinkertaistuu. Siksi myös jarrutusmatka pitenee suunnilleen nelinkertaiseksi. Pysähtymismatka 30 km/h ja 60 km/h nopeudesta on todella eri luokkaa. Kun piirsimme tässä kokeessa ”nopeuden neliöön verrannollisen” kuvaajan, kosketimme samalla liikenneturvallisuuden ydinkysymystä.
Kuvaajan ulkonäkö muuttaa johtopäätöksiä
Muuten, jos pystyakselille laitetaan laatikon liukumamatka ja vaaka-akselille nopeus, osa oppilaista näkee kuvaajassa suoran.
Sama pätee massaan: jotkut oppilaat epäilevät, että kuvaaja voisikin olla paraabeli.
Datan keruutavasta ja vaihteluvälistä riippuen kaareva käyrä voi näyttää lähes suoralta. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten kuvaajan tulkinta vaikuttaa johtopäätöksiin.
Koska tässä kokeessa käytetään vaunua ja koe on näyttävän dynaaminen, huolellisella työllä saa aikaan melko siistit kuvaajat. Näin päästään luotettavasti niihin johtopäätöksiin, joihin haluttiin päätyä. Kokeile ihmeessä itse arkisilla välineillä!
９月のイチオシ実験！
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- ９月25日（金）21:00〜 かまいたちの瞬間回答！にて、科学監修を行いました。
- １０月１０日（土）11:15~12:00 千葉市科学フェスタ2026「桑子先生の回転科学ショー」にてサイエンスショーを行います。
- 12月26日（土） ナリカサイエンスアカデミー（教員向け実験講習会）開催
書籍のお知らせ
- 『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook 【英語】BlueSky／Threads
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
