Paina ilmaa ruiskulla! Silmin nähtävä kokeilu Boylen laista
Olen Kuwako Ken, tiedevalmentaja. Jokainen päivä on kokeilu.
Vaikka ”ilmaa” ei näe, se painaa meitä jatkuvasti voimakkaasti. Mitä luulet tapahtuvan, jos tuo ilma suljetaan tiukasti ja puristetaan vielä pienempään tilaan? Tänään esittelen kokeen, joka paljastaa ilman ”voiman (paineen)” ja ”koon (tilavuuden)” välisen kiehtovan suhteen: ”Boylen laki”. Kenties mysteeri sille, miksi sipsipussit pullistuvat vuorilla, ratkeaa!
Kokeessa käytetyt välineet
Käytin Narikan kokeilupakkausta. Pakkaus sisälsi suuren ruiskun, painemittarin ja niitä yhdistävän kumiletkun. Yksinkertaiset välineet, mutta niillä päästään käsiksi ilman salaisuuksiin.
Koe alkaa! Puristetaan ilmaa kasaan
Ensin tehdään asennus. Kiinnitetään ruiskuun kumiletku ja liitetään painemittari. Tällä kertaa aloitimme 50 ml merkistä, jotta ruiskussa olevan ilman tilavuus on helppo lukea.
Manuaalikin ilmoitti 50 ml, joten olosuhteet ovat samat.
Tässä aloituspisteessä painemittarin lukema on noin 100 kPa (kilopascalia). Tämä on lähes sama arvo kuin ilmanpaine (ilman painosta johtuva paine), jossa yleensä elämme.
Tästä eteenpäin painetaan ruiskun mäntää tiukasti. Kun suljetun ilman tilavuutta pienennetään… aivan kuten odotettiin, painemittarin viisari nousee nopeasti!
Tulokset julki! Paineen ja tilavuuden kaunis suhde
Kun paine oli 100 kPa (aloitus), 110 kPa ja 120 kPa… säädimme painallusvoimaa ja mittasimme ilman tilavuuden mitta-asteikolta. Tässä on keräämämme data tiivistettynä:
Nämä luvut eivät välttämättä sano heti mitään, mutta kun ne piirretään kuvaajaan (jota kutsutaan P-V-kuvaajaksi), näkyviin tulee hämmästyttävän kaunis yhteys.
Mitä sanotte! Tämä käyrä on täsmälleen samanlainen kuin matematiikasta tuttu ”kääntäen verrannollisuuden” kuvaaja. Toisin sanoen, tässä piilee yhteys: ”Kun tilavuus puolitetaan, paine kaksinkertaistuu.”
Miksi se on kääntäen verrannollinen?
Miksi tällainen suhde sitten syntyy? Vaikka ilmaa ei näe, se koostuu lukemattomista ”ilmahiukkasista (molekyyleistä)”, jotka sinkoilevat ympäriinsä. Paine syntyy, kun nämä hiukkaset törmäilevät ruiskun seiniin.
Mitä tapahtuu, kun ruiskua painetaan ja tilavuus (huone) kapenee? Hiukkasilla on vähemmän tilaa liikkua, joten ne törmäävät seiniin useammin, eikö totta? Tämä on sitä, että ”paine nousee”. Jos tilavuus puolitetaan, törmäysten määrä yksinkertaisesti kaksinkertaistuu. Siksi paine ja tilavuus ovat kauniissa kääntäen verrannollisessa suhteessa. Tämä on juuri ”Boylen laki”.
Haaste luokassa
Ostin tämän koepakkauksen kokeeksi, ja annoin sen heti oppilaideni käyttöön tunnilla. Edustavat oppilaat saivat painaa ja vetää mäntää, samalla kun kaikki lukivat mitta-asteikkoa, kirjasivat tuloksia ja piirsivät pisteitä koordinaatistoon.
Sen sijaan, että olisivat vain oppineet oppikirjasta ”se on kääntäen verrannollinen”, tällainen kokemus, jossa he ”näkevät omin silmin, tuntevat käsillään ja piirtävät kuvaajaan”, auttoi heitä ymmärtämään ilman ominaisuuksia. Koska laki on näin helppo todentaa, haluaisin ehdottomasti hankkia tällaisen pakkauksen jokaiselle ryhmälle.
Boylen ja Charlesin lain kokeilulaite
Yhteydenotot ja pyynnöt
Tehdään tieteen ihmeistä ja hauskuudesta helpommin lähestyttävää! Olen koonnut selkeästi kotona tehtäviä hauskoja tiedekokeita ja niiden niksejä. Selaile ja etsi lisää!
Tieteen muistiinpanot -sisältö on julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä
Tietoja ylläpitäjä Kuwako Kenistä täältä
Erilaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, tiedekurssit, TV-konsultointi, esiintymiset jne.) täältä * Artikkelipäivitykset X:ssä!
Kokeiluvideoita Tieteen Muistiinpanot -kanavalla YouTubessa!
