Olematon sävyero

Ovatko kuviot samanvärisiä?

Vertaile harmaiden kuvioiden sävyjä. Liikuta sitten tasoa ja katso mitä niille tapahtuu.
Kuvioissa on sama väri. Sävy näyttää kuitenkin muuttuvan, kun tasoa liikutetaan.

Kyseessä on värikontrasti-ilmiö, jossa havaitsemamme sävy muuttuu ympäröivän värin vaikutuksesta vastakkaiseen suuntaan: tummalla ympäröitynä harmaa vaalenee, vaalealla ympäröitynä tummenee. Keltainen taas saa kuvion sinistymään ja violetti kellertämään. Tässä tapauksessa kontrastivaikutus näyttää kuitenkin toteutuvan päinvastaisella tavalla. Harmailla raidoilla on eniten kosketuspintaa niiden sivuilla oleviin väreihin, mutta silti musta tummentaa, valkoinen vaalentaa, violetti sinistyttää ja keltainen kellastuttaa kuviota.

Poikkeama selittyy hahmolakien avulla. Niillä tarkoitetaan havaitsemisen keinoja, joiden avulla me muodostamme kokonaisuuksia yksittäisistä havainnoista sekä rytmitämme ja erottelemme havaintoärsykkeitä muiden joukosta. Sekä kuvio että taustan pystyraidoitus muodostavat tulkintaamme ohjaavia kokonaisuuksia. Tulkitsemme harmaan kuvion eheäksi pinnaksi, jonka päältä kulkee raitoja. Toisaalta liitämme harmaat raidat osaksi pystyraidoitusta. Harmaa ei siis vertaudukaan sivuilla olevaan väriin vaan samassa pystylinjassa olevan raidan väriin. Hahmolakeja ovat mm. kuvion ja taustan laki, läheisyys, samanlaisuus, jatkuvuus, tuttuus ja yhtenäinen liike.

Eri alojen suunnittelijat hyödyntävät jatkuvasti hahmolakeja saadakseen aikaiseksi esimerkiksi mahdollisimman helppokäyttöisiä ja selkeästi ymmärrettäviä tuotteita tai liikennejärjestelyjä.

Jäätävä polte

Voiko sauva olla sekä kylmä että kuuma?

Pidä laitimmaisista sauvoista kiinni vähintään kymmenen sekuntia. Tartu sitten molemmin käsin keskimmäiseen sauvaan.

Toisessa kädessäsi huoneenlämpöinen sauva tuntui kuumalta, toisessa kylmältä.

Kämmeniesi kylmälle ja lämmölle herkät reseptorit sopeutuivat laitimmaisten sauvojen lämpötiloihin. Huoneenlämpöinen sauva tuntui sitten erilämpöiseltä eri käsiin, koska reseptorit reagoivat lämpötilan muutokseen: toiselle kädelle muutos oli viilenevä, toiselle lämpenevä.

Ihon pinnan kuumalle herkät reseptorit tuottavat impulsseja vain 35–45 °C:n lämpötilassa. Tätä kuumemmassa lämpöherkät kipureseptorit alkavat toimia samalla, kun kudokset alkavat vaurioitua.

Kylmälle herkät reseptorit toimivat 15–35°C:ssa. Ne aktivoituvat myös, kun lämpötila nousee yli 45 °C:n. Hyvin kuuma kosketus voi tuottaa ns. paradoksaalisen kylmäaistimuksen.

Sekä kuumalle että kylmälle herkät reseptorit sopeutuvat useimpien aistisolujen tavoin muutamassa sekunnissa. Kuumaan kylpyyn tai kylmään uimaveteen tottuu.

Liikaa ilmaa

Uppoaako Bermudan kolmiossa laivoja?

Paina napista ilmakuplia muoviputkeen ja tarkkaile, mitä laivalle tapahtuu.

Kun kuplat saavuttavat veden pintakerroksen, laiva alkaa vajota syvyyksiin.

Pohjasta purkautuva kaasu kohoaa kuplina kohti pintaa. Suuri ilmakuplamäärä alentaa veden keskitiheyttä, jolloin kaasupurkauksen kohdalla laiva menettää veden nostevoiman ja uppoaa kuin kivi.

Bermudan kolmio on Floridan eteläkärjen, Puerto Ricon ja Bermudan rajaama kolmionmuotoinen alue, jolla on väitetty tapahtuneen lukuisia laivojen ja lentokoneiden katoamisia. Erään teorian mukaan syy laivojen katoamisiin olisi Bermudan alueen merenpohjan metaanikaasuissa. Tälle teorialle ei ole kuitenkaan sen paremmin teoreettista kuin tilastollista näyttöä.

Suorana kurviin

Miksi suora sauva tarvitsee kaarevan aukon?

Pyöräytä tanko levyn läpi.

Suora sauva menee levyn läpi kaarevasta aukosta.

Suora sauva on akseloitu pystysuoraan akseliin. Levykin on pystysuorassa, mutta sauva on vinossa. Sauvan päät ovat kauimpana akselista, ja sauvan keskipiste lähimpänä sitä. Jokainen sauvan piste lävistää levyn omalla etäisyydellään akselista. Niinpä levyn aukko on täytynyt tehdä kaarevaksi.
Aukon muoto on hyperbeli. Se pinta, jonka suora tanko akselin ympäri pyörähtäessään piirtää, on hyperboloidi.

On monesti hankala hahmottaa, minkälaisia liikeratoja esineet todellisuudessa tekevät. Muuttaessa voi vaatia montakin yritystä saada sohvat ja pöydät mahtumaan ahtaista oviaukoista – ja aina ne eivät mahdukaan.

Varjojen kätkössä

Mitä varjosta paljastuu?

Tarkastele sekä veistosta että sen seinälle piirtämää varjoa. Mitä näet?

Pyörimisen eri vaiheissa varjosta nousee esiin miehen ja lapsen kasvot sekä kaksi lintua.

Varjo syntyy, kun kappale estää valon pääsyn lävitseen. Varjoalue muodostaa kaksiulotteisen pinnan kappaleen valoa läpäisemättömistä osista. Varjon muotoon ja kokoon vaikuttavat itse kappaleen lisäksi valolähteen etäisyys kappaleesta sekä kulma, jolla valo osuu kappaleeseen.

Veistos muodostaa sekä varjoja että niiden rajaamia valoalueita, joiden yhdistelmän tunnistamme esittäviksi hahmoiksi. Havainnoidessamme pyrimme merkityksellisiin ja mielekkäisiin tulkintoihin. Kun olemme löytäneet varjosta riittävän määrän tunnistettavia ja tuttuja elementtejä, rakennamme aivoissamme puuttuvat palat näiden ympärille. Ihmiskasvot ovat meille yksi tutuimmista ja tärkeimmistä hahmoista, joiden tunnistamisessa olemme erityisen taitavia.

Uudenvuoden aaton perinteisiin kuuluu edelleen tinan valaminen ja siitä ennustaminen. Jotkut käyttävät tähän leikkimieliseen ennustamiseen tinan varjoa, toiset taas itse valosta. Valoksista ennustamista on harrastettu monissa maissa aina antiikin ajoista lähtien.

Kuvarumpu

Miksi sarja kuvia näyttää liikkuvan?

Pyöräytä kuvarumpua ja katso sen sisälle pienistä aukoista. Voit myös suunnitella ja piirtää oman animaatiosi ja kokeilla sen toimivuutta.

Sarjakuva alkaa elää; näet sen kuin lyhyen elokuvan. Huomaa, että kuvarummun tarina on silmukka: sen tulee päättyä samaan kuvaan, josta se alkaa.

Näet peräkkäisen sarjan kuvia ja jokaisessa kuvavälissä hetken mustaa. Kun peräkkäisten kuvien välillä on sopivan pieni ero, aivosi mieltävät kuvasarjan yhtenäiseksi liikkeeksi, vaikka jokainen kuva esittääkin yhtä pysähtynyttä hetkeä. Musta katseluaukkojen väli vastaa elokuvaprojektorin suljinta: kun koneisto siirtää seuraavan ruudun oikealle kohdalle, suljin peittää tapahtuman. Näin kuvat soljuvat silmien editse tasaisena virtana.

Kuvarummun kehitti englantilainen William Horner vuonna 1834 ja nimesi sen daedalumiksi. Vuonna 1867 ranskalainen Pierre Desvignes toi sen markkinoille uudelleen nimettynä, zoetrooppina, elämän pyöränä.

Filmiprojektorit esittävät kuvia 24 ruudun sekuntinopeudella. Pitkä elokuva on siten todellakin pitkä: noin 2,5 kilometriä filmiä. Eurooppalaisessa PAL-järjestelmässä digitelevision kuva voidaan vaihtaa 25 kertaa sekunnissa. Nykivää vaikutelmaa vähennetään vaihtamalla kuvaa lomittain eli puoli kuvaruutua kerrallaan. Tämä voidaan tehdä tuplanopeudella, 50 kertaa sekunnissa

Taikasauva

Saatko kuvan ilmestymään ilmaan kuin tyhjästä?

Heiluta keppiä pystysuunnassa  edestakaisin pöytään merkityn viivan yläpuolella.

Kepin liike tuo näkyviin kokonaisen kuvan.

Valkea keppi heijastaa viivan yläpuolelle heijastettua kuvaa leveytensä verran kerrallaan. Aistijärjestelmämme kuitenkin säilyttää näköhavainnon niin pitkään, että miellämme vaivatta kuvat yhdeksi kokonaisuudeksi.

Kokeile miten kepin heilutusnopeus vaikuttaa havainnon syntymiseen. Millä nopeudella illuusio kokonaisesta kuvasta hajoaa yksittäisiksi merkityksettömiksi valojuoviksi?

Tavallisesti katselemme heijastettuja kuvia valkokankaalta elokuvateatterissa tai luentosalissa. Kuvia voidaan heijastaa myös muille pinnoille, kuten veteen, höyryyn tai sumuun, kunhan ne vain heijastavat riittävästi valoa.

Televisio toimii pitkälti samalla periaatteella kuin valossa heiluva keppi. Televisioruudulle kuva piirretään juova kerrallaan siten, että kuva vaihtuu 25 kertaa sekunnissa. Tällä tavoin alekkaisista viivoista muodostuu yksi yhtenäinen kuva ja peräkkäisistä kuvista muodostuu nykimättömältä näyttävä liike. 

Kumpi on painavampi?

Pystytkö arvioimaan erikokoisten kappaleiden painoeron oikein?

Punnitse metallipalloja käsissäsi ja arvioi, kumpi niistä tuntuu painavammalta.

Kokeilemasi pallot painavat yhtä paljon, mutta pienempi tuntuu painavammalta.

Oletuksemme on ristiriidassa todellisuuden kanssa: kahdesta samanpainoisesta kappaleesta pienempi tuntuu painavammalta. Arkikokemuksella odotamme suurempien kappaleiden olevan painavampia ja siksi varaudumme käyttämään enemmän lihasvoimaa niiden nostamiseen. Kyseessä on kognitiivinen illuusio.

Ajattele, että olet töissä lentoasemalla ja nostelet laukkuja matkatavarahihnalle. Miltä tuntuisi, jos suurin laukuista olisikin tyhjä? Tai pienen ja siron laukun sisällä olisi lyijyä? Erityisen painavat matkatavarat merkitäänkin ikävien yllätysten ja tapaturmien estämiseksi.

Linkit

Katti Matikainen ja kumpi on painavampi

Nipkowin levy

Voiko kokonaisen kuvan nähdä pieni piste kerrallaan?

Pyöräytä kiekko hyvään vauhtiin ja katso.

Näet kokonaisen kuvan, josta kuitenkin kerrallaan on näkyvissä vain yksi piste.

Näet aivoillasi. Kukin reikä kulkee kuvan päältä ja annostelee sen silmillesi piste pisteeltä ja juova juovalta. Jälkikuvailmiön vuoksi näet kokonaisen kuvan: näköhavainto viipyy aivoissasi riittävän kauan. Paul Nipkow patentoi tämänkaltaisen levyn Berliinissä vuonna 1884. Sillä voitiin tehdä mekaaninen skannaus.

Nipkowin keksintö oli tärkeä edistysaskel television kehittämiseksi: Levyn läpi nähtävät pisteet voidaan valokennojen avulla muuttaa sähkövirraksi ja lähettää ne edelleen ultralyhyinä aaltoina. Vastaanottimessa sähkövirta muunnetaan takaisin pisteiksi, jotka loistavat eri kirkkauksilla virran voimakkuuden mukaan, ja ne muodostavat lähetetyn kuvan uudelleen.

Pyörivä pää

Mihin suuntaan pää pyörii?

Katso kasvoja muutaman metrin päästä vähintään yhden kierroksen ajan. Kokeile katsomista myös peittämällä toinen silmä sekä vaihtamalla katselupaikkaa ja etäisyyttä .

Pää pyörii koko ajan samaan suuntaan. Kuperan puolen vaihtuessa koveraksi pään pyörimissuunta näyttäisi kuitenkin vaihtuvan.

Emme havainnoi maailmaa passiivisesti, vaan aivomme tekevät aistien välittämästä informaatiosta tulkintoja. Tulkinnoissa hyödynnämme kokemuksiamme ja yritämme muuttaa yllättävät tai kummalliset havainnot tavanomaisiksi. Näkemämme oikeat kasvot ovat aina kuperia. Katsoessamme pyörivää päätä sivuutamme havaintovihjeet, jotka paljastavat sen toisen puolen koveraksi. Kasvojen pyörimissuunta näyttää vaihtuvan, kun valo ja varjo vaihtavat vuorotellen paikkaa kuperiksi tulkitsemillamme kasvoilla.

Illuusion syntyyn vaikuttavat lisäksi valo ja syvyysnäkömme. Toisen silmän peittäminen häivyttää kasvojen koveruudesta kertovia piirteitä, koska syvyyden hahmottaminen perustuu molempien silmien hyödyntämiseen. Valon merkitys paljastuu esimerkiksi vaihtamalla katselukohtaa.

Syvyysnäkö tarkoittaa kykyä hahmottaa maailma kolmiulotteisena ja arvioida etäisyyksiä. Syvyysnäkö perustuu silmiemme samasta kohteesta välittämiin hieman erilaisiin, päällekkäisiin kuviin. Kokeile tätä eroa laittamalla sormesi samaan linjaan esimerkiksi oven pystyreunan kanssa. Sulje sitten silmäsi vuorotellen.

Thaumatrooppi

Voiko levyn molemmat puolet nähdä samanaikaisesti?

Pyöräytä kiekkoa ja kohdista katseesi kuvaan.

Kun kiekko pyörii kyllin lujaa, näet molempien puolien kuvat peräkkäin, mutta ne yhtyvät mielessäsi.

Koska aiemmin nähty kuva viipyy verkkokalvolla ja aivoissa hetken aikaa, näköaistimus seuraavasta kuvasta ehtii syntyä sen kanssa samanaikaisesti. Pyörimisen jatkuessa näemme molemmat kuvat kaiken aikaa, vaikka ne ovat levyn vastakkaisilla puolilla eivätkä siten ole todellisuudessa näkökentässämme samanaikaisesti. Ilmiötä kutsutaan jälkikuvaksi. Kaikki havaitsemamme liikkuva kuva perustuu jälkikuvailmiöön. Thaumatrooppi eli ”ihmekääntyjä” tuli Englannissa markkinoille vuonna 1825.

Voimakkaan jälkikuvailmiön voi kokea katsomalla herkeämättä valoa ja kääntämällä katseen sitten vaaleaan pintaan. Noin sekunnin kuluttua jälkikuva kääntyy ”negatiiviksi”, vastavärikseen. Jälkikuva voi olla ärsyttävä, mutta useimmiten emme kiinnitä jälkikuviin lainkaan huomiota.

Liikkeen vangitseminen

Miten lintu lentää?

Katso kuvarummun sisään ensin sivulta ja sen jälkeen ylhäältä.

Raoista näet kalalokin lennon kolmiulotteisena animaationa. Päältä huomaat, että havainto muodostuu kymmenestä veistoksesta, jotka kuvaavat siiveniskujen eri vaiheita.

Ihminen ei ehdi havaita nopean liikkeen yksityiskohtia. Esimerkiksi kiista siitä, ovatko ravaavan hevosen kaikki kaviot irti maasta samanaikaisesti, ratkaistiin vasta vuonna 1877 Eadweard Muybridgen ottaman kuvasarjan avulla: Hevonen on ravissa hetken kokonaan ilmassa.

Ranskalainen Ètienne-Jules Marey (1830–1904) tutki elävien olentojen fysiologiaa ja sitä, mitä silmä ei ehdi nähdä. Hänen valokuvakiväärinsä (1882) otti sekunnissa 12 kuvaa yhdelle kiekolle. Kuvien avulla Marey tutki liikettä, mutta myös havainnollisti sitä asettamalla tekemänsä veistokset kuvarummun sisään. Mareyn kivääri oli itse asiassa ensimmäinen elokuvakamera.

Nämä veistokset ovat kopioita Prahan tekniikan museon kokoelmissa olevasta Mareyn kuvarummusta (1887).

Suurnopeuskameroilla voidaan ottaa jopa satatuhatta kuvaa sekunnissa. Menetelmää käytetään liikkeen yksityiskohtien tarkasteluun esimerkiksi laadunvalvonnassa: kamera huomaa poikkeamat nopeassa tuotantoprosessissa.

Linkit

Poikkitieteellistä asiasta

Leijuva pallo

Mikä pitää pallon ilmassa?

Aseta pallo ilmavirtaan ja päästä siitä irti.

Pallo leijuu ilmavirtauksessa vain vähän puolelta toiselle vaappuen.

Bernoullin lain mukaan virtaavan kaasun dynaamisen ja staattisen paineen summa on vakio. Mitä suurempi virtausnopeus, sitä suurempi on virtaussuunnassa vaikuttava dynaaminen paine ja pienempi sivusuunnassa vaikuttava staattinen paine. Ilmavirran dynaaminen paine on aina suurempi ja staattinen pienempi kuin ympäröivän liikkumattoman ilman paine.
Suoraan ylöspäin puhaltavassa ilmavirrassa pallo nousee sille korkeudelle, jossa dynaamisen paineen aikaansaama nostovoima ja pallon paino ovat yhtä suuret.
Pallo pysyy ilmavirrassa, koska sen ulkopuolella olevan liikkumattoman ilman suurempi staattinen paine työntää ilmavirrasta karkuun pyrkivän pallon takaisin.
Vinosti puhaltavassa ilmavirrassa tilanne on monimutkaisempi. Pallo ei putoa dynaamisen ja staattisen paineen yhteisvaikutuksesta. Pallon ilmaan kohdistama vastavoima saa ilmavirran kääntymään hieman alaspäin.

Monet linnut, varsinkin isot kuten kurjet, käyttävät nousevien ilmavirtausten dynaamista ja staattista painetta hyväkseen ottaessaan korkeutta. Niiden tarvitsee oikeastaan vain pitää siivet levällään. Virtauksen dynaaminen paine nostaa linnut ylös taivaalle ja staattinen paine pitää automaattisesti ne kiertämässä kehää virtauksen sisällä.



Linkit

Hidastettu video ja teatterisavu
Poikkitieteellistä asiasta
Erittäin poikkitieteellistä
Lisää poikkitieteellistä

Kilparata

Kumpi palloista on ensin alhaalla?

Aseta pallot kiskojen yläpäähän. Päästä pallot pyörimään yhtä aikaa.

Pidemmällä kaarevalla radalla vierivä pallo on ensimmäisenä alhaalla.

Molempien pallojen nopeus alhaalla on sama, koska ne saavat saman liike-energian liikkuessaan pystysuorassa suunnassa saman matkan. Kaarevalla radalla vierivä pallo on alussa nopeampi, koska sen kiihtyvyys jyrkemmällä radalla on suurempi. Nopean alkukiihdytyksen ansiosta sen aika on lyhyempi, vaikka sen kiihtyvyys radan lopun loivalla osuudella on pienempi ja rata pidempi kuin suoraa rataa kulkevan pallon. Tässä kilpailussa ei kannata jättää loppukirin varaan.

Sitä rataa, jota myöten kappale nopeimmin liukuu tai vierii kitkatta painovoiman vaikutuksesta minkä tahansa eri korkeuksilla olevan kahden pisteen välisen matkan, kutsutaan brachistochrone-käyräksi. Käyrän matemaattista muotoa tutkivat - ja myös selvittivät sen - jo 1600-luvulla aikansa kuuluisimmat tiedemiehet Newtonista alkaen. Kyseinen käyrä on nimeltään sykloidi.
Vierivän ympyrän kehäpiste piirtää sykloidin. Jos kiinnittää polkupyörän renkaaseen pienen lampun ja ajaa pyörällä niin pimeällä saa kameralla käyttämällä pitkää valotusaikaa otettua kuvan lampun ilmaan piirtämästä sykloidi-käyrästä.

Linkit

Katti Matikainen ja kilparata

Vierivät pyörät

Miksi toinen pyörä on nopeampi ?

Aseta molemmat pyörät kaltevan tason yläpäähän ja päästä niistä samanaikaisesti irti.

Toinen pyöristä voittaa aina. Löydätkö pyöristä eroavaisuuksia?

Pyörät ovat yhtä suuret, yhtä painavat ja samoista materiaaleista tehdyt. Ainoa eroavuus on painojen paikat. Toisella ne ovat lähellä keskustaa, toisella lähellä reunaa. Tästä johtuen pyörillä on erisuuret hitausmomentit.
Hitausmomentti on fysikaalinen suure, joka kuvastaa pyörivän kappaleen kykyä vastustaa pyörimisnopeuden muutosta. Pyörällä, jonka painot ovat ulkokehällä, on suurempi hitausmomentti. Siksi se kiihtyy vieriessään hitaammin ja jää jälkeen pyörästä, jonka panot ovat lähempänä pyörimisakselia.

Monien yleisten paikkojen vessoissa käytetään hyvin isoja WC-paperirullia. Niiden suuresta hitausmomentista johtuen rulla lähtee hitaasti pyörimään paperia rullalta vedettäessä. Liian nopea vetäisy katkaisee helposti paperin ennen aikojaan. Fysiikan tuntemus on valttia tässäkin. Isosta rullasta paperia kannattaa vetää ensin hitaasti sopiva määrä. Sitten paperi voidaan katkaista nopealla nykäisyllä ilman, että toisella kädellä on pidettävä rullasta kiinni kuten pienen rullan kanssa täytyy tehdä.

Linkit

Katti Matikainen ja vierivät pyörät

Hitaat kuplat

Millainen kupla nousee nopeimmin?

Pumppaa kuplia putkeen ja tarkkaile niiden nousua.

Suuret kuplat nousevat pieniä nopeammin.

Paine nesteessä kasvaa alaspäin mentäessä. Nesteen kappaleen ylä- ja alapintaan kohdistavien paineiden ero aiheuttaa kappaleeseen nosteen. Myös ilmakupla on tässä mielessä kappale. Noste nostaa kuplan pintaan, koska ilma on kevyempää kuin neste.
Neste vastustaa siinä olevien kappaleiden liikettä. Ilmiö on nimeltään väliaineen vastus. Väliaineen vastuksen suuruus riippuu mm. kappaleen nopeudesta, poikkipinta-alasta ja nesteen viskositeetista.
Putkessa olevan silikoniöljyn viskositeetti eli sitkoisuus on suuri. Siksi kuplat nousevat hitaasti.
Suuret kuplat nousevat nopeammin kuin pienet, koska kuplan nostevoima on verrannollista kuplan tilavuuteen ja väliaineen vastus sen poikkipinta-alaan. Kun kuplan koko suurenee, tilavuus kasvaa suhteessa enemmän kuin poikkipinta-ala.
Silikonissa kuplat saavuttavat pian rajanopeutensa. Sen jälkeen samankokoiset kuplat kohoavat yhtä nopeasti. Jos iso kupla saa kiinni ja ”nielaisee” pienemmän, niin syntynyt isompi kupla on taas hetken kiihtyvässä liikkeessä.

Sana viskositeetti juontuu latinankielisestä sanasta "viscum album " (misteli). Mistelipuun marjoista saadulla paksulla liimamaisella nesteellä on pyydystetty puiden oksille laskeutuvia lintuja.

Erottumattomat

Näetkö kuvioissa eroja?

Vertaile vierekkäisten kuvioiden värisävyjä sekä vaaleutta ja tummuutta. Siirrä sitten tasoa niiden päälle tarkistaaksesi oikean värin.

Kahdessa parissa kuvioiden väri on sama, vaikka ne näyttävät erilaisilta. Yhdessä värit ovat erilaisia, vaikka kuviot näyttävät samansävyisiltä.

Näköaistimme ei kykene rekisteröimään pinnan värisävyä ja vaaleutta absoluuttisesti, vaan se tapahtuu suhteessa ympäristöön. Harmaa pinta näyttää tummassa ympäristössä paljon vaaleammalta kuin sama pinta vaaleassa ympäristössä. Samoin värisävyn kokemus riippuu ympäristön värisävystä. Sama pinta voi näyttää katsojasta olevan jopa sininen tai keltainen, jos sen ympärillä olevat värit vaihdetaan sopivasti. Saman väriset pinnat näkyvät hyvin eri värisinä eri ympäristöissä, vaikka molemmat nähtäisiin samaan aikaan.

Ennen kuin optinen kuva siirtyy silmästä tajuntaan, aivot suorittavat monta monimutkaista prosessointia kuvalle. Siihen sisältyy monia mahdollisuuksia erilaisten näköharhojen syntyyn.

Näköhavainto on aina vertailua johonkin, kuten ympäröivien esineiden väriin, vaaleuteen tai kokoon. Hetkellistä näköhavaintoa verrataan myös aikaisempiin. Vasta aikuisena näön leikkauksella saaneet ovat usein kykenemättömiä tulkitsemaan näkemäänsä, koska heiltä puuttuvat näköaistille välttämättömät muistikuvat ja heidän aiovnsa näkökeskus ei ole harjaantunut tulkitsemaan silmin niihin antamaa ärsykettä.

Kenelle kello soi?

Saatko kellon hiljaiseksi siihen koskematta?

Soita kuvun alla olevaa kelloa soittonapista. Ime sitten kuvusta ilma pois painamalla vihreää nappia ja soita kelloa uudestaan. Ilman voi palauttaa kupuun punaista nappia painamalla.

Jos kuvun sisällä on ilmaa, kellon ääni kuuluu hyvin. Ilman vähetessä ääni vaimenee ja häipyy lopulta kuulumattomiin.

Äänen eteneminen vaatii aina väliaineen, sillä se on mekaanista aaltoliikettä. Äänilähde saa ilmamolekyylit värähtelemään, ja värähtely siirtyy molekyylien välityksellä korvaasi. Ääni ei etene eikä niin ollen myöskään kuulu tyhjiössä, koska tyhjiössä ei ole ääntä välittävää ainetta.

Avaruuselokuvissa on toisinaan taistelukohtauksia, joissa ammutaan laseraseilla. Laser-säteet välähtelevät ja taistelun räiske on kovaäänistä. Nämä kohtaukset tehdään draaman lakien mukaisesti fysiikan laeista välittämättä. Avaruudessa ei ole ilmaa, joten siellä laser-säteitä ei voi nähdä sivusuunasta: tarvitaan ilmamolekyylejä, joista säde voisi sirota sivuille. Ääntä kuljettavan väliaineen puutteen vuoksi taistelu olisi myös täysin äänetön.

Vetyraketti

Toimiiko raketti vedellä?

Aloita koe pyörittämällä kampea. Valot muuttuvat vihreiksi, kun raketti on lähtövalmiina. Käynnistä lähtölaskenta nappia painamalla.

Raketti lennähtää ilmaan, kun kampea pyörittämällä aikaansaadut kaasut sytytetään.

Kampea pyöritettäessä syntyvä sähkövirta hajottaa vesimolekyylit H2O kaasumaisiksi alkuaineikseen vedyksi (H) ja hapeksi (O). Tämä kemiallinen reaktio on luonteeltaan endoterminen eli se vaatii energiaa, joka tulee kammenpyörittäjän lihaksista. Käänteinen reaktio, vedyn ja hapen yhtyminen eli vedyn palaminen vedeksi on vastaavasti eksoterminen, eli se luovuttaa energiaa: Kaasuseoksen palaessa räjähdysmäisesti vesihöyryksi palokammioon muodostuu painetta. Paine purkautuu palokaasujen virratessa voimalla ulos raketin takaa, mikä saa raketin nousemaan.

Vedyn palamisen lämpöarvo suhteessa massaan on hyvin suuri. Se on noin kolminkertainen bensiiniin verrattuna. Siksi vetyä käytetään avaruusrakettien polttoaineena, koska raketin noustessa kaikki ylimääräinen paino on haitaksi. Vety ja sen palamiseen tarvittava happi ovat raketissa nesteeksi jäähdytettyinä, kumpikin omassa säiliössään.

Linkit

Video kohteesta

Itsepäinen vene

Uhmaako veistos fysiikan lakeja?

Laita vene pyörimään vastapäivään ja myötäpäivään. Tarkkaile myös veneen vaappumisen suuntaa.

Kun pyöräytät venettä vastapäivään, se pyörii pitkään. Kun pyöräytät venettä myötäpäivään, se alkaa vaappua pituussuunnassa, sen pyöriminen hidastuu nopeasti ja kääntyy lopulta vastapäiväiseksi.

Kun kappaletta pyöritään sellaisen akselin ympäri, jonka suhteen sen hitausmomentti ei ole suurin tai pienin, tulee kappaleeseen vääntöä ja se pyrkii vaappumaan. Itsepäinen vene on hieman epäsymmetrinen ja pyörii alustalla epästabiilin akselin ympäri. Siksi se alkaa pyöriessään vaappua sekä pitkittäis- että poikittaissuunnassa. Pyörimissuunta ratkaisee, kumpi epävakaa liike on dominoiva. Tällä veneellä myötäpäivään pyöriminen aiheuttaa enemmän väpätystä pitkittäissuunnassa, vastapäivään poikittaisessa. Pitkittäinen vaappuminen vaikuttaa pyörimiseen enemmän ja lopulta yhdessä kitkan kanssa kääntää pyörimisen suunnan. Samalla vaappuminenkin muuttuu poikittaiseksi.
Ensimmäiset yritykset selittää itsepäisen veneen fysiikkaa tehtiin jo yli vuosisata sitten, mutta vieläkin pyörivän veneen käyttäytyminen on vailla lopullista fysikaalista selitystä.

Ilmiö on saman tapainen kuin huonosti tasapainotetuissa auton renkaassa. Sekin alkaa täristä, jos pyörimisakselin suunta on hieman eri kuin epäsymmetrisen renkaan pyörimisakselin luontainen suunta olisi.

Linkit

Video
Hidastettu video
Poikkitieteellistä

Musta aukko

Nieleekö musta aukko kaiken?

Laita pallo pyörimään suppiloon.

Pallo kiertyy kiihtyvällä vauhdilla kohti suppilon nielua.

Suppilo kuvaa mustan aukon aiheuttamaa avaruuden kaareutumista, nielu itse mustaa aukkoa ja nieluun putoava pallo mustaan aukkoon syöksyvää kappaletta. Avaruuden voimakkaan kaareutumisen johdosta painovoima mustan aukon ympärillä on erittäin suuri. Kappaleen joutuessa stationaarisyysrajaksi kutsutun etäisyyden sisäpuolelle, sillä on vielä toivoa. Osa kappaleista sinkoutuu ulos mustan aukon vaikutuspiiristä, osa syöksyy mustan aukon keskustaan, singulariteettiin. Niin sanotun tapahtumahorisontin takaa edes valo ei kykene pakenemaan mustan aukon painovoimakentästä. Siksi mustaa aukkoa ei voi havaita kuin epäsuorasti.

Avaruudessa lähellä Maata kiertävien satelliittien nopeus hidastuu vuosien kuluessa ylimmän ilmakehän kitkan vaikutuksesta, mikä saa aikaan satelliittien putoamisen lopulta takaisin Maahan. Ilmakehän raja ja Maan vetovoima ovat satelliiteille yhtä kohtalokas yhdistelmä kuin mustan aukon tapahtumahorisontti. Rajan sisäpuolelle joutuville on edessä vääjäämätön tuhoutuminen - enemmin tai myöhemmin.

Linkit

Jenna ja Ilona ja musta aukko
Poikkitieteellistä

Superpomppu

Kummat pallot pomppaavat korkeammalle?

Nosta palloniput ylös ja päästä ne irti niin, että pallot pääsevät putoamaan mahdollisimman suoraan ja vapaasti, vaijereiden väräjöimättä. Älä heitä palloja ylöspäin.

Nipussa, jossa suurin pallo on ylimpänä, pallot pomppaavat tuskin lainkaan. Toisessa nipussa ylin pieni pallo lentää metrien korkeuteen.

Pallonipun osuessa alustaan alin isoin pallo pomppaa kimmoisasti ylöspäin. Silmänräpäystä myöhemmin seuraava pallo törmää tähän palloon. Törmäyksessä isomman pallon liikemäärästä siirtyy pienemmälle pallolle niin paljon, että pienemmän pallon nopeus kasvaa pompussa lähes kolminkertaiseksi. Kun saman toistuu vielä kaksi kertaa, niin pienimmän pallon nopeus voisi teoreettisesti olla peräti 27-kertainen (=3x3x3) pallojen putoamisnopeuteen nähden.
Nousukorkeus on verrannollinen nopeuden neliöön. Jos pallot pudotettaisiin yhdenmetrin korkeudelta, niin pienin pallo nousi 272 = 729 metrin korkeuteen – siis teoriassa, kun kitka, ilmanvastus ja pallojen vain osittainen kimmoisuus jätetään huomiotta.
Toisessa nipussa törmäyksissä suuremman, ylempänä olevan pallon liikemäärä on alaspäin. Siksi pallot pyrkivät alaspäin törmäyksissä.

Ison ja pienen törmätessä kimmoisasti vastakkain pieni saa suuremman nopeuden kuin törmääjien yhteenlaskettu nopeus. Jalkapallossakin kovimmat laukaukset lähtevät vastapalloon potkaistaessa.

Linkit

Hidastettu video pompusta
Poikkitieteellistä

Polttopisteessä

Löydätkö peilin polttopisteen?

Aseta kätesi peilin eteen ja tutki peilin heijastamaa lämpöä eri kohdissa.

Lampun säteily heijastuu voimakkaimmin peilin polttopisteeseen . Sen löytää sekä valon että lämmön avulla.

Lämpölampun säteilemä valo ja lämpö heijastuvat koverasta  peilistä siten, että säteet risteävät polttopisteen lähellä. Aivan tarkkaan yhdessä pisteessä ne eivät kohtaa, koska peiliin tulevat säteet eivät ole yhdensuuntaiset.  Auringon säteilyn lämpöä voidaan hyödyntää tehokkaasti isojen parabolisten peilien avulla, jos tarvitaan korkeaa lämpötilaa pienessä kohteessa. Systeemin hyvänä puolena on energian ilmaisuus. Huonona taas se, että peilien on kierryttävä koko ajan auringon tahdissa, jotta säteet heijastuisivat aina samaan kohtaan.

Arkhimedeen kerrottiin sytyttäneen aikoinaan Syrakusassa roomalaisten laivoja tuleen koverilla peileillä. Käytännön kokeiden perusteella tarina on osoittautunut myytiksi. Sitä sen sijaan eivät ole peileillä toimivat aurinkokeittimet, joita voi hyödyntää vaikkapa mökeillä. Suomi vie kehitysapuna aurinkokeittimiä useisiin maihin, joissa ne vähentävät polttopuun käyttöä ja metsien hakkaamista. Ne helpottavat myös polttopuun keräämisestä vastuussa yleensä olevien naisten työtaakkaa. 

Pyörivä pöytä

Miten pyörivälle levylle päätyvät esineet vierivät?

Vieritä esineitä pöydälle joko niin, että vieriminen alkaa pyörivältä levyn päältä tai reunalta ennen pyörivää levyä. Voit säätää pyörimisnopeutta napeista.

Esine kaartaa aina pyörimisen suuntaan. Reunalta pyörivälle levylle vierivä esine poistuu pyörivältä pöydän osalta suunnilleen samasta kohtaa ja samaan suuntaan, miten se olisi tehnyt, jos pöytä ei pyörisi. Suoraan pyörivälle levylle vieritetty esine käyttäytyy hyvin arvaamattomasti.

Esineen tullessa pyörivälle levylle siihen alkaa vaikuttaa kitkavoima. Esineen päästessä yli pyörivän levyn puolivälin, kitkan suunta kääntyy pyörimissuunnan mukana. Siksi koko pyörivän levyn lävitse vierivään esineeseen vaikuttavan kitkan kokonaisvaikutukset vasemmalle ja oikealle ovat yhtä suuret. Siksi esine jatkaa matkaansa pöydän liikkumattomalla osalla alkuperäiseen suuntaansa.
Levylle vierimään laitetulla esineeseen kohdistuvalla kitkalla ei ole tätä symmetriaa. Siksi se käyttäytyy ennustamattomasti.

Sama ilmiö vaikuttaa mm. hypättäessä pois karusellista, jonka pyöriminen vielä jatkuu. Jos haluttaisiin jäädä paikoilleen maahan, karusellin antama liike olisi kumottava eli pitäisi hypätä pyörimissuuntaa vastaan. Paljon helpompaa on kuitenkin jatkaa liikkeen suuntaan maassa muutamalla juoksuaskeleella, eli olla vastustamatta massan hitautta.

Nosta auto

Jaksatko nostaa pienen henkilöauton?

Vedä köydestä ja katso, mitä autolle tapahtuu.

Köydestä vetämällä saadaan auto helposti nousemaan ilmaan.

Mekaniikan kultainen sääntö sanoo: ”Mikä matkassa hävitään, se voimassa voitetaan”. Talja on tätä periaatetta soveltava laite. Yläpalkkiin kiinnitetyn väkipyörän ja köyden avulla saadaan auton nostoon tarvittava voima käännettyä alaspäin suuntautuvaksi vedoksi. Usean liikkuvan väkipyörän avulla voima moninkertaistuu.
Heurekan taljassa jokainen liikkuva väkipyörä on kiinni yläpalkissa ja ylempänä olevassa pyörässä. Tällä konstruktiolla jokainen liikkuva väkipyörä kaksinkertaistaa vetovoiman. Siis nostovoima on 26 = 64 kertaa niin suuri kuin vetovoima.
Köysien liikkumat matkat menevät samassa suhteessa, mutta kääntäen. Jotta auton saisi nousemaan 10 cm, niin köyttä on vedettävä noin 6 metriä.

Yksinkertaisia väkipyöriä käytettiin jo ennen ajanlaskun alkua. Arkhimedeen kerrotaan nostaneen taljalla laivoja telakalle. Hänen suuhunsa laitettu lause ”Antakaa minulle tarpeeksi pitkä vipu ja kiinteä piste, niin siirrän Maapallon paikoiltaan” kuvaa hyvin mekaniikan kultaista sääntöä. Teoriassa sen avulla mahdollista saada äärettömän suuria voimia, mutta käytännön realiteetit, kuten kitka tai aineen kestävyys tulevat jo paljon sitä ennen vastaan.

Linkit

Katti Matikainen ja nosta auto