8 3 Paine Käsitteet: ilmanpaine, ilmakehä, lappo, kaasu, neste i Ilma on ainetta ja se vaatii oman tilavuutensa. Ilmalla on massa. Maapallon ympärillä on ilmakehä. Me asumme ilmameren pohjalla. Me olemme sopeutuneet ilmanpaineeseen. Ilmanpaine aiheutuu ilman omasta painosta. Miksi ihminen ei puristu kokoon ilmanpaineen vaikutuksesta? Ihmisen sisäinen paine on yhtä suuri. Tyhjää aukinaista kanisteria lämmitetään, jolloin siinä oleva ilma laajenee. Osa ilmasta virtaa ulos kanisterista. Suljetaan kanisteri ja annetaan sen jäähtyä. Jokin voima puristaa kanisterin lyttyyn. Miksi kanisteri litistyy? Ilmanpaine painaa kanisterin lyttyyn, koska kanisterin sisällä on nyt pienempi paine. 8
9 Saman kokeen voi tehdä muovipullolla, jos sitä ensin lämmitetään mikrossa. Pulloon on laitettava vähän vettä ennen lämmitystä. Mitä, tapahtuu jos kanisteria lämmitetään umpinaisena? Meritähti Eli merenpohjassa Meritähti tuhat tonnia vettä yllä Minä jaksan kyllä, sanoi Meritähti. On terävät sakarat, ja litteät pakarat ja paineenkestävät kakarat! Kirsi Kunnas Nesteen omasta painosta johtuvaa painetta nimitetään hydrostaattiseksi paineeksi. Mustekala asuu meren pohjalla. Siihen kohdistuu veden painosta johtuva hydrostaattinen paine, mutta mustekala on sopeutunut ympäristöönsä. Sen sisäinen paine on yhtä suuri, siksi se ei puristu kokoon. Hydrostaattinen paine pienenee ylöspäin noustaessa. Miksi? Mustekalan yläpuolella on vähemmän vettä ja siis vähemmän ainetta, joka painaa sen hartioita. Nesteen omasta painosta aiheutuva paine eli hydrostaattinen paine on sitä suurempi mitä syvemmälle sukeltaja sukeltaa. Onko helppo sukeltaa oikein syvälle? Miltä korvissa tuntuu? Ilmanpaine pienenee myös ylöspäin mentäessä. Ilmanpaine vaihtelee hiukan sääsuhteiden mukaan. Sen kertoo meille ilmapuntari. Ilmanpaine on suunnilleen sama kuin 10 metriä korkean vesikerroksen aiheuttama hydrostaattinen paine. Ilmakerroksen paksuus on noin 400 kilometriä. Ilmakerros kuitenkin 9
10 ohenee ylöspäin mentäessä. Kuuden kilometrin korkeudessa ihminen tarvitsee lisähappea selviytyäkseen. Sovellutuksia Miten imupilli toimii? Jos et ime, niin paine pillin sisällä on sama kuin ilmanpaine. Pinnat ovat samalla korkeudella. Jos imet niin suun lihasten avulla saat pillin sisään pienemmän paineen. Ilmanpaine alkaa työntää juomaa suuhusi. Kokeile imukykyäsi. Laita vesiastia lattialle. Nouse itse aluksi vaikka tuolille ja ime pitkällä letkulla vettä. Kuinka korkealle saat sen nousemaan? Peitä täysi vesilasi pahvilevyllä. Käännä lasi ylösalaisin. Mikä estää lasia tyhjentymästä? Vastaus: ilmanpaine. Peitä nyt lasi sideharsokankaalla. Kiinnitä kangas kuminauhalla lasin suulle ja käännä lasi nopeasti ylösalaisin. Myös nyt vesi pysyy lasissa. Veden pintajännitys estää veden tihkumisen harvan kankaan läpi. 10
11 Tutustumme lappoon. Letku on ensin tavalla tai toisella saatava täyteen nestettä. Oletko kesämökillä lapon avulla tyhjentänyt sadevesitynnyreistä saunavettä? Myös akvaarion tyhjentäminen onnistuu lapon avulla. Rakennamme linnunjuottoautomaatin. Tarvitsemme pullon ja alusastian. Latki lusikalla vettä lautaselta ja tarkkaile laitteen toimintaa. Rakennamme kalalle näkötornin. Miksi vesi pysyy tornissa? Vastaus: ilmanpaine vaikuttaa veden pintaan, mutta jos lasipurkki nostetaan niin ylös, että sen suu on vedenpinnan yläpuolella, niin silloin vesi karkaa purkista. Pallo pulloon demonstraatio Välineet: pyöreä ilmapallo, keittopullo ja kuumennusvälineet. Työn suoritus: keittopulloon pannaan hieman vettä. Keitetään noin minuutin. Pannaan ripeästi keittämisen jälkeen ilmapallo keittopullon kaulaan kiinni. Patalappu voi olla tarpeen. Tehdään näköhavaintoja ja joskus myös kuulohavaintoja. ii Pallo pulloon kokeen selitys: kun vettä keitetään, niin syntyvän höyryn mukana poistuu ilma lähes kokonaan keittopullosta. Pallon panohetkellä keittopullossa on lähes pelkkää vesihöyryä. Kun vesihöyry tiivistyy pallon ja pullon välisessä tilassa, niin ilmanpaine täyttää ilmapallon nurjalta puolelta. Pallo täyttää pullon. Huomio! Voit jatkaa demonstraatiota keittämällä keittopullon pohjalla olevaa vettä. Pallo 11
12 pullistuu ulos pullosta. Kun lopetat keittämisen pallo imeytyy jälleen pullon sisälle. Älä polta sormiasi! Käytä keitinsiruja tarvittaessa. Suojalasit eivät ole haitaksi. (Dimensio 6/96) Paineen vaikutus kiehumispisteeseen Muoviruiskuun otetaan lämmintä noin 50 asteista vettä. Ruiskun pää suljetaan sormella. Kun mäntää vedetään ylös, paine pienenee ja vesi alkaa kiehua. Painekattilassa on suuri paine. Silloin kiehumispistekin on korkeampi ja ruoka kypsyy nopeammin. iii Nesteet Nesteet ovat herkkäliikkeisiä. Nesteillä ei ole omaa muotoa. Nesteen muodon määrää sitä rajoittava astia. Nesteen vapaa pinta pyrkii asettumaan vaakasuoraksi. Nesteet eivät puristu kokoon. Erittäin voimakkaasti puristamalla saadaan nesteet jonkin verran supistumaan, mutta käytännössä niitä voidaan pitää kokoonpuristumattomina. Puristuksen aiheuttama paine leviää kaikkialle nesteeseen. Nostetaan puhaltamalla 12
13 Muovipussi asetetaan pöydälle ja sen päälle kasataan kirjoja. Pussin suuaukko pidetään pienenä puristamalla sitä käsin. Puhalletaan pussiin. Mitä tapahtuu? Miksi? Millaisia sovellutuksia tälle ilmiölle on? Miten uusien autojen turvajärjestelmässä hyödynnetään kaasun ylipainetta? Selityksiä: kun pussiin puhalletaan, pussissa olevan kaasun paine kasvaa. Paine leviää samansuuruisena kaikkiin suuntiin. Koska paine kohdistuu suurelle pinnalle, nostava voima tulee suureksi ja suurikin kirjapino nousee. Kirjapinon päälle voi istuttaa myös kaverin. Ilmiötä voidaan soveltaa esimerkiksi puhallettavissa rantapatjoissa. iv Suihkulla maalaaminen Tutkitaan spraysuihkun syntyä. Mehupillit asetetaan kuvan mukaisesti. Alempaa pilliä voi lyhentää. Puhalletaan ylempään pilliin niin, että ilma virtaa alemman pillin suuaukon edestä. Mitä havaitaan? Miksi? Selitys: vesi nousee alemmassa mehupillissä ja ruiskuaa pieninä pisaroina. Alemman pillin suuaukkoon ilmavirta aiheuttaa alipaineen ja ilmanpaine työntää vettä pilliin. Ilmiö tunnetaan Bernoullin periaatteen nimellä (vesisuihkupumppu saa aikaan tyhjön samalla periaatteella). Keskustelun aiheita: auton renkaiden paine, verenpaine, nestekaasun paine, vuorikiipeilijään vaikuttava paine ym. i Härmä, Nurmi, Tiilikainen 1974, s37, 41-46, s111 ii DIMENSIO 6/96 iii Hyvönen, Kuitunen, Vironseppä oy iv MAOL ry, Teknillistieteelliset akatemiat ry,1999, s50-51 ja s70-71 13