Ilmu Pengetahuan

Viskositeetti

Sekä nesteillä että kaasuilla on vaihteleva viskositeettiaste. Viskositeetti on pohjimmiltaan nestettä muodostavien molekyylien välinen kitkavoima. Nesteen muodostavat molekyylit hankaavat toisiaan vasten nesteen virratessa. Nesteissä viskositeetti johtuu koheesiosta (samanlaisten molekyylien välisestä vetovoimasta). Kaasuissa viskositeetti johtuu molekyylien välisistä törmäyksistä.

Nestemäiset nesteet virtaavat yleensä helpommin, esimerkiksi vesi. Toisaalta paksummat nesteet virtaavat vaikeammin, esimerkiksi ruokaöljy, öljy, hunaja jne. Voit todistaa tämän kaatamalla vettä ja ruokaöljyä kaltevalle lattialle. Vesi virtaa ehdottomasti nopeammin kuin ruokaöljy tai öljy. Nesteen viskositeetti riippuu myös lämpötilasta. Mitä korkeampi nesteen lämpötila on, sitä vähemmän viskoosia neste on. Esimerkiksi kun äiti paistaa kalaa keittiössä, alun perin paksu ruokaöljy muuttuu nestemäisemmäksi kuumennettaessa. Toisaalta, mitä korkeampi kaasun lämpötila on, sitä viskoosimmaksi kaasu muuttuu.

Lue lisää

Kapillaarisuus

Oletko koskaan nähnyt kynttilää? Toivottavasti käytät sitä. Yksi mielenkiintoinen ilmiö, jonka voimme havaita kynttilän palaessa. Palavan kynttilän sydämen pohja on yleensä aina märkä sulaneesta vahasta (sydämen päällä). Sulan vahan läsnäolo sydämessä tarkoittaa, että kynttilä voi palaa pitkään. Mikä saa sulaneen vahan liikkumaan ylöspäin kohti palavaa kynttilän sydänlankaa? Voimme havaita saman ilmiön soihtuissa.

Monet mielenkiintoiset asiat elämässämme ovat samankaltaisia kuin kynttilöissä ja öljylampuissa esiintyvät ilmiöt. Nesteellä on ikään kuin jalat, joiden avulla se voi liikkua ylöspäin. Voitko selittää tämän tieteellisesti? Yksi fysiikan käsite, joka voi selittää kynttilöissä, öljylampuissa ja monissa muissa vastaavissa ilmiöissä esiintyviä ilmiöitä, on kapillaarisuus.

Lue lisää

Arkhimedeen laki

Arkhimedeen lakiaineisto

Oletko koskaan nähnyt laivaa? Jos et ole nähnyt sellaista omin silmin, olet toivottavasti nähnyt sellaisen televisiossa tai internetissä. Hyvin suurimassainen laiva ei uppoa, kun taas pieni, kevyt kivi voi upota. Miksi näin on? Vastaus on melko yksinkertainen, jos ymmärrät kelluvuuden ja Arkhimedeen periaatteen käsitteet.

Arkielämässä huomaamme, että nesteeseen sijoitetut esineet, kuten kallio, painavat vähemmän kuin silloin, kun esine ei ole nesteessä. Kiven nostaminen maan pinnalta voi olla vaikeaa, mutta sama kivi nousee helposti altaan pohjalta. Tämä johtuu kelluvuusvoimasta. Kelluvuus syntyy nesteen paineen eroista eri syvyyksissä. Nesteen paine kasvaa syvyyden mukana, mitä syvempi neste, sitä suurempi nesteen paine. Kun esine asetetaan nesteeseen, sen yläpuolella olevan nesteen ja sen alapuolella olevan nesteen välillä on paine-ero. Esineen pohjalla olevalla nesteellä on suurempi paine kuin sen päällä olevalla nesteellä.

Lue lisää

Nesteen paine

Nestepainemateriaali

Fysiikassa paine määritellään voimaksi pinta-alayksikköä kohti, jossa voiman suunta on kohtisuorassa pinta-alaan nähden. Matemaattisesti paine ilmaistaan yhtälöllä P = F/A, jossa P = paine, F = voima ja A = pinta-ala. Voiman yksikkö (F) on Newton (N) ja pinta-alayksikkö on neliömetri (m ² ). Koska paine on voima pinta-alayksikköä kohti, paineen yksikkö on N/m ^{2. N/m}² :n toinen nimi on pascal (Pa). Pascalia käytetään paineen yksikkönä Blaise Pascalin kunniaksi.

Kun neste on levossa, se kohdistaa voiman, joka on kohtisuorassa koko pinta-alaan, jonka kanssa se on kosketuksissa. Ajatellaanpa esimerkiksi lasissa olevaa vettä; jokainen osa vettä kohdistaa voiman, joka on kohtisuorassa lasiseinämään nähden. Siksi jokainen osa vettä kohdistaa voiman, joka on kohtisuorassa jokaiseen sen käyttämän säiliön pinta-alayksikköön nähden. Tämä on tärkeä ominaisuus staattiselle nesteelle, levossa olevalle nesteelle. Kun neste kohdistaa voiman pintaan, jossa voima ei ole kohtisuorassa, pinta kohdistaa reaktiovoiman, joka ei myöskään ole kohtisuorassa. Tämä saa nesteen virtaamaan. Todellisuudessa neste kuitenkin pysyy levossa. Siksi levossa olevassa nesteessä voima on aina kohtisuorassa sen säiliön pintaan nähden, jossa se on.

Lue lisää

Staattisten ja dynaamisten nesteiden ymmärtäminen

Fysiikassa neste määritellään aineeksi, joka voi virrata. Olet oppinut, että jokapäiväisessä elämässä kohtaamamme materiaalit koostuvat kiinteistä aineista, nesteistä ja kaasuista. Termi neste kattaa sekä nesteet että kaasut, koska nesteet, kuten vesi, ja kaasut, kuten ilma, voivat virrata. Kiinteät aineet, kuten kivi tai rauta, eivät voi virrata, eikä niitä siksi voida luokitella nesteiksi. Tämän selityksen ymmärtämiseksi on hyödyllistä tarkastella joitakin esimerkkejä arkielämästä. Kun käyt suihkussa, tarvitset ehdottomasti vettä. Säiliöön pääsemiseksi vesi virtaa joko lähteestä tai se otetaan kaivosta. Vesi on yksi esimerkki nesteestä. On muitakin esimerkkejä nesteistä, kuten voiteluöljy, maito ja niin edelleen. Kaikki nämä nesteet voidaan luokitella nesteiksi, koska ne voivat virrata paikasta toiseen. Myös kaasut ovat nesteitä. Myös kaasut voivat virrata paikasta toiseen. Tuulenpuuska on esimerkki ilman liikkumisesta paikasta toiseen.

Lue lisää

Pintajännitys

Pintajännityksen ymmärtäminen

Pintajännitys syntyy, koska nesteen pinta pyrkii jäykistymään, mikä luo ohuen kalvomaisen ulkonäön. Tähän vaikuttavat vesimolekyylien väliset koheesiovoimat. Ymmärtääksemme tätä selitystä paremmin, tarkastellaan seuraavaa kuvaa. Tarkastellaan nestettä astiassa.

Pintajännitys 1 Nestemäiset molekyylit tyypillisesti vetävät toisiaan puoleensa. Nesteen sisällä kutakin nestemäistä molekyyliä ympäröivät muut molekyylit kummallakin puolella; mutta nesteen pinnalla on vain nestemäisiä molekyylejä sivuilla ja alapuolella. Yläpuolella ei ole muita nestemäisiä molekyylejä. Koska nestemäiset molekyylit vetävät toisiaan puoleensa, nesteen sisällä oleviin molekyyleihin vaikuttaa nollan suuruinen nettovoima. Kääntäen, nestemäiset molekyylit vetävät puoleensa nestemäisiä molekyylejä sivuilla ja alapuolella. Tämän seurauksena nesteen pinnalla on alaspäin suuntautuva nettovoima. Tämän alaspäin suuntautuvan nettovoiman vuoksi nesteen pinta-ala pyrkii pienentämään pinta-alaansa ja kutistumaan mahdollisimman paljon.

Lue lisää

Poiseuillen yhtälö

Sitä kutsutaan Poiseuillen yhtälöksi, koska sen löysi edesmennyt Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869). Kuten selitettiin, jokaista nestettä voidaan pitää ideaalisena nesteenä. Ideaalisilla nesteillä ei ole viskositeettia. Jos kuvittelemme ideaalisen nesteen virtaavan putkessa, jokainen nesteen osa liikkuu samalla nopeudella (v). Toisin kuin ideaalisilla nesteillä, todellisilla nesteillä eli jokapäiväisessä elämässä kohtaamillamme nesteillä on viskositeetti. Koska niillä on viskositeetti, esimerkiksi putkessa virratessaan nesteen kunkin osan nopeus vaihtelee. Keskellä oleva nestekerros liikkuu nopeammin (v on suuri), kun taas putkeen kiinnittynyt nestekerros ei liiku eli pysyy paikallaan (v = 0). Joten putken keskeltä reunaan jokainen nesteen osa liikkuu eri nopeuksilla. Jotta ymmärtäisit paremmin, katso alla olevaa kuvaa…

Lue lisää

Tiheys ja ominaispaino

Materiaalin tiheys ja ominaispaino

Tiheys

Yksi aineen tärkeimmistä ominaisuuksista on tiheys. Tiheys on aineen massan suhde sen tilavuuteen. Matemaattisesti se kirjoitetaan seuraavasti:

ρ = m/V

ρ on kreikkalainen kirjain, jota yleisesti käytetään tiheyden merkitsemiseen, m tarkoittaa massaa ja V tilavuutta. Homogeenisen nesteen tiheys on perustavanlaatuisesti erilainen kuin homogeenisen kiinteän aineen tiheys. Esimerkiksi raudalla tai jäällä on sama tiheys joka osassa. Tämä eroaa nesteistä, kuten ilmakehästä tai vedestä. Maan ilmakehässä tiheys on sitä pienempi, mitä korkeammalla ilmakehä on maan pinnasta, kun taas esimerkiksi merivedessä tiheys on sitä suurempi, mitä syvemmällä se on. Homogeenisen nesteen tiheys voi riippua ympäristötekijöistä, kuten lämpötilasta ja paineesta.

Lue lisää