Teekupin työntely herätti ajatuksen, joka ratkaisi puoli vuosituhatta kestäneen pohdinnan.

Teksti: Lasse Makkonen

Teekupin työntely herätti ajatuksen, joka ratkaisi puoli vuosituhatta kestäneen pohdinnan.

Julkaistu Tiede-lehdessä 10/2012

Eräänä iltana vuonna 1992 työntelin teekuppia pitkin työpöydän pintaa. Pohdin, mikä muuttuu, kun kuppi liukuu kohdasta A kohtaan B.

On helppo kuvitella, että liikkeelle lähtiessä kuppi jotenkin ”irtoaa” pöydän pinnasta, ja siihen tarvitaan voimaa. Kitka kuitenkin tuntuu myös silloin, kun kuppia liu’uttaa tasaisella nopeudella, vaikka kupille ei näytä tapahtuvan mitään. Millaisesta voimasta on siis kyse?

Pintaa syntyy ja häviää

Liu’utin teekuppia vähän matkaa ja tuijotin pöydän sitä kohtaa, missä kuppi hetkeä aikaisemmin oli. Siinähän oli pöydän pinta, jota ei ollut silloin, kun kuppi sen peitti!

Teekupin liukuessa siis sittenkin tapahtui jotain: Kupin takareunalla syntyi uutta pintaa, kun kuppi liukui ja paljasti altaan pöytää. Samanaikaisesti kupin etureunalla yhtä paljon pintaa hävisi. Kupin alla taas pintaa ei ollut.

Termodynamiikan lakien mukaan pinnan luomiseen pitää tehdä työtä, ja siihen tarvitaan voima. Koska teekupin liu’uttamisessa syntyy uutta pintaa, siinä pitäisi vaikuttaa liikettä vastustava voima. Toisaalta pinnan hävitessä kupin toisella puolella voi vapautua pintaan sitoutunutta energiaa lämpönä. Voisiko kitkan ja kitkalämmityksen selitys olla näin yksinkertainen?

Kosketus tapahtuu nanotasolla

Teekupin ja pöydän välinen kontakti ei todellisuudessa ole läheskään täydellinen. Kontaktimekaniikan mukaan todellinen kontaktipinta-ala on vain joitakin promilleja näen­näisestä pinta-alasta. Vaikka kuppi näyttää olevan tiiviisti vasten pöytää, todellisuudessa se koskettaa sitä harvoissa kohdissa. Näennäinen kontakti tapahtuu monen erittäin pienen täydellisen kontaktin avulla.

Kitkan mekanismi piti siis yhdistää kontaktimekaniikkaan. Pintaenergioihin perustuvat laskelmani osoittivat heti, että havaittavat kitkavoimat selittyvät, jos todelliset kontaktit  ovat nanomittakaavaa.

Siellä, missä nanokontaktit pienenevät, pintaa syntyy, mistä seuraa kitkavoima. Siellä, missä ne kasvavat, pintaa häviää, mistä seuraa kitkalämmitys. Toisin sanoen: kitkavoima ja kitkalämmitys voivat syntyä eri kontakteissa.

Selitykseni oli perustavalla tavalla erilainen kuin aiemmat yritykset mallintaa kitkaa. Kaikki ne olettivat, että kitka syntyy jollain tavoin kontakteissa itsessään – joko kontaktialueiden sisäpuolella tai silloin, kun kontakteja rikotaan liukumiseen nähden kohtisuorassa suunnassa. Nyt näytti siltä, että kitkavoima ja kitkalämmitys voidaan selittää kontaktien reunoilla tapahtuvien ilmiöiden ja jatkuvan liukumisen avulla.

Seurasi vastaväitteiden aalto

Lähetin teoriastani käsikirjoituksen heti huippulehteen. Asiantuntijoista toinen oli sitä mieltä, että se pitää ehdottomasti julkaista, mutta toinen piti sitä virheellisenä.

Vastustaja ei kiistänyt sitä, että pinnan luomiseen kontaktien reunoilla tarvitaan työtä ja että siitä seuraa liikettä vastustava voima. Hän kuitenkin väitti, että reunoilla, joilla pintaa häviää, vaikuttaa vastaavasti voima, joka vetää kontaktia eteenpäin. Tällöin liikettä vastustavaa nettovoimaa ei olisi.

”Vetovoima” perustui ajatukseen, jonka mukaan kiinteän aineen pinnalla on jännitystila samalla tavoin kuin nesteellä on pintajännitys. Itse en tähän uskonut, mutten myöskään keksinyt, miten osoittaa, ettei asiaa, joka oli osa vakiintunutta ajattelua, ollut olemassa.

Kritiikkiä tuli myös siitä, ettei teoriaani ollut verifioitu.Tämä oli aiheellista muttei reilua. Mitään muutakaan kitkateoriaa ei ollut todennettu mittauksin.

Julkaisuyritykseni torjuttiin toistuvasti. Kävin pitämässä teoriasta konferenssiesitelmän Yhdysvalloissa ja sain hyvän vastaanoton, mutta asia hautautui – pitkäksi aikaa.

Pintajännityskin meni uusiksi

Vuonna 2009 alkoi tapahtua. Tutkimme VTT:ssä jään kitkaa Suomen Akatemian rahoittamassa projektissa, ja siinä yhteydessä oli mahdollisuus uppoutua pintojen fysiikan peruskysymyksiin.

Ryhmämme osoitti, että kiinteän aineen pintajännityksen ja pintaenergian kytköstä kuvaava perusyhtälö oli ristiriidassa termodynamiikan teorian kanssa. Artikkelistamme nousi vastalauseiden myrsky.

Pystyimme vastaamaan kritiikkiin ja saimme myös tukea eräiltä alan tutkijoilta. Myöhemmin onnistuimme vielä todistamaan, että kyseinen yhtälö on matemaattisen kikkailun tulos vailla fysikaalista tulkintaa. Kiinteällä aineella ei ole pintajännitystä – ainakaan siinä mielessä kuin oli luultu. Kun nämä tulokset oli julkaistu, ovi oli taas raollaan kitkateorialleni.

Koetulokset vakuuttivat

Samoihin aikoihin Yhdysvalloissa mitattiin atomivoimamikroskopian avulla nanomittakaavan kitkaa oloissa, joissa ei tapahdu kulumista eikä muodonmuutoksia. Tuloksista löytyi aineistoa teoriani tueksi.

Kun keskimääräisen nanokontaktin kooksi oletti nykykäsityksen mukaisen realistisen vakioarvon, teoriani selitti kitkavoiman eri materiaaleille ja antoi sille oikeita lukuarvoja. Tämä oli vakuuttavaa ja viittasi siihen, ettei materiaali juuri vaikuta nanokontaktien kokoon. Tämä lisäsi teoriani sovellettavuutta huomattavasti.

Tutkijatovereideni kanssa olin myös kehitellyt vastustajien varalle vaikeasti sivuutettavan argumentin. Se oli alkuperäinen teekuppikysymykseni, mutta hiukan toisin muotoiltuna. Jos kuppi kuvaa yhtä todellista pientä kontaktia, joka pysyy paikallaan, mutta pöytä liikkuu, niin miten muuttuu kokonaisenergia kupin liikkeen vastaisella reunalla?

Vastaus on: se ei ainakaan pienene. Liukuminen ei muuta reunan geometriaa eikä mekaanista tilaa, mutta pöydän pintaenergia tuo siihen lisää energiaa. Tämä kumoaa väitteen, jonka mukaan etureuna tekisi työtä kontaktin liikuttamiseksi.

Termodynamiikan perusteita nimittäin on, että systeemi voi tehdä mekaanista työtä vain siir­tyessään tilaan, jossa sen kokonaisenergia pienenee. Koska liukuvan kontaktin etureunalla näin ei tapahdu, se ei voi tehdä työtä. Näin ollen siihen tuodun pintaenergian täytyy muuttua lämmöksi, jotta energian säilyvyysperiaate toteutuu.

Julkaisukynnys ylittyi

Kahdenkymmenen vuoden jälkeen kitka sai uuden tieteellisen selityksen pinnan luomisesta. Ilmiön perimmäiseksi syyksi paljastui se, etteivät nanokontaktit liukutilanteessa kykene tekemään mekaanista työtä.

Sen vuoksi siellä, missä liike siirtää pintaan sitoutunutta energiaa nanokontaktien reunoihin, energian on muututtava lämmöksi. Tästä seuraa kitkalämmitys. Toisaalta siellä, missä liike synnyttää uutta pintaa, on tehtävä työtä pintaan sitoutuvan energian tuottamiseksi. Tästä seuraa liikettä vastustava kitkavoima.

Asiat loksahtivat kohdalleen. Kun teoriani tukena olivat nanomittakaavan kokeet ja parantelemani argumentit, artikkeli hyväksyttiin. Sen julkaisi viime keväänä alan yhdysvaltalainen järjestö American Institute of Physics. Kesällä se nousi AIP Advances -lehden luetuimmaksi artikkeliksi.

Artikkelin kirjoittaja ja uuden kitkateorian kehittäjä Lasse Makkonen on VTT:n johtava tutkija.

Kitkateoria on luettavissa netissä. A thermodynamic model of sliding friction:

dx.doi.org/10.1063/1.3699027

Mikä kitka?

Kitka on liikettä vastustava voima, joka vaikuttaa toisiaan vasten liukuvien pintojen välissä.

Miljoona vuotta sitten ihmiset käyttivät kitkaa tulen tekoon. Noin 5 500 vuotta sitten pyörä alkoi helpottaa tavaroiden siirtelyä.

Tieteellisesti kitkaa tutki jo Leonardo da Vinci 1500-luvun alussa, mutta sen perimmäinen syntymekanismi on pysynyt arvoituksena. Kitkan suuruuttakaan ei ole osattu laskea.

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25729
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1186
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.