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.

Suomalaistutkija havaitsi, että maaseudun monimuotoinen luonto saattaa suojata koiria allergialta. Se antaa tukea biodiversiteettihypoteesille.

Kaupunkilaiskoirilla on enemmän allergioita kuin maaseudulla asuvilla. Vähiten allergioita on koirilla, jotka elävät maalla maalaismaiseen tapaan monilapsisessa, muitakin eläimiä omistavassa perheessä ja saavat ulkoilla vapaasti kotipihalla.

Tällaisia asioita koirista Jenni Lehtimäki sai selville väitöstutkimuksessaan, josta Helsingin Sanomat kertoo jutussaan.

Ihmisistä tosin ei samanlaista yhteyttä löytynyt allergioiden ja asuinpaikan väliltä.

Lehtimäki testasi biodiversiteettihypoteesia. Sen mukaan immuunijärjestelmämme häiriintyy ja allergian tapaiset tulehdusperäiset sairaudet lisääntyvät, kun ympäristön monimuotoisuus hupenee ja me altistumme entistä vähemmille luonnon mikrobeille.

Väitöskirja koostui neljästä tutkimuksesta, joista kaksi käsitteli lapsia ja kaksi lemmikkikoiria.

Kummassakaan lapsitutkimuksessa ei löytynyt merkittävää yhteyttä allergioiden ja ihon mikrobien tai luonnon monimuotoisuuden välillä.

Toisin oli lemmikkien laita. Koiranomistajille suunnatun kyslytutkimusken mukaan sairaimpia olivat kaupunkilaiskoirat, joista noin 17 prosentilla oli allergiaa. Maalla osuus oli viitisen prosenttia.

”Kysely osoittaa ensimmäistä kertaa urbaanin ympäristön ja muun nisäkkään kuin ihmisen allergian välisen yhteyden”, Lehtimäki kertoo.

Vielä selvemmän näytön tarjoaa neljäs tutkimus, johon osallistui yhteensä 170 labradorinnoutajaa ja suomenlapinkoiraa.

Se paljasti, että eniten allergioista kärsivät kaupungissa esimerkiksi kerrostalossa asuvat koirat, joilla on ”urbaani elämäntyyli”. Niiden hoidosta vastaa yksi ihminen, joka harrastaa monenlaista ja lenkkeilee paljon koiran kanssa.

Harvinaisimpia allergiat ovat maalaiseen tapaan maalla elävillä koirilla. Niiden iholla on viljalti ympäristöstä peräisin olevia bakteereja.

Lehtimäki ihmettelee, miksi ympäristön ja allergian yhteys tuli ilmi koirilla muttei lapsilla.

”Allergia on monimutkainen sairaus ja ihmiselämä on monimutkaista, mikä saattaa piilottaa ympäristön vaikutuksen”, hän miettii.

Täysin piiloon ihminen ei kuitenkaan jäänyt. Kyselytutkimuksessa paljastui, että jos allergia vaivaa koiraa, omistajakin on todennäköisesti allergikko. Tämä johtuu epäilemättä jostain yhteisestä tekijästä koiran ja omistajan elämäntavoissa tai ympäristössä.

”Maaseutumaisessa ympäristössä koiran ja ihmisen elimistö altistuu mikrobeille, jotka jollakin tavalla tukevat immuunijärjestelmän toimintaa”, Lehtimäki toteaa.

Kysely

Uskotko biodiversiteettihypoteesiin?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.