Fysiikan asiat

[kardinaali]

Fysiikka on kokeellinen luonnontiede, jossa tutkitaan kappaleita ja ilmiöitä. Kappaleella tarkoitetaan eläintä, ihmistä tai jopa pieniä hiukkasia kuten atomeita. Ilmiöitä ovat esim pyörän liike, valon heijastuminen, veden virtaaminen ja revontulet. Tietoa kappaleiden ja ilmiöiden ominaisuuksista kerätään mittaamalla. Fyysikko tutkii fysikaalisia ilmiöitä.

Kappaleen ja ilmiön ominaisuudet, joita voidaan mitata, ovat suureita.
Esimerkiksi henkilön pituus, massa (paino) ja kehon lämpötila ovat suureita. Mittaustulos ilmoitetaan mittayksikön avulla. Pituutta mitattaessa henkilön pituus ilmoitetaan lukumäärällä esim 150cm. Tässä pituus on suure, 150 on lukuarvo ja cm on yksikkö.

Kappaleen tai aineen tiheyden ilmaisemiseen tarvitaan kaksi suuretta: massa ja tilavuus. Molemmat suureet voidaan mitata ja tiheys lasketaan mitatuista lukuarvoista. Tiheys saadaan jakamalla massa tilavuudella. Mitä tiheämpi aine on, sitä painavampi se on.

Aalto etenee, aine ei.

Yksittäiset aallot muodostavat aaltoliikkeen. Veden aaltoliikkeessä havaitaan selvästi aallonharjoja ja aallonpohjia. Kahden peräkkäisen aallonharjan välinen etäisyys on aallonpituus. Aaltojen aallonpituus vaihtelee. Pienissä lammissa aallonpituus on lyhyempi kuin valtamerissä.

Vedenpinnalla oleva koho värähtelee, kun veden aallot vedessä etenevät. Koho ei etene, vaikka aallot etenevät. Koho on sen sijaan värähdysliikkeessä. Aallon mukana ylös ja alas liikkuva koho on esimerkki värähtelijästä. Koho ei etene, vaikka aallot vedessä etenevät. Myöskään vesi ei etene aallon mukana. Veden pinnalla kelluvat lehdet näyttävät liikkuvan. Ne eivät kuitenkaan liiku aaltoliikkeen voimasta, vaan niitä liikuttaa tuuli.

Värähtelijä on esine, joka toistaa samanlaista edestakaista liikettä. Aallon edetessä aineen rakenneosat värähtelevät, mutta aalto ei kuljeta ainetta mukanaan.

Värähdysaika kertoo yhteen värähdykseen kuluvan ajan.

Koho tekee yhden värähdyksen, kun se kulkee aallonharjalta pohjalle ja taas takaisin aallon harjalle. Yhden värähdyksen aikana koho lähtee ääriasemasta, käy toisessa ääriasemassa ja palaa lähtöpisteeseen. Yhteen värähdykseen kulunutta aikaa sanotaan värähdysajaksi.

Taajuus ilmoittaa aaltojen lukumäärän sekunnissa. Jotta eri aaltoliikkeiden taajuuksia voidaan vertailla, lasketaan taajuus sekuntia kohden. Taajuus kertoo, Kuinka monta värähdystä yhdessä sekunnissa tapahtuu. Kun koho värähtelee kerran, sen ohi kulkee yksi aalto. Siten taajuus kertoo myös, Kuinka monta aaltoa etenee sekunnissa jonkin paikan ohi.

Taajuus lasketaan niin, että värähdysten lukumäärä jaetaan värähdyksiin kuluneella ajalla. Koska ajan yksikkö on sekunti, taajuuden yksikkö on 1/s. Tälle annettu nimi on hertsi ja sen lyhenne on Hz.
Taajuus on värähdysten lukumäärä sekunnissa. Taajuuden yksikkö on hertsi (Hz).

Värähtelijä tuottaa äänen

Kitarassa äänen tuottaa värähtelevä kieli. Äänen tuottaa aina jokin värähtelijä. Puhuessa äänihuulet värähtelevät ja ne saavat suu- ja nenäontelossa olevan ilman värähtelemään. Värähtely siirtyy onteloista ympäröivään ilmaan. Tämä värähtely on ilmassa tapahtuvaa pitkittäistä aaltoliikettä, ääntä. Se etenee ilmassa ja saapuu kuulijan korvaan, jolloin kuulijan tärykalvo alkaa värähdellä.

Ääni on aineessa etenevää pitkittäistä aaltoliikettä.

Ääniaallot voivat edetä vain aineessa. Tyhjiössä ne eivät etene, sillä siellä ei ole mitään mikä värähtelisi. Äänen nopeus riippuu aineesta, jossa ääni liikkuu, koska aaltoliike etenee eri aineessa eri tavoin.

Taajuus kertoo äänen korkeuden

Äänen voimakkuus ja korkeus ovat eri asioita. Äänen korkeus kuvaa, Kuinka kimeä tai möreä ääni on. Äänen voimakkuus kuvaa, Kuinka kovana ääni kuullaan.

Korkea ääni syntyy, kun värähtelijä värähtelee tiuhasti, eli värähtelijän taajuus on suuri. Tällaisia ääniä ovat esimerkiksi heinäsirkan siritys. Korkea ääni kuullaan kimeänä.

Matala ääni syntyy kun värähtelijän värähtelytaajuus on pieni, eli värähdyksiä tapahtuu harvaan. Matalat äänet kuullaan möreinä. Sähkölaitteiden hurina on taajuudeltaan matalaa ääntä.

Mitä suurempi värähtelijän taajuus on, sitä korkeampi ääni syntyy.

Ihminen kuulee vain tiettyjä taajuuksia. Tätä aluetta kutsutaan kuuloalueeksi ja se on ihmisellä noin 20-20 000 Hz. Kun ikää karttuu, kuuloalue pienenee.

Ihminen ei kuule infra- eikä ultraääniä. Ääni, jonka taajuus on suurempi kuin 20 000 Hz, on ultraääntä. Ultraäänen avulla lääkärit tutkivat elimistön sisäisiä rakenteita. Monet eläimet, kuten delfiinit ja lepakot, tuottavat ja kuulevat ultraääniä.

Ääniä, joiden taajuus on pienempi kuin kuuloalueen alin taajuus 20Hz, sanotaan infraääniksi. Vaikka ihminen ei kuule infraääniä, hän voi aistia sitä kehollaan. Kehon osat alkavat värähdellä infraäänen vaikutuksesta. Tämän vuoksi infraääni saattaa aiheuttaa hermostuneen olon. Voimakas infraääni voi vaurioittaa sisäelimiä.

Desibelit kertovat äänen voimakkuuden.

Äänen voimakkuutta mitataan desibeleinä. Sen lyhenne on dB. Desibeliasteikko kuvaa sitä, miten voimakkaana ihminen aistii äänet. Kuulokynnys on 0 desibeliä. Normaalin kuulemisen rajana pidetään 10-20 dB.

Kipukynnys on noin 120-130 desibeliä ja tällöin äänen aistimus muuttuu kivuksi.

Kuiskaus on noin 30 dB, normaali puheääni noin 60-65 dB. Työpaikoilla on oltava kuulosuojaimia, jos äänen voimakkuus on yli 80 desibeliä. Kuulosuojaimia on ehdottomasti käytettävä, jos äänen voimakkuus ylittää jatkuvasti 85 desibeliä.

Liian voimakas ääni on melua. Melu on häiritsevää ja haitallista, mutta ihmiset kokevat melun eri tavoin. Ihminen kestää melua vain lyhyen ajan. Pitkäaikainen oleskelu melussa heikentää keskittymiskykyä ja työtehoa. Melu heikentää myös kuuloa, nostaa verenpainetta ja aiheuttaa päänsärkyä sekä korvien jatkuvaa soimista eli tinnitusta.