Sovella itsenäisesti
Näissä tehtävissä kukaan ei kerro, mitä kaavaa käyttää. Päätä itse, mitkä ilmiöt ja mallit tilanteeseen liittyvät, ratkaise tehtävä paperille ja perustele ratkaisusi, kuten ylioppilaskokeessa.
Neljä tehtävää kokoaa moduulin: kiertymisen ja tasapainon, ympyräliikkeen ja gravitaation, värähtelyn sekä aallot ja äänen. Jokaisessa päätät itse, mitkä mallit tilanteeseen sopivat, ja perustelet valintasi.
Ratkaise ensin itse paperille tai tietokoneelle. Saat käyttää laskinta, taulukkokirjaa ja kuvaajaohjelmaa. Kirjoita näkyviin perustelut, kaavat, sijoitukset ja vastaukset yksiköineen.
Varmista käsitteet ennen tehtäviä
Nämä moduulin kortit ovat kertauspakassasi. Käy ne läpi ennen kuin aloitat tehtävät.
Torninosturi 18 pistettä
Keksitty esimerkkiaineisto · Nosturin mitat ja massat ovat keksittyjä, mutta samaa suuruusluokkaa kuin pienessä rakennustyömaan torninosturissa.
Rakennustyömaan torninosturin vaakasuora puomi on tornin huipulla, ja se voi kääntyä tornin pystysuoran akselin ympäri. Kuorma riippuu vaijerissa vaunusta, jota voi ajaa puomia pitkin. Tornin toisella puolella puomin jatkeena on vastapuomi, jonka päässä on betoninen vastapaino.
Nosturin tiedot:
- puomin massa vastapuomeineen $4{,}0\,\text{t}$, painopiste $12\,\text{m}$ tornin akselista kuorman puolella
- vastapainon massa $9{,}0\,\text{t}$, painopiste $10\,\text{m}$ tornin akselista toisella puolella
- vaunun suurin etäisyys tornin akselista $40\,\text{m}$
- valmistajan mukaan painojen kokonaismomentti tornin akselin suhteen saa olla kumpaan tahansa suuntaan enintään $600\,\text{kNm}$.
Vaunun ja vaijerin massoja ei tarvitse ottaa huomioon.
- a) Nosturilla nostetaan $2{,}0\,\text{t}$:n betonielementti. Kuinka kauas tornin akselista vaunu pitää ajaa, jotta painojen kokonaismomentti tornin akselin suhteen on nolla? 3 p
- b) Kuinka suuren kuorman nosturi saa nostaa, kun vaunu on puomin kärjessä? 3 p
- c) Työmaan mestari ehdottaa: ”Lisätään vastapainoon pari tonnia, niin puomin kärjestä voi nostaa raskaampia kuormia.” Arvioi ehdotusta. 4 p
- d) Kuljettaja kääntää puomia a-kohdan kuorman kanssa tasaisesti niin, että yksi kierros kestäisi $90\,\text{s}$. Kuorma riippuu $15\,\text{m}$:n vaijerissa, ja vaijeri kallistuu hieman pystysuorasta niin, että kuorma on vaunua kauempana tornin akselista. Kuljettaja selittää: ”Keskipakoisvoima heittää kuorman ulospäin.” Piirrä kuorman voimakuvio puomin kääntyessä tasaisesti ja arvioi kuljettajan selitystä. 4 p
- e) Kuinka suuren kulman vaijeri muodostaa pystysuoran kanssa? Onko kallistumisella merkitystä? 4 p
Näytä mallivastaus ja pisteytys Avaa vasta, kun oma ratkaisusi on valmis.
Mallivastaus
a)
Annettu
kuorma $m = 2{,}0\,\text{t} = 2000\,\text{kg}$, puomi $m_\text{p} = 4{,}0\,\text{t}$ ja $r_\text{p} = 12\,\text{m}$, vastapaino $m_\text{v} = 9{,}0\,\text{t}$ ja $r_\text{v} = 10\,\text{m}$
Kysytty
vaunun etäisyys $r$ tornin akselista, kun painojen kokonaismomentti on nolla
Periaate
Puomiin vaikuttaa kolme painoa: kuorman paino vaijerin kautta vaunun kohdalla, puomin oma paino sen painopisteessä ja vastapainon paino. Kiertoakseliksi valitaan tornin akseli, jonka ympäri puomi pyrkii kallistumaan. Kunkin painon voiman varsi on sen vaikutussuoran kohtisuora etäisyys akselista eli vaakasuora etäisyys. Kuorma ja puomin paino kiertävät puomia kuorman puolelle, vastapaino vastakkaiseen suuntaan. Tasapainossa kiertymisen suhteen momenttien summa on nolla.
Kaava
$m_\text{p} g r_\text{p} + m g r - m_\text{v} g r_\text{v} = 0$. Putoamiskiihtyvyys supistuu, joten
Muunnokset
$1\,\text{t} = 1000\,\text{kg}$, joten $m_\text{p} = 4000\,\text{kg}$ ja $m_\text{v} = 9000\,\text{kg}$.
Sijoitus
Vastaus
$r \approx 21\,\text{m}$
Kaksi merkitsevää numeroa kuten etäisyyksissä ja massoissa.
Järkevyys
Vastapainon momentti on noin kaksinkertainen puomin momenttiin verrattuna, joten kuorman on korvattava erotus. Kevyt kuorma joutuu kauas, ja kohta on puomin $40\,\text{m}$:n pituuden sisällä.
b)
Annettu
a-kohdan tiedot, vaunu puomin kärjessä $r_\text{max} = 40\,\text{m}$, sallittu kokonaismomentti $M_\text{max} = 600\,\text{kNm}$ ja $g = 9{,}81\,\text{m/s}^2$
Kysytty
suurin kuorma $m$ puomin kärjessä
Periaate
Kuorman ollessa kärjessä kokonaismomentti osoittaa kuorman puolelle, ja suurimmalla sallitulla kuormalla se on yhtä suuri kuin raja. Momentit lasketaan tornin akselin suhteen kuten a-kohdassa, positiivinen kiertosuunta kuorman puolelle.
Kaava
josta
Muunnokset
Sijoitus
Kuorman momentti saa siis olla
joten
Vastaus
$m \approx 2{,}6\,\text{t}$
Kaksi merkitsevää numeroa kuten nosturin tiedoissa.
Järkevyys
Ilman kuormaa kokonaismomentti on $882{,}9\,\text{kNm} - 470{,}9\,\text{kNm} = 412\,\text{kNm}$ vastapainon suuntaan, joten raja ei ylity tyhjälläkään nosturilla. Kärjen kuorma on pienempi kuin kuorma, jonka nosturi kantaa lähempänä tornia, kuten nosturien kuormakaavioissa.
c)
Kysytty
voiko vastapainoa lisätä pari tonnia, jotta kärjestä voisi nostaa raskaampia kuormia
Periaate
Vastapainon momentti kiertää puomia vastakkaiseen suuntaan kuin kuorma. Raja koskee kokonaismomenttia kumpaankin suuntaan, joten on tarkistettava sekä täysin kuormattu että tyhjä nosturi.
Mallivastaus
Kuormattu nosturi. Suurempi vastapaino pienentää kuorman puolelle jäävää kokonaismomenttia, joten kärjessä voisi nostaa raskaamman kuorman. Mestari on tässä oikeassa.
Tyhjä nosturi. Ilman kuormaa kokonaismomentti osoittaa vastapainon suuntaan: nyt se on $412\,\text{kNm}$. Kahden tonnin lisäys kasvattaa sitä $2000\,\text{kg} \cdot 9{,}81\,\text{m/s}^2 \cdot 10\,\text{m} = 196{,}2\,\text{kNm}$, jolloin kokonaismomentti on $608\,\text{kNm}$. Se ylittää rajan $600\,\text{kNm}$, ja torni kuormittuu liikaa vastapainon puolelle aina, kun koukussa ei ole kuormaa.
Kuinka paljon voisi lisätä. Tyhjällä nosturilla rajaan on varaa $600\,\text{kNm} - 412\,\text{kNm} = 188\,\text{kNm}$, joten vastapainoa voi lisätä enintään $188\,000\,\text{Nm} : (9{,}81\,\text{m/s}^2 \cdot 10\,\text{m}) \approx 1{,}9\,\text{t}$. Silloin kärjen suurin kuorma olisi $1200\,\text{kNm} : 392{,}4\,\text{m}^2/\text{s}^2 \approx 3{,}1\,\text{t}$.
Johtopäätös. Ehdotus ei käy sellaisenaan. Vastapaino mitoitetaan niin, että raja ei ylity tyhjällä eikä täysin kuormatulla nosturilla. Kahden tonnin sijaan vastapainoa voisi lisätä enintään noin $1{,}9\,\text{t}$, eikä nostokykyä voi kasvattaa siitä enempää ilman tukevampaa tornia.
d)
Kysytty
kuorman voimakuvio puomin kääntyessä tasaisesti ja arvio kuljettajan selityksestä
Periaate
Valitaan kappaleeksi kuorma. Sen kanssa ovat vuorovaikutuksessa Maa (paino) ja vaijeri (jännitysvoima); mikään muu ei kosketa kuormaa, ja ilmanvastus on hitaassa liikkeessä pieni. Kun puomi kääntyy tasaisesti, kuorma kiertää vaakasuoraa ympyrää tornin akselin ympäri, joten sillä on normaalikiihtyvyys kohti akselia. Silloin voimien summan on osoitettava kohti akselia.
Mallivastaus
Kuorma piirretään vaijerin suuntaisesti kallistuneeksi suorakulmioksi.
- Paino $\overline{G}$ lähtee keskipisteestä suoraan alas.
- Vaijerin jännitysvoima $\overline{S}$ lähtee yläpinnasta, jossa vaijeri on kiinni, ja osoittaa vaijeria pitkin ylös ja hieman kohti tornin akselia, koska kuorma on vaunua ulompana.
Pystysuunnassa kuorma ei kiihdy, joten jännitysvoiman pystykomponentti on yhtä suuri kuin paino, ja jännitysvoima on painoa hieman suurempi. Jännitysvoiman vaakakomponentti on voimien summa, ja se osoittaa kohti tornin akselia kuten normaalikiihtyvyys $\overline{a}_\text{n}$, joka piirretään erikseen omalla värillään. Mallikuvassa vaijerin kulma on piirretty paljon suuremmaksi kuin tehtävässä, jotta nuolet erottuvat.
Kuljettajan selitys. Keskipakoisvoimaa ei ole: mikään kappale ei vedä kuormaa ulospäin, eikä voimakuviossa ole ulospäin osoittavaa voimaa. Kun puomi lähtee kääntymään, kuorma pyrkii hitautensa vuoksi jatkamaan suoraan eteenpäin. Siksi se jää ympyrän ulkoreunalle ja vaijeri kallistuu, kunnes jännitysvoiman vaakakomponentti riittää kääntämään kuorman liikkeen ympyräradalle. Kuorma ei siis heitty ulospäin vaan jää jälkeen suoraviivaisesta radastaan vain sen verran, että vaijeri voi vetää sitä kohti keskipistettä.
e)
Annettu
a-kohdan säde $r = 21\,\text{m}$, kierrosaika $T = 90\,\text{s}$, vaijerin pituus $15\,\text{m}$ ja $g = 9{,}81\,\text{m/s}^2$
Kysytty
vaijerin ja pystysuoran välinen kulma $\theta$ ja sen merkitys
Periaate
Kuorma kiertää tasaista ympyräliikettä, joten sen kiihtyvyys on normaalikiihtyvyys $a_\text{n} = \tfrac{v^2}{r}$ kohti tornin akselia. Ratanopeus saadaan kierrosajasta. Newtonin toinen laki kirjoitetaan d-kohdan voimakuviosta komponenteittain: akseli $x$ vaakasuoraan kohti tornin akselia ja $y$ ylöspäin. Kallistuminen siirtää kuormaa vain senttejä, joten ympyrän säteenä voidaan käyttää vaunun etäisyyttä $21\,\text{m}$.
Kaava
$x$: $S\sin\theta = m\dfrac{v^2}{r}$ ja $y$: $S\cos\theta - mg = 0$. Jakamalla yhtälöt keskenään saadaan $\tan\theta = \dfrac{v^2}{rg}$, missä $v = \dfrac{2\pi r}{T}$. Massa supistuu.
Muunnokset
Ei tarvita.
Sijoitus
joten $\theta = 0{,}598^\circ$
Vastaus
$\theta \approx 0{,}60^\circ$
Kaksi merkitsevää numeroa kuten kierrosajassa $90\,\text{s}$. Kuorma on siirtynyt vaunun kohdalta ulospäin $15\,\text{m} \cdot 0{,}01043 \approx 0{,}16\,\text{m}$.
Järkevyys
Normaalikiihtyvyys
on vain noin prosentti putoamiskiihtyvyydestä, joten kulma on pieni ja jännitysvoima käytännössä yhtä suuri kuin paino. Tasaisella kääntämisellä ei siis ole nostotyössä juuri merkitystä. Äkillinen liikkeelle lähtö tai pysähdys sen sijaan saa kuorman heilumaan, koska vaijeri ei heti pysty antamaan kuormalle samaa kiihtyvyyttä kuin vaunulle.
Hyväksytään myös
- a- ja b-kohdan momentit voi laskea massan ja etäisyyden tuloina ilman putoamiskiihtyvyyttä, kun $g$ supistuu, kunhan b-kohdassa raja muutetaan samaan muotoon: $600\,000\,\text{Nm} : 9{,}81\,\text{m/s}^2 \approx 61\,160\,\text{kg}\cdot\text{m}$.
- b-kohdassa vastaukset $2{,}6\,\text{t}$ ja $2580\,\text{kg}$ hyväksytään.
- e-kohdassa kulman saa myös voimien piirtämisestä mittakaavaan, kun normaalikiihtyvyys on laskettu oikein, ja vastaukseksi hyväksytään $0{,}6^\circ$.
Yleisiä virheitä
- Puomin oma paino unohdetaan tai sen momentti lasketaan puomin päästä eikä painopisteestä.
- Momenttien kiertosuunnat sekoitetaan, jolloin vastapaino ja puomin paino lasketaan samaan suuntaan.
- b-kohdassa raja tulkitaan niin, että kokonaismomentin pitää olla nolla, jolloin kärjen kuormaksi saadaan vain $42\,000\,\text{kg}\cdot\text{m} : 40\,\text{m} \approx 1{,}1\,\text{t}$.
- c-kohdassa tarkistetaan vain kuormattu nosturi eikä huomata, että raja koskee myös tyhjää nosturia.
- Voimakuvioon piirretään ulospäin osoittava keskipakoisvoima tai normaalikiihtyvyys voimana.
- e-kohdassa käytetään kierrosajan sijaan kierrostaajuutta väärin tai lasketaan kulma vaijerin pituuden avulla, vaikka se ei vaikuta kulmaan.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa ratkaisuasi mallivastaukseen ja valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi mielestäsi ansaitsee. Osapisteet ovat mahdollisia, ja myös muu fysikaalisesti oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)3 p
b)3 p
c)4 p
d)4 p
e)4 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 18 (18 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Mallin valinta ja soveltaminen: Kappaleen tasapaino: voimat ja momentit
- Matemaattinen ratkaisu: Kappaleen tasapaino: voimat ja momentit
- Käsitteellinen ymmärrys: Normaalikiihtyvyys ja ympyräliikkeen liikeyhtälö
- Fysikaalinen selittäminen: Normaalikiihtyvyys ja ympyräliikkeen liikeyhtälö
Jupiterin kuut 15 pistettä
Tilastoaineisto · NASA JPL Solar System Dynamics, kuiden keskimääräiset ratasäteet ja kiertoajat (tarkistettu 2026), pyöristetty.
Galileo Galilei löysi Jupiterin neljä suurta kuuta vuonna 1610. Taulukossa ovat niiden ja Jupiteria lähempänä kiertävän pienen Amalthea-kuun ratojen keskimääräiset säteet $r$ Jupiterin keskipisteestä mitattuina ja kiertoajat $T$. Kuiden radat ovat lähes ympyröitä.
| kuu | $r\ (10^3\,\text{km})$ | $T\ (\text{d})$ |
|---|---|---|
| Amalthea | $181{,}4$ | $0{,}4982$ |
| Io | $421{,}8$ | $1{,}769$ |
| Europa | $671{,}1$ | $3{,}551$ |
| Ganymedes | $1070$ | $7{,}155$ |
| Kallisto | $1883$ | $16{,}69$ |
Gravitaatiovakio on $\gamma = 6{,}674 \cdot 10^{-11}\,\tfrac{\text{N}\cdot\text{m}^2}{\text{kg}^2}$.
- a) Mallinna kuiden liikettä tasaisena ympyräliikkeenä, jota Jupiterin gravitaatio ylläpitää. Muodosta aineistosta kuvaaja, jonka pisteisiin mallin mukaan sopii origon kautta kulkeva suora. 5 p
- b) Määritä kuvaajasta Jupiterin massa. 3 p
- c) Jupiter pyörähtää akselinsa ympäri kerran $9{,}93\,\text{h}$:ssa. Luotain halutaan kiertämään päiväntasaajan yläpuolella niin, että se pysyy koko ajan saman pilvimuodostelman yläpuolella. Kuinka kaukana Jupiterin keskipisteestä luotaimen rata on? 3 p
- d) Opiskelija väittää: ”Ganymedes on Jupiterin massiivisin kuu. Jos se siirrettäisiin Ion radalle, se kiertäisi Jupiterin Iota nopeammin, koska siihen kohdistuisi suurempi gravitaatiovoima.” Arvioi väitettä. Mitä oletuksia b-kohdan tulos edellyttää? 4 p
Näytä mallivastaus ja pisteytys Avaa vasta, kun oma ratkaisusi on valmis.
Mallivastaus
a)
Kysytty
kuvaaja, jonka pisteisiin ympyräratamallin mukaan sopii origon kautta kulkeva suora
Kuvaaja
Mallissa kuuta pitää ympyräradalla Jupiterin gravitaatio, joka on kuuhun vaikuttava ainoa merkittävä voima. Se on kuun ympyräliikkeen keskeisvoima: $\gamma\dfrac{Mm}{r^2} = m\dfrac{v^2}{r}$, joten $v^2 = \gamma M \cdot \dfrac{1}{r}$. Ratanopeus lasketaan kiertoajasta: $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, kun säde on metreinä ja kiertoaika sekunteina ($1\,\text{d} = 86\,400\,\text{s}$). Esimerkiksi Iolle $v = \dfrac{2\pi \cdot 421{,}8 \cdot 10^{6}\,\text{m}}{1{,}769 \cdot 86\,400\,\text{s}} = 17\,340\,\text{m/s}$, joten $v^2 = 3{,}01 \cdot 10^{8}\,\text{m}^2/\text{s}^2$ ja $\tfrac{1}{r} = 2{,}37 \cdot 10^{-9}\,\tfrac{1}{\text{m}}$.
| kuu | $v\ (\text{km/s})$ | $\tfrac{1}{r}\ (10^{-9}\,\tfrac{1}{\text{m}})$ | $v^2\ (10^{8}\,\tfrac{\text{m}^2}{\text{s}^2})$ |
|---|---|---|---|
| Amalthea | $26{,}5$ | $5{,}51$ | $7{,}01$ |
| Io | $17{,}3$ | $2{,}37$ | $3{,}01$ |
| Europa | $13{,}7$ | $1{,}49$ | $1{,}89$ |
| Ganymedes | $10{,}9$ | $0{,}935$ | $1{,}18$ |
| Kallisto | $8{,}21$ | $0{,}531$ | $0{,}673$ |
Vaaka-akselille valitaan $\tfrac{1}{r}$ ja pystyakselille $v^2$.
Mallivastaus
Kaikki viisi pistettä ovat samalla origon kautta kulkevalla suoralla, joten ympyräratamalli, jossa gravitaatio on keskeisvoima, kuvaa kuiden liikettä hyvin. Suora kulkee origon kautta, koska mallin mukaan äärettömän kaukana ($\tfrac{1}{r} = 0$) ratanopeus olisi nolla. Suoran kulmakerroin on mallin mukaan $\gamma M$, joka on sama kaikille kuille, vaikka kuiden massat ovat hyvin erilaiset.
b)
Annettu
a-kohdan kuvaaja ja $\gamma = 6{,}674 \cdot 10^{-11}\,\tfrac{\text{N}\cdot\text{m}^2}{\text{kg}^2}$
Kysytty
Jupiterin massa $M$
Periaate
Mallin mukaan $v^2 = \gamma M \cdot \tfrac{1}{r}$, joten suoran kulmakerroin $k$ on $\gamma M$. Kulmakerroin luetaan suoralta pisteestä, joka on kaukana origosta, jolloin lukemisen suhteellinen virhe on pieni.
Kuvaajan lukeminen
Suora kulkee origon ja pisteen $(5{,}0 \cdot 10^{-9}\,\tfrac{1}{\text{m}}$; $6{,}35 \cdot 10^{8}\,\text{m}^2/\text{s}^2)$ kautta, joten
Kaava
$k = \gamma M$, josta $M = \dfrac{k}{\gamma}$
Muunnokset
koska $1\,\text{N} = 1\,\text{kg}\cdot\text{m/s}^2$.
Sijoitus
Vastaus
$M \approx 1{,}9 \cdot 10^{27}\,\text{kg}$
Kaksi merkitsevää numeroa, koska kulmakerroin luetaan kuvaajalta noin kahden tai kolmen numeron tarkkuudella.
Järkevyys
Taulukkokirjan arvo on $1{,}898 \cdot 10^{27}\,\text{kg}$, noin $320$ Maan massaa, joten tulos on oikein. Jupiter on Aurinkokunnan massiivisin planeetta, ja sen massa on noin tuhannesosa Auringon massasta.
c)
Annettu
Jupiterin pyörähdysaika $T = 9{,}93\,\text{h}$ ja b-kohdan $\gamma M = 1{,}27 \cdot 10^{17}\,\text{m}^3/\text{s}^2$
Kysytty
luotaimen radan säde $r$
Periaate
Luotain pysyy saman pilvimuodostelman yläpuolella vain, jos se kiertää Jupiteria samaan suuntaan ja samassa ajassa kuin Jupiter pyörähtää akselinsa ympäri. Luotaimen ympyräliikkeen keskeisvoima on Jupiterin gravitaatio kuten kuilla, joten $v^2 = \dfrac{\gamma M}{r}$, ja ratanopeus on $v = \dfrac{2\pi r}{T}$.
Kaava
josta
Muunnokset
Sijoitus
joten $r = 1{,}60 \cdot 10^{8}\,\text{m}$
Vastaus
$r \approx 1{,}6 \cdot 10^{8}\,\text{m} = 160\,000\,\text{km}$
Jupiterin keskipisteestä. Kaksi merkitsevää numeroa kuten b-kohdan tuloksessa.
Järkevyys
Kiertoaika $9{,}93\,\text{h}$ on lyhyempi kuin Amalthean $0{,}4982\,\text{d} \approx 12\,\text{h}$, joten radan on oltava Amalthean radan ($181\,400\,\text{km}$) sisäpuolella, kuten se on. Jupiterin säde on noin $71\,500\,\text{km}$, joten luotain kiertäisi noin $89\,000\,\text{km}$:n korkeudella pilvien yläpuolella.
d)
Kysytty
arvio väitteestä, että Ganymedes kiertäisi Ion radalla Iota nopeammin, ja b-kohdan tuloksen oletukset
Periaate
Ratanopeus saadaan ehdosta, että gravitaatio on kuun ympyräliikkeen keskeisvoima: $\gamma\dfrac{Mm}{r^2} = m\dfrac{v^2}{r}$, missä $m$ on kuun massa.
Mallivastaus
Väite. On totta, että massiivisempaan kuuhun kohdistuu samalla etäisyydellä suurempi gravitaatiovoima, koska voima on verrannollinen kuun massaan $m$. Massiivisempi kuu tarvitsee kuitenkin samassa suhteessa suuremman keskeisvoiman pysyäkseen samalla ympyräradalla, koska tarvittava voima $m\tfrac{v^2}{r}$ on myös verrannollinen massaan. Kuun massa supistuu yhtälöstä, ja jäljelle jää $v^2 = \dfrac{\gamma M}{r}$: ratanopeus riippuu vain Jupiterin massasta $M$ ja radan säteestä. Ion radalla Ganymedes kiertäisi siis samalla nopeudella ja samassa ajassa kuin Io. Väite ei pidä paikkaansa. Saman näkee a-kohdan kuvaajasta: hyvin eri massaiset kuut ovat samalla suoralla.
Oletukset. b-kohdan tulos edellyttää, että
- kuiden radat ovat ympyröitä, joiden keskipiste on Jupiterin keskipiste; todellisuudessa Jupiter ja kuu kiertävät yhteistä massakeskipistettä, mutta kuiden massat ovat niin pieniä Jupiterin massaan verrattuna, että ero on merkityksetön
- kuuhun vaikuttaa vain Jupiterin gravitaatio; muiden kuiden ja Auringon vetovoimat ovat siihen verrattuna pieniä
- Jupiterin massa vetää kuin se olisi keskipisteeseen keskittynyt, mikä pätee pallosymmetriselle kappaleelle hyvin.
Hyväksytään myös
- a-kohdassa kuvaajan voi piirtää myös suureista $r^3$ ja $T^2$, koska mallista seuraa $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{\gamma M}\,r^3$; silloin b-kohdassa $M = \dfrac{4\pi^2}{\gamma k}$. Pisteet kasautuvat silloin origon lähelle, joten kulmakerroin kannattaa lukea Kalliston pisteen läheltä.
- b-kohdassa kulmakertoimet $1{,}22\text{–}1{,}32 \cdot 10^{17}\,\text{m}^3/\text{s}^2$ ja massat $1{,}8\text{–}2{,}0 \cdot 10^{27}\,\text{kg}$ hyväksytään. Myös laskimen tai taulukkolaskennan sovitus origon kautta hyväksytään.
- c-kohdan voi laskea myös pelkästä kiertoajasta ja Kepler-tyyppisestä vertailusta johonkin kuuhun, esimerkiksi $r = r_\text{Io}\,\left(\tfrac{T}{T_\text{Io}}\right)^{2/3}$, kunhan yhteys on perusteltu ympyräratamallista.
Yleisiä virheitä
- Ratanopeus lasketaan kilometreinä ja vuorokausina, mutta $\gamma$ sijoitetaan perusyksiköissä.
- Pisteet piirretään $(r, v)$-koordinaatistoon ja niihin sovitetaan suora, vaikka pisteistö on kaareva.
- Radan säteeksi otetaan korkeus Jupiterin pinnasta tai säde lasketaan kuun pinnasta.
- c-kohdassa kiertoajaksi otetaan $24\,\text{h}$ kuten Maan geostationaarisessa radassa.
- d-kohdassa todetaan vain, että "massa ei vaikuta", näyttämättä, että se supistuu yhtälöstä.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa ratkaisuasi mallivastaukseen ja valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi mielestäsi ansaitsee. Osapisteet ovat mahdollisia, ja myös muu fysikaalisesti oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)5 p
b)3 p
c)3 p
d)4 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 15 (15 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Mallin valinta ja soveltaminen: Satelliitit ja planeetat ympyräradalla
- Matemaattinen ratkaisu: Satelliitit ja planeetat ympyräradalla
- Kuvaajat ja aineiston analyysi: Satelliitit ja planeetat ympyräradalla
- Käsitteellinen ymmärrys: Satelliitit ja planeetat ympyräradalla
- Fysikaalinen selittäminen: Kappaleiden välinen gravitaatiovoima
Jousi ja punnukset 14 pistettä
Simuloitu esimerkkiaineisto · Aineisto on laskettu mallista, jossa jousen jousivakio on $20\,\text{N/m}$ ja kolmasosa jousen massasta liikkuu punnuksen mukana. Ajanottoon on lisätty pientä satunnaista vaihtelua mittauksen tapaan.
Opiskelijaryhmä tutki pystysuoraan riippuvan teräsjousen värähtelyä. Jousen alapäähän ripustettiin punnus, punnus vedettiin muutama senttimetri tasapainoasemansa alapuolelle ja päästettiin irti. Ryhmä mittasi sekuntikellolla kymmenen jakson ajan $t_{10}$. Jousen oma massa on $45\,\text{g}$.
| $m\ (\text{g})$ | $t_{10}\ (\text{s})$ |
|---|---|
| $100$ | $4{,}74$ |
| $150$ | $5{,}73$ |
| $200$ | $6{,}50$ |
| $250$ | $7{,}25$ |
| $300$ | $7{,}86$ |
| $350$ | $8{,}51$ |
Lisäksi ryhmä ripusti jouseen levossa $200\,\text{g}$:n punnuksen ja mittasi, että jousi venyi $9{,}8\,\text{cm}$.
- a) Piirrä värähtelymittauksista kuvaaja, jonka pisteisiin sopii suora, ja sovita siihen malli. 4 p
- b) Määritä kuvaajasta jousen jousivakio. 3 p
- c) Ryhmän mielestä tulos on ristiriitainen, koska suora ei kulje origon kautta, vaikka mallin mukaan sen pitäisi. Arvioi mittausta: mistä poikkeama voi johtua, ja kuinka luotettava b-kohdan jousivakio on? 4 p
- d) Jouseen ripustetaan $250\,\text{g}$:n punnus, ja se pannaan värähtelemään $5{,}0\,\text{cm}$:n amplitudilla. Kuinka suuri on punnuksen suurin nopeus? 3 p
Näytä mallivastaus ja pisteytys Avaa vasta, kun oma ratkaisusi on valmis.
Mallivastaus
a)
Kysytty
värähtelymittausten kuvaaja, jonka pisteisiin sopii suora, ja siihen sovitettu malli
Kuvaaja
Jousen ja punnuksen jaksonaika on $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$. Kun yhtälö korotetaan toiseen, saadaan $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{k}\,m$: jaksonajan neliö on verrannollinen massaan. Siksi pisteet piirretään $(m, T^2)$-koordinaatistoon. Jaksonaika on kymmenesosa mitatusta ajasta, esimerkiksi $T = 4{,}74\,\text{s} : 10 = 0{,}474\,\text{s}$ ja $T^2 = 0{,}2247\,\text{s}^2$.
| $m\ (\text{kg})$ | $T\ (\text{s})$ | $T^2\ (\text{s}^2)$ |
|---|---|---|
| $0{,}100$ | $0{,}474$ | $0{,}225$ |
| $0{,}150$ | $0{,}573$ | $0{,}328$ |
| $0{,}200$ | $0{,}650$ | $0{,}423$ |
| $0{,}250$ | $0{,}725$ | $0{,}526$ |
| $0{,}300$ | $0{,}786$ | $0{,}618$ |
| $0{,}350$ | $0{,}851$ | $0{,}724$ |
Mallivastaus
Pisteet ovat lähes suoralla, joten jaksonajan neliö kasvaa tasaisesti massan mukana, kuten malli ennustaa. Pisteisiin sovitetaan suora, joka kulkee pisteiden lomitse; sitä ei pakoteta origon kautta, koska mitatut pisteet eivät osoita sinne. Kun suoraa jatketaan pystyakselille, se leikkaa sen noin kohdassa $0{,}028\,\text{s}^2$, hieman origon yläpuolella.
b)
Annettu
a-kohdan kuvaaja
Kysytty
jousen jousivakio $k$
Periaate
Mallin $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{k}\,m$ mukaan suoran kulmakerroin on $\dfrac{4\pi^2}{k}$. Pystyakselin leikkauskohta ei vaikuta kulmakertoimeen, joten jousivakio saadaan kulmakertoimesta, vaikka suora ei kulje origon kautta. Kulmakerroin luetaan suoran kahdesta kaukana toisistaan olevasta pisteestä.
Kuvaajan lukeminen
Suora kulkee pisteiden $(0{,}100\,\text{kg}$; $0{,}226\,\text{s}^2)$ ja $(0{,}350\,\text{kg}$; $0{,}722\,\text{s}^2)$ kautta, joten kulmakerroin on
Kaava
josta
Muunnokset
$1\,\text{kg/s}^2 = 1\,\text{N/m}$, koska $1\,\text{N} = 1\,\text{kg}\cdot\text{m/s}^2$.
Sijoitus
Vastaus
$k \approx 19{,}9\,\text{N/m}$
Kolme merkitsevää numeroa, koska massat ja ajat on mitattu kolmen numeron tarkkuudella ja pisteet ovat hyvin lähellä suoraa.
Järkevyys
Jousi venyy $200\,\text{g}$:n punnuksesta noin $10\,\text{cm}$, mikä vastaa noin $20\,\text{N/m}$:n jousivakiota. Tällainen jousi on tyypillinen koulun värähtelykokeissa.
c)
Kysytty
mistä suoran poikkeama origosta voi johtua ja kuinka luotettava b-kohdan jousivakio on
Periaate
Satunnainen virhe hajottaa pisteitä suoran molemmin puolin. Systemaattinen virhe tai mallin puute siirtää tuloksia samaan suuntaan. Tulos on luotettava, kun eri menetelmät antavat saman arvon epävarmuuksien rajoissa.
Mallivastaus
Epävarmuus. Käsiajanotossa reaktioajan epävarmuus on noin $0{,}2\,\text{s}$. Kymmenen jakson ajasta se on jaksonajassa vain $0{,}02\,\text{s}$, mikä on syy mitata kymmenen jaksoa. Pisteet poikkeavat suorasta enintään noin $0{,}005\,\text{s}^2$, joten satunnainen vaihtelu on pieni eikä selitä pystyakselin leikkauskohtaa $0{,}028\,\text{s}^2$.
Poikkeaman syy. Mallissa $T = 2\pi\sqrt{\tfrac{m}{k}}$ värähtelee vain punnus, ja jousi on massaton. Jousen oma massa $45\,\text{g}$ liikkuu kuitenkin mukana: sen alapää liikkuu punnuksen mukana ja yläpää on paikallaan. Värähtelevä massa on siksi punnuksen massaa suurempi, mikä siirtää koko suoraa ylöspäin mutta ei muuta sen kulmakerrointa. Leikkauskohdasta saadaan lisämassa $0{,}028\,\text{s}^2 : 1{,}984\,\text{s}^2/\text{kg} \approx 0{,}014\,\text{kg}$, noin kolmasosa jousen massasta. Tulos on järkevä, koska jousen alaosa liikkuu lähes yhtä paljon kuin punnus ja yläosa tuskin lainkaan.
Vertailu. Lepomittauksesta $k = \dfrac{mg}{x} = \dfrac{0{,}200\,\text{kg} \cdot 9{,}81\,\text{m/s}^2}{0{,}098\,\text{m}} \approx 20{,}0\,\text{N/m}$. Se eroaa b-kohdan tuloksesta $19{,}9\,\text{N/m}$ alle prosentin, joten kaksi toisistaan riippumatonta menetelmää tukevat toisiaan.
Johtopäätös. Ristiriitaa ei ole: jousivakio on luotettava, koska se saadaan kulmakertoimesta, johon jousen massa ei vaikuta. Jos suora olisi pakotettu origon kautta, jousivakioksi olisi saatu liian pieni arvo, noin $18{,}9\,\text{N/m}$.
d)
Annettu
$m = 0{,}250\,\text{kg}$, amplitudi $A = 5{,}0\,\text{cm}$ ja b-kohdan $k = 19{,}9\,\text{N/m}$
Kysytty
punnuksen suurin nopeus $v_\text{max}$
Periaate
Värähtelyn energia säilyy, kun kitka ja ilmanvastus ovat pieniä. Ääriasennossa punnus on hetken levossa, ja koko energia $\tfrac{1}{2}kA^2$ on potentiaalienergiaa. Tasapainoasemassa poikkeama on nolla, joten koko energia on liike-energiaa ja nopeus on suurimmillaan. Pystysuorassa jousessa paino vain siirtää tasapainoasemaa, joten poikkeama mitataan tasapainoasemasta.
Kaava
$\tfrac{1}{2}mv_\text{max}^2 = \tfrac{1}{2}kA^2$, josta $v_\text{max} = A\sqrt{\dfrac{k}{m}}$
Muunnokset
Sijoitus
Vastaus
$v_\text{max} \approx 0{,}45\,\text{m/s}$
Kaksi merkitsevää numeroa kuten amplitudissa $5{,}0\,\text{cm}$.
Järkevyys
Jaksonaika on noin $0{,}73\,\text{s}$, ja punnus kulkee jakson aikana $4A = 20\,\text{cm}$, joten sen keskimääräinen vauhti on noin $0{,}28\,\text{m/s}$. Suurin nopeus on tätä suurempi, kuten pitää. Jousen oma massa pienentää todellista suurinta nopeutta hieman, koska sama energia jakautuu myös jouselle.
Hyväksytään myös
- b-kohdassa kulmakertoimet $1{,}95\text{–}2{,}02\,\text{s}^2/\text{kg}$ ja niistä lasketut jousivakiot $19{,}5\text{–}20{,}2\,\text{N/m}$ hyväksytään, samoin laskimen tai taulukkolaskennan suoran sovitus ($19{,}9\,\text{N/m}$).
- a-kohdan kuvaajan voi piirtää myös suureista $m$ ja $T^2$ niin, että massa on gramma-asteikolla; b-kohdassa yksikkö on silloin muutettava.
- c-kohdassa poikkeaman voi selittää myös systemaattisella virheellä, kun selitys on perusteltu ja todetaan, että vakiosuuruinen lisäys ei muuta kulmakerrointa.
Yleisiä virheitä
- Kuvaajaksi piirretään $(m, T)$-kuvaaja ja sen kaarevaan pisteistöön sovitetaan suora.
- Jaksonajaksi otetaan kymmenen jakson aika jakamatta sitä kymmenellä.
- Suora pakotetaan origon kautta, koska "mallin mukaan sen pitää kulkea origon kautta", jolloin jousivakio saadaan liian pieneksi.
- Kulmakertoimesta lasketaan suoraan $k$ ilman tekijää $4\pi^2$ tai sen käänteisarvona.
- d-kohdassa amplitudi sijoitetaan senttimetreinä tai energiaan lisätään painovoiman potentiaalienergia, vaikka poikkeama mitataan tasapainoasemasta.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa ratkaisuasi mallivastaukseen ja valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi mielestäsi ansaitsee. Osapisteet ovat mahdollisia, ja myös muu fysikaalisesti oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)4 p
b)3 p
c)4 p
d)3 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 14 (14 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Mallin valinta ja soveltaminen: Jousivärähtelijä ja heiluri
- Kuvaajat ja aineiston analyysi: Jousivärähtelijä ja heiluri
- Matemaattinen ratkaisu: Jousivärähtelijä ja heiluri
- Kokeellinen päättely: Jousivoima ja jousen energia
- Fysikaalinen selittäminen: Jousivärähtelijä ja heiluri
Urkupilli 17 pistettä
Keksitty esimerkkiaineisto · Pilli, signaali ja mittaustulos ovat keksittyjä esimerkkejä.
Urkujen rakentaja tarkistaa kirkon urkujen uutta pilliä. Pilli on molemmista päistään avoin putki. Mikrofoni muuttaa pillin äänen sähköiseksi signaaliksi, jonka kuvaaja on alla.
Urut viritettiin, kun kirkon lämpötila oli $20{,}0\,{}^\circ\text{C}$ ja äänen nopeus ilmassa $343\,\text{m/s}$. Äänen nopeus ilmassa pienenee noin $0{,}6\,\text{m/s}$, kun lämpötila laskee yhden asteen.
- a) Määritä pillin äänen taajuus kuvaajasta. 3 p
- b) Kuinka pitkä pilli on, kun a-kohdan taajuus on sen perustaajuus? 3 p
- c) Talvella kirkon lämpötila on vain $8{,}0\,{}^\circ\text{C}$. Kuinka paljon pillin perustaajuus muuttuu? 4 p
- d) Pillien edessä $4{,}0\,\text{m}$:n etäisyydellä mitattiin urkujen soidessa täysillä intensiteettitasoksi $88\,\text{dB}$. Urkuri istuu $2{,}0\,\text{m}$:n päässä pilleistä ja harjoittelee kolme tuntia päivässä. Arvioi urkurin sallittu päivittäinen altistusaika olettaen, että urut säteilevät äänen tasaisesti joka suuntaan yhdestä pisteestä ja soivat koko harjoituksen ajan yhtä voimakkaasti. Riittääkö se? 4 p
- e) Arvioi d-kohdan mallin oletuksia kirkossa. Onko urkurin todellinen altistus todennäköisesti arviota suurempi vai pienempi, ja miten sen voisi selvittää luotettavasti? 3 p
Näytä mallivastaus ja pisteytys Avaa vasta, kun oma ratkaisusi on valmis.
Mallivastaus
a)
Annettu
mikrofonin signaalin kuvaaja aikavälillä $0\text{–}20\,\text{ms}$
Kysytty
äänen taajuus $f$
Periaate
Jaksollisen liikkeen jaksonaika on aika, jonka kuluttua koko aaltomuoto alkaa toistua samanlaisena. Signaali ei ole siniaalto: jokaisessa jaksossa on korkea ja matala huippu, joten kahden vierekkäisen huipun väli ei ole jaksonaika. Lukutarkkuus paranee, kun luetaan usean jakson kesto.
Kuvaajan lukeminen
Korkeat huiput ovat kohdissa $1\,\text{ms}$, $5\,\text{ms}$, $9\,\text{ms}$, $13\,\text{ms}$ ja $17\,\text{ms}$. Kuvaajassa on viisi kokonaista jaksoa ajassa $20{,}0\,\text{ms}$, joten
Kaava
$f = \dfrac{1}{T}$
Muunnokset
Sijoitus
Vastaus
$f = 250\,\text{Hz}$
Kaksi tai kolme merkitsevää numeroa: viiden jakson kesto voidaan lukea apuviivoilta tarkasti.
Järkevyys
Taajuus on soitinäänille tyypillinen, lähellä keskimmäistä C:tä. Signaalin muodosta näkyy, että siinä on perustaajuuden lisäksi kaksinkertainen taajuus $500\,\text{Hz}$: korkean ja matalan huipun väli on puoli jaksoa. Jos jaksonajaksi otetaan huippujen väli $2{,}0\,\text{ms}$, saadaan virheellisesti $500\,\text{Hz}$.
b)
Annettu
perustaajuus $f = 250\,\text{Hz}$ ja äänen nopeus $v = 343\,\text{m/s}$; pilli on avoin molemmista päistä
Kysytty
pillin pituus $L$
Periaate
Pillin ilmapatsaaseen syntyy seisova aalto, kun ääniaalto heijastuu putken päistä. Avoimessa päässä ilma pääsee liikkumaan vapaasti, joten siinä on värähtelyn kupu. Kun molemmat päät ovat avoimia, perusvärähtelyssä putkessa on kaksi kupua päissä ja yksi solmu keskellä, joten putken pituus on puolet aallonpituudesta. Aallonpituus saadaan aallon perusyhtälöstä $v = f\lambda$.
Kaava
$L = \dfrac{\lambda}{2}$ ja $\lambda = \dfrac{v}{f}$, joten $L = \dfrac{v}{2f}$
Muunnokset
Ei tarvita.
Sijoitus
Vastaus
$L \approx 0{,}686\,\text{m}$
Kolme merkitsevää numeroa kuten äänen nopeudessa.
Järkevyys
Aallonpituus on $1{,}37\,\text{m}$, ja pilli on sen puolikas, vajaan seitsemänkymmenen sentin pituinen, mikä on tavallinen urkupillin koko tälle sävelkorkeudelle. Todellinen pilli on hieman lyhyempi, koska seisovan aallon kupu on vähän putken pään ulkopuolella.
c)
Annettu
$L = 0{,}686\,\text{m}$, $v = 343\,\text{m/s}$ lämpötilassa $20{,}0\,{}^\circ\text{C}$, äänen nopeus pienenee noin $0{,}6\,\text{m/s}$ astetta kohti, talvilämpötila $8{,}0\,{}^\circ\text{C}$
Kysytty
perustaajuuden muutos $\Delta f$
Periaate
Seisovan aallon aallonpituuden määrää pillin pituus, $\lambda = 2L$, joka ei käytännössä muutu. Kylmässä ilmassa ääni etenee hitaammin, joten samalla aallonpituudella taajuus $f = \tfrac{v}{\lambda}$ pienenee samassa suhteessa kuin äänen nopeus.
Kaava
$v' = v - 0{,}6\,\tfrac{\text{m/s}}{{}^\circ\text{C}} \cdot \Delta T$, $f' = \dfrac{v'}{2L}$ ja $\Delta f = f - f'$
Muunnokset
Lämpötila laskee
Sijoitus
joten
Vastaus
Perustaajuus pienenee noin $5\,\text{Hz}$ (tarkemmin $5{,}2\,\text{Hz}$) arvoon noin $245\,\text{Hz}$. Muutos tunnetaan yhden merkitsevän numeron tarkkuudella, koska nopeuden muutos $0{,}6\,\text{m/s}$ astetta kohti on annettu yhdellä numerolla.
Järkevyys
Äänen nopeus pienenee noin $2\,\%$, joten taajuuskin pienenee noin $2\,\%$, ja $2\,\%$ luvusta $250\,\text{Hz}$ on $5\,\text{Hz}$. Puolisävelaskel on tällä korkeudella noin $15\,\text{Hz}$, joten urut soivat talvella noin kolmanneksen puolisävelaskelta matalammalta. Siksi urut viritetään lämpötilassa, jossa niitä tavallisesti soitetaan.
d)
Annettu
intensiteettitaso $L_1 = 88\,\text{dB}$ etäisyydellä $r_1 = 4{,}0\,\text{m}$, urkurin etäisyys $r_2 = 2{,}0\,\text{m}$, harjoitusaika $3\,\text{h}$; ylempi toiminta-arvo $L_0 = 85\,\text{dB}$ ja sitä vastaava aika $t_0 = 8\,\text{h}$
Kysytty
urkurin sallittu päivittäinen altistusaika $t_\text{sall}$ ja riittääkö se
Periaate
Kun lähde säteilee tasaisesti joka suuntaan, sama teho jakautuu pallon pinnalle $4\pi r^2$, joten intensiteetti on $I = \dfrac{P}{4\pi r^2}$. Kun etäisyys puolittuu, intensiteetti nelinkertaistuu. Intensiteettitason muutos saadaan intensiteettien suhteesta. Sallittu altistusaika puolittuu jokaista $3\,\text{dB}$:n nousua kohti.
Kaava
missä
$n = \dfrac{L_2 - L_0}{3\,\text{dB}}$ ja $t_\text{sall} = \dfrac{t_0}{2^{\,n}}$
Muunnokset
Ei tarvita.
Sijoitus
joten
Vastaus
$t_\text{sall} \approx 1\,\text{h}$
Aika ei riitä: kolmen tunnin harjoitus on noin kolminkertainen sallittuun aikaan nähden. Urkurin kannattaa käyttää kuulonsuojaimia tai harjoitella hiljaisemmilla äänikerroilla.
Järkevyys
Taso $94\,\text{dB}$ on samaa luokkaa kuin ruohonleikkurin melu käyttäjän korvalla, jolloin suositellaan kuulonsuojaimia. Pistelähdemallissa urkujen ääniteho olisi
mikä on soittimelle uskottava.
e)
Kysytty
d-kohdan mallin oletusten arvio, todellisen altistuksen suunta ja luotettava tapa selvittää se
Periaate
Pistelähdemalli olettaa, että ääni lähtee yhdestä pisteestä ja etenee esteettä ilman heijastuksia. Jokaisen oletuksen kohdalla mietitään, olisiko taso urkurin kohdalla todellisuudessa suurempi vai pienempi kuin malli antaa.
Mallivastaus
Urut eivät ole pistelähde. Pillit ovat metrien levyisellä ja korkuisella alueella, ja urkurin etäisyys useimmista pilleistä on paljon yli $2\,\text{m}$. Lähellä laajaa lähdettä taso ei kasva $6\,\text{dB}$ joka kerta, kun etäisyys puolittuu, joten d-kohdan $94\,\text{dB}$ on todennäköisesti liian suuri arvio.
Heijastukset. Kirkon seinät, lattia ja holvit heijastavat ääntä, ja kaikua kuuluu koko salissa. Osa $4{,}0\,\text{m}$:n etäisyydellä mitatusta tasosta on kaikua, joka ei voimistu lähemmäs mentäessä. Myös tämä tekee arviosta liian suuren.
Soittaminen. Harjoituksessa urut soivat harvoin koko ajan täysillä, joten keskimääräinen taso on pienempi. Toisaalta pillien ja soittopöydän sijainti voi joissain kirkoissa ohjata ääntä suoraan urkuria kohti.
Luotettava selvitys. Melumittarilla mitataan A-painotettu taso urkurin korvan kohdalta koko tavallisen harjoituksen ajalta ja lasketaan sen keskiarvo, jota verrataan toiminta-arvoon $85\,\text{dB}$. Altistus on todennäköisesti pienempi kuin d-kohdan arvio, mutta vain mittaus kertoo, tarvitaanko kuulonsuojaimia.
Hyväksytään myös
- a-kohdassa jaksonajan voi lukea myös kahden tai kolmen jakson kestosta; vastaukset $240\text{–}260\,\text{Hz}$ hyväksytään.
- c-kohdassa vastaukset $5\,\text{Hz}$ ja $5{,}2\,\text{Hz}$ hyväksytään. Muutoksen voi laskea myös suhteesta $\dfrac{\Delta f}{f} = \dfrac{\Delta v}{v}$.
- d-kohdassa tason muutoksen voi laskea myös intensiteeteistä: $I_1 = 10^{-12}\,\tfrac{\text{W}}{\text{m}^2} \cdot 10^{8{,}8}$ ja $I_2 = 4I_1$.
Yleisiä virheitä
- a-kohdassa jaksonajaksi otetaan kahden vierekkäisen huipun väli $2{,}0\,\text{ms}$, jolloin taajuudeksi saadaan $500\,\text{Hz}$.
- b-kohdassa käytetään yhdestä päästä suljetun putken ehtoa $L = \tfrac{\lambda}{4}$, vaikka pilli on molemmista päistä avoin.
- c-kohdassa oletetaan, että aallonpituus muuttuu ja taajuus pysyy samana, tai taajuuden muutos lasketaan samaksi kuin nopeuden muutos.
- d-kohdassa tason oletetaan kaksinkertaistuvan, kun etäisyys puolittuu, tai intensiteetin oletetaan riippuvan etäisyydestä eikä sen neliöstä.
- Sallittu aika lasketaan jakamalla $8\,\text{h}$ tasojen erotuksella eikä puolittamalla aikaa jokaista $3\,\text{dB}$:n askelta kohti.
Pisteytys ja itsearviointi
Vertaa ratkaisuasi mallivastaukseen ja valitse jokaisesta kohdasta pisteet, jotka ratkaisusi mielestäsi ansaitsee. Osapisteet ovat mahdollisia, ja myös muu fysikaalisesti oikea ratkaisutapa kelpaa.
a)3 p
b)3 p
c)4 p
d)4 p
e)3 p
Itsearvioidut pisteet: 0 / 17 (17 kohtaa arvioimatta)
Pisteet ovat oma arviosi, eivät tarkistettu arvosana. Pisteytys on Ruukkilabran oma, ylioppilaskokeen hyvän vastauksen piirteiden mukaan laadittu, eikä se ole YTL:n virallinen.
Harjoittele lisää:
- Käsitteellinen ymmärrys: Ääni aaltona: korkeus, sointiväri ja Dopplerin ilmiö
- Kuvaajat ja aineiston analyysi: Värähtelyn suureet: jaksonaika, taajuus ja amplitudi
- Mallin valinta ja soveltaminen: Seisova aalto: solmut, kuvut ja ominaistaajuudet
- Matemaattinen ratkaisu: Intensiteetti ja desibeliasteikko
- Fysikaalinen selittäminen: Melu, akustiikka ja äänentoisto
- Kokeellinen päättely: Melu, akustiikka ja äänentoisto