Tongan tulivuori -tehtävä fyysikoille

Tähdet ja Avaruus-lehden sivuilla on mielenkiintoinen artikkeli liittyen Tongan tulivuorenpurkauksen paineaaltoon, joka kuului/näkyi mittausdatassa täällä Pohjan perukoillakin.

Artikkeliin liittyvän kuvaajan ja animaation tietojen pohjalta voi päätellä kuinka kaukana vaikkapa Helsingistä tai Ivalosta tulivuoren purkaus tapahtui. Itse asiassa mittaustiedot määrittävät myös purkauksen paikan. Teinpä tästä tehtävän lukiofyysikoilleni.

Tehtävä

Oletetaan, että tiedämme Suomen pituuden (tai esim. etäisyys Utsjoelta Helsinki tai Ivalo – Maarianhamina) ja Maan säteen suuruuden, niin päättele kuinka kaukana Maan pintaa pitkin Tongan tulivuoren purkaus tapahtui. Mihin aikaan se tapahtui?

Oheisessa artikkelissa on animaatio ja painekuvaajat.  Esitä siisti ratkaisu perusteluineen. Etsi itse tarvittavat tiedot.

Arvioi tuloksesi virheen suuruutta ja mistä mahdollinen virhe johtuu. Tarvittavia kaavoja:

nopeus v = matka/aika, ympyrän kehän pituus = 2* pii * säde

https://www.avaruus.fi//uutiset/maa-ja-lahiavaruus/tongan-tulivuorenpurkauksen-paineaalto-tuntui-myoes-suomessa.html

Mielenkiintoinen lause heittoliikkeestä

GeoGebra Materiaaleihin ilmestyi lokakuun lopussa Kari Peisan tekemä appi liittyen vinoon heittoliikkeeseen. En ole itse aiemmin törmännyt tähän teoreemaan/lauseeseen/väitteeseen, mutta ainakin minua se kummastuttaa kummasti. Pakkohan tätä on tutkia. Karin mukaan ongelma on esitetty alun perin eräässä Facebook-ryhmässä.

GeoGebra appissa ”Pisimmän heittoliikkeen alku- ja loppunopeus” https://www.geogebra.org/m/hgujahsm on seuraava väite.

Oheisessa kuvassa asetin h:n arvoksi 4 ja v:n arvoksi 10. Liu’un alfa avulla säädin kantaman mahdollisimman suureksi. Vaikuttaa siltä, että väite pitää ainakin likiarvoisesti paikkansa. Kokeilemalla eri korkeuksilla ja alkunopeuksilla alkaa vaikuttaa, että väite on luultavasti totta.

Päätinpä yrittää ”todistaa” lausetta kokeilemalla joillain lähtöarvoilla. Valitsin alkunopeudeksi 5 (m/s) ja lähtökorkeudeksi 13. Putoamiskiihtyvyys on 9.81 m/s2. 

Ratkaisun juoni on yksinkertainen. Määritetään kantaman lauseke kulman funktiona. Ratkaistaan kantaman derivaatan nollakohta, näin saadaan kulma, jolla kantama on suurin. Kyseisen kulman avulla lasketaan lentoaika ja sen avulla nopeuden komponentit kyseisellä ajan hetkellä. Alla kuvankaappauksia ja selityksiä ”todistukseen”.

rivi 1: kantamayhtälö

rivi 2: RA on yhtälön ratkaisulista

rivi 3: aika on suurempi ratkaisuista

rivi 4: kantama kulman funktiona

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

Kuvaajassa kantama kulman funktiona. Kulma yksiköissä radiaani.

rivit 5-8: Kantaman derivaatan nollakohta, minua kiinnostaa vain tuo ensimmäinen eli maksimikohta.

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

rivi 9: tt on lentoaika.

rivit 10–11: loppunopeuden komponentit

rivi 12: nopeuden suunta lopussa radiaaneina

rivit 13 ja 14: Alku- ja loppunopeusvektoreiden välinen kulma

Vaikuttaa siltä, että Lause pitää paikkansa.

Kun aloin kokeilla yleistä todistusta, niin törmäsin hankaluuksiin tuossa rivin 6 yhtälön ratkaisussa. Siitä taitaa tulla kuudennen asteen yhtälö sin(α):n suhteen. Pitääpä tutkia, miten saan lauseen todistettua yleisesti. 

Tai sitten jätän sen tehtäväksi sinulle arvoisa lukija.

OMG-hiukkanen – GeoGebran Lukuarvona-komento

Luin Wikipedia-artikkelin OMG-hiukkasesta. Siinä kerrottiin, että: ”OMG-hiukkanen eli Oh-My-God-hiukkanen on lempinimi kosmiselle hiukkaselle, joka havaittiin 15. lokakuuta 1991 Fly’s Eye -ilmaisimella Dugway Proving Groundsissa, Utahissa. Hiukkanen oli atomia pienempi, mutta sen liike-energia oli yhtä suuri kuin 25 m/s (90 km/h) liikkuvalla pesäpallolla (160 g): noin 3 × 1020 elektronivolttia eli suunnilleen 50 joulea. Hiukkanen oli luultavasti lähes valonnopeudella kulkeva protoni. Mikäli se oli protoni, sen nopeus oli noin (1 − (5 × 10−24)) c. Jos tällä nopeudella liikkuva hiukkanen lähtisi liikkeelle yhtä aikaa fotonin kanssa, vuoden kuluttua se olisi vain 46 nanometriä fotonia jäljessä.” 

Myös useammassa muussa artikkelissa kerrotaan nopeudeksi v = 0.9999999999999999999999951 c

tai että c – v ≈ 5·10-15 m/s. Pakkohan se on minunkin laskea, varsinkin kun GeoGebra laskee likiarvoilla vain 15 merkitsevällä numerolla. Lasken varmuuden vuoksi saman laskun myösWolframAlphalla ja Pythonilla.

Ratkaisu GeoGebralla

Lasketaan nopeus käyttämällä Suppeaa suhteellisuusteoriaa ja protonin kokonaisenergiana arvoa 51 J, lukuarvo löytyy englanninkielisestä Wikipedia-artikkelista.

MAOL-taulukkokirjasta löytyvät tarvittavat kaavat.

Kuva, joka sisältää kohteen pöytä

Kuvaus luotu automaattisesti

Kirjoitetaan yhtälö GeoGebran CASiin, ratkaistaan nopeus v ja sijoitetaan arvot. Käytän Ratkaisut-komentoa, jotta saan ratkaisuksi listan, jossa on vain v:n lausekkeet, niitä on mukavampi käsitellä. Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

Nopeudeksi saadaan tasan 300000000 m/s. Vaikka GeoGebran asetuksista muuttaa tarkkuuden 15 merkitseväksi numeroksi, niin nopeuden arvo ei muutu.

Jotta lausekkeen arvo lasketaan suuremmalla tarkkuudella, niin tarvitaan Lukuarvona-komentoa. Sen toiseksi syötteeksi voi laittaa halutun tarkkuuden.

Rivillä 6 on sijoituksen tulos, kun käytin Sijoita työkalua ja valitsin Sijoita painikkeen

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

Tässä on hyvä hetki muistuttaa bugista, joka on vaivannut GeoGebraa jo jonkin aikaan. Ainakin GeoGebran versionumerossa 666 oli vielä vika, jossa sijoita-työkalun Sijoita-painikkeen painaminen aiheutti virheellisiä tuloksia, kun sijoitetut luvut oli esitetty 3E8-tyyppisesti. Tätä vikaa ei enää ole lokakuun 21 GeoGebran 672-versioissa. Alla 666-version virheellinen sijoitus.

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

Lasketaan vielä, kuinka paljon saatu tulos poikkeaa valonnopeudesta muutamalla eri tavalla.

Kuva, joka sisältää kohteen pöytä

Kuvaus luotu automaattisesti

Laskun olisi voinut suorittaa ilman Sijoita-työkalua käyttämällä Sijoita-komentoa.
Sijoita( <Lauseke>, <Korvauslista>)

WolframAlpha ja Python

WolframAlpha on siitä mukava, että se laskee oletuksena isolla tarkkuudella. Tässä syötän luvut uudella MATH INPUT-menetelmällä.

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

WoframAlphan tulos hieman enemmillä desimaaleilla. 2.99999999999999999999998697226643598615916955014472340698701… × 10^8

Pythonissa tulee vastaan samankaltainen laskentatarkkuusongelma kuin GeoGebrassakin. Alla Colabista kaapattuja kuvia.

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

Pythonin saa laskemaan mielivaltaisella tarkkuudella vaikkapa mp-math-kirjaston avulla.

Kuva, joka sisältää kohteen teksti

Kuvaus luotu automaattisesti

Pari linkkiä

Wikipedia

https://fi.wikipedia.org/wiki/OMG-hiukkanen

https://en.wikipedia.org/wiki/Oh-My-God_particle

John Walkerin artikkeli vuodelta 1994

https://www.fourmilab.ch/documents/OhMyGodParticle/