tiistai 23. huhtikuuta 2013

Lähde liikkeelle

Olen erityisesti junassa istuessani usein ajatellut liikkeelle lähtemisen ihmettä. Ihan siitä vain istuessani, kuluttamatta elimistöni voimia juuri muuhun kuin elintoimintoihin ja mietiskelyyn. Mikä seikka muuttaa paikoillaan olon liikkeeksi? Tai tiedän toki, että voimahan se on. Voima on massa kertaa kiihtyvys, kuten peruskoulunsa huolella suorittaneet muistavat. Tästä seuraa, että jos meillä on massa ja siihen vaikuttaa voima, massa, tuo mystinen olio, alkaa kiihtyä eli kerätä nopeutta. Liike ei välttämättä ole suoraviivaista. Se ei siis tarkoita välttämättä sitä, että voiman vaikutuksesta massa lähtee väistämättä etenemään voiman vaikutussuuntaan. Etenkin lyhytaikaisesti vaikuttava voima taitaa saada aikaan pikemminkin värähtelyä tai pyörteilyä massassa, kuin massan muodostaman kokonaisuuden, kappaleen, yksituumaista ja -suuntaista liikettä.

Tarkemmin ajatellen yksisuuntainen liike on mahdollinen vain kiinteästä aineesta muodostuvassa kappaleessa. Jos voima vaikuttaa kaasuun tai nesteeseen, tuloksena on pyörteitä, virtaa tai kumpaakin. Erityisesti kuitenkin olen ajatellut kiinteän kappaleen liikkeellelähtöä, vaikka toisaalta, myös kaasun tai nesteen pienimmät partikkelit, joiden tasolla liikkeen voi katsoa esiintyvän, voidaan hahmottaa kiinteinä. Tästä sivumennen seuraa se, että käsitteet kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen ovat mittakaavaan sidoksissa olevia asioita ja siitä johtuen suhteellisia. Jos meillä on fantasiljoonan junanvaunun muodostama kasa, jonka yhteen kohtaan kohdistetaan voima, tuloksena voi olla junanvaunukasan käyttäytyminen jäykän nesteen tavoin. Oletkos ennen tullut pohtineeksi tällaista!

Koska en ole fyysikko vaan ihminen, ajattelen useimmiten junat, laivat, lentokoneet ja muut ajoneuvot kiinteiksi yksiköiksi. Olen toki tietoinen, että juna saattaa venyä lähtiessään liikkeelle. Tämä arveluni perustuu siihen luuloon, että mekanismeissa, joilla vaunut kiinnitetään toisiinsa tai veturiin olisi hiukan väljää. Kun veturi alkaa vetää, juna venyy kunnes kaikki väljä joka välistä on kadonnut. Ja ehkäpä niissä on myös joustimia. En tiedä, en ole juna-asiantuntija tai edes rautatieinsinööri. Jonkinmoisia nykäyksiä matkustaja voi junan kiihdyttäessä kuitenkin tuntea, joten aivan suoraviivaista kiihtyminen ei ole.

Pohtimatta enempää, paljonko joustoa erilaisissa ajoneuvoissa esiintyy, siirryn kiihtymisen kummallisimpaan vaiheeseen, liikkeellelähdön täsmälliseen hetkeen. Yhtenä hetkenä kappale, kulkuneuvo, seisoo aloillaan. Seuraavassa hetkessä se liikkuu hyvin hitaasti ja sitä seuraavana vähän nopeammin. Kummallinen asia on se ensimmänen liikahdus, jos sitä edes niin voi sanoa. En tässä vaiheessa tyydy väitteeseen, että paikallaanoloa seuraavalla hetkellä kappale on siirtynyt hitaimpaan mahdolliseen liikkeeseen, koska en pysty kuvittelemaan hitainta mahdollista.

Peruskoulunsa huolella suorittaneet muistavat, että kiihtyvyyttä kuvataan matemaattisella kaavalla matka jaettuna ajan toisella potenssilla. Kaava sinällään antaa mahdollisuuden nollasta lähtevään kiihtymiseen, jossa viimeistä paikallaanoloa seuraa nopeus, jonka voi kuvata luvulla 0,00...1. Siis nolla pilkku ääretön määrä nollia ja yksi. Ajatuksessa on silti outoutensa. Se ei poista sitä seikkaa, että yhtenä hetkenä juna on paikallaan ja seuraavalla se liikkuu. Päädytään pohtimaan sellaisia asioita, että kuinka pieniin osiin ajan tai matkan voi jakaa. Sehän on päivän selvää, että hyvin pieniin. Esimerkiksi ångsrtöm on hyvin pieni, se soveltuu molekyylissä olevien atomien välisten sidosten mittaamiseen. Nykyfysiikka tosin käyttänee vielä pienempiäkin mittoja ja joka tapauksessa hahmottaa asioita, joiden mitat ovat paljon pienempiä. Esimerkiksi yksi femtometri on 1/100 000 ångströmistä. Kumma, että näillä minimaalisilla mitoilla on kovin ruotsalaiselta kalskahtavia nimiä. Kuinka suuri on Tukholma? Neljännesfemtoneliömetrin...

Voisiko ratkaisu olla niin yksinkertainen, että materiaalin joustavuuden takia vaikka junanvaunun koukku jo liikkuu yhden femtometrin tuntinopeudella ennen kuin pyörä alkaa pyöriä? Tai todennäköisesti on, mutta entä jos ajattelemme täysin kiinteää kappaletta ja oletamme, että voima kohdistuu sen kaikkiin osiin niin, että kappale ei veny eikä pauku? Käytännössä moinen ei tietenkään ole mahdollista, koska harvemmin olioon kohdistetaan voimaa useammalta kuin yhdeltä laidalta. Tämäkään ei selvitä kummaa intuitiotani. Intuitio tietenkin voi olla väärä ja lisäksi pitää huomata, että arkisen ajattelun kannalta koko tämä pohdintani on täysin turhaa.

Epäilemättä myös aika on jaettavissa suorastaan minimaalisiin hetkiin. Lyhyin fysiikan käyttämä ajanjakso on Planckin aika. Sen verran valon nopeudella liikkuvalta fotonilta kuluu Planckin pituuden taittamiseen. Riittänee, että silmänräpäys on verrattain pitkä hetki verrattuna Planckin aikaan. Näin ainakin uskon. Kun siis juna lähtee asemalta, montako Planckin aikaa on kulunut, että koko juna on saavuttanut keskimäärin nopeuden, joka vastaa femtometriä vaikkapa vuodessa. Leikimme hyvin, hyvin pienten asioiden kanssa. Oikeastaan jopa merkityksettömän pienien, halusin vain pohdiskella, millaisia nimiä todella pienillä ajan ja matkan mitoilla on. Planckin aika on kuitenkin siitä vekkuli hetkonen, että sitä lyhyempien hetkien käsittely onkin sitten kvanttien kanssa touhuilua. Niistähän minä en tajua muuta kuin että klassinen ajan käsitys ei enää päde, eikä myöskään olemassaolo klassiseen aikaan sidottuna. Tappamatta Schödingerin kissaa (ole hyvä ja googlaa, en jaksa selittää...) arvelen, että koska kvantit voivat siirtyä tasolta toiselle (miltä tasolta?) toiselle ilman havaittavaa siirtymistä, on siis olemassa hetki, jona juna ei liiku ja Planckin tuokion kuluttua se on siirtynyt ilman välivaiheita liiketilaan.

Femtometrien ja Planckien kanssa touhuamisen jälkeen on pakko pohtia sitä, mitä on voima. Se nyt on selvä, että kyseessä on jonkinlainen vaikutussuhde, jopa vuorovaikutus, koska, kuten peruskoulussa kerrottiin, jokaista voimaa vastaa vastavoima. Kyse ei ole mistään mystisestä jinistä ja jangista vaan siitä seikasta, että jos veturi kiihdyttää vaunuletkaa vaikka sadan kilonewtonin voimalla, vaunuletka tekee veturin työn vaikeaksi panemalla vastaan sadan kilonewtonin voimalla. Veturin koukku venyy kumpaankin suuntaan useita femtometrejä. Jos et usko, ota käsiisi vieteri ja venytä sitä. Käyttämäsi voima siirtää käsiäsi etäämmäs toisistaan. Joudut pitämään vieteristä hyvin kiinni ja käsissäsi tunnet vieterin pyrkimyksen vetäytyä takaisin kokoon voimana, joka painaa sormiasi. Jos vieläkään ei kirkastu, ota puutarhaletku, laske vettä täydellä paineella ja päästä irti sen suuttimesta. Letkun pää aloittaa veikeän tanssin, eikä suinkaan siihen suuntaan, mihin vesi kunakin hetkenä letkun suusta juoksee. Valitettavasti ei myöskään takaisin siistille kiepille telineeseensä.

Veturit ovat tehokkaita, paitsi vetämäänsä kuormaan nähden. Ja vaikka tehoakin riittäisi, on vielä vaarana vetävien pyörien pidon menetys. Tästä en nyt taita peistä enempää, koska siinä aiheeksi tulisi kappaleiden välinen erillisyys, mikä ei sovi tähän aiheeseen. En kuitenkaan missään tapauksessa kehota voitelemaan ratakiskoja siitä, missä veturi yrittää saada vaunuletkan liikkeelle. Sellainen olisi sangen ilkeää veturia kohtaan. Voitelun vuoksi veturin ja kiskojen välinen vuorovaikutussuhde katoaisi ja voima kuluisi vain pyörien pyörimisnopeuden kiihdyttämiseen. Vähääkään voimaa ei välittyisi vaunuihin, mikä on tarkoituksena. Periaatteessa kai olisi hyvä, että veturi liikkeelle lähtiessään voisi ponnistella kaikin voimin. Tällöin ensimmäiseen Planckin matkaan ei kuluisi kovin montaa Planckin aikaa. Liikkeellelähdön käytännössä kohdataan sellaisia seikkoja kuin massan hitaus ja rakenteiden kesto. Voima on massa kertaa kiihtyvyys: mitä suurempi kiihtyvyys, sitä suurempi voima. Mitä suurempi voima, sitä lujempi rakenne tarvitaan. Onko myös niin, että mitä suurempi voima, sitä suuremman nopeuden kappale saavuttaa ensimmäisen Planckin ajan kuluttua liikkeellelähdöstä? Kuta ärhäkämpi veturi ja mitä vähemmän vaseliinia sen pyörien ja kiskojen välissä, sitä vähemmän laiskottelemaan taipuvaisilla vaunuilla on sanomista omaan liiketilaansa. Kaikki tämä vastaansanominen tai liikkumiseen myöntyminen on kuitenkin olennaista vasta, kun Planckin tuokio on vierähtänyt.

On siis kaksi tilaa: paikallaan pysyminen suhteessa välittömään ympäristöön tai sitten liiketila. Edellinen on sitä, että juna seisoo maapallon pinnalla, jälkimmäinen taas sitä, että juna liikkuu. Olennaista ei ole se, että juna liikkuu maapallon, maapallo auringon, aurinkokunta linnunradan ja linnunrata galaksien kaveripiirin mukana. Liike on siis suhteessa johonkin, ja se voi olla olla olemassa tai olematta. Arkinen kokemuksemme liikkeelläolosta tai paikallaan pysymisestä ei siis ole joutavaa. Se selittää sen, miksi matkustan junalla Joensuuhun, enkä pyri sinne omin jaloin. Valitettavasti se selittää myös sen, miksi en pyri juuri minnekään omin voimin. Tunnen syvää sympatiaa junanvaunuja kohtaan.

Ei kommentteja: