Fysiikka 4 – luku 4 Liikemäärä ja liikemäärän säilyminen

4.1 Liikemäärä ja impulssi

Liikemäärä kuvaa liikkeen määrää, mutta lisäksi se kertoo liikkeen suunnasta, toisin kuin liike-energia. Liikemäärällä tarkoitetaan kappaleen massan ja nopeuden tuloa eli

p = mv

Liikemäärä on vektorisuure, ja sen suunta on kappaleen nopeuden suunta. Liikemäärän yksikkö on 1 kgm/s. Liikemäärää on sitä vaikeampi muuttaa, mitä isompi kappaleen massa on. Vakiovoiman impulssilla I tarkoitetaan kappaleeseen kohdistuvan voiman ja vaikutusajan tuloa eli

I = F ∆t

Impulssin yksikkö on 1 Ns. Impulssi on vektorisuure ja sen suunta on sama kuin kappaleeseen kohdistuvan kokonaisvoiman suunta. Kappaleen liikemäärä kasvaa, jos impulssi on liikkeen suuntainen, ja pienenee, jos impulssi on liikkeen suunnalle vastakkainen. Impulssiperiaatteen mukaan liikemäärän muutos on yhtä suuri kuin kokonaisvoiman impulssi kappaleelle, eli

I = ∆p

jossa I on kappaleen saama impulssi ja ∆p liikemäärän muutos.

4.2 Liikemäärän säilymislaki ja törmäykset

Kokonaisliikemäärä ennen vuorovaikutusta on yhtä suuri kuin vuorovaikutuken jälkeen:

m1v1 m2v2 = m1u1 + m2u2

jossa v1 ja v2 ovat kappaleiden 1 ja 2 nopeudet ennen vuorovaikutusta ja u1 ja u2 nopeudet välittömästi vuorovaikutuksen jälkeen. Systeemin liikemäärä säilyy kaikissa eristetyissä systeemeissä.

Törmäystä sanotaan kimmoisaksi, jos kappaleet eivät tartu törmäyksessä yhteen ja niiden muodot palaavat ennalleen. Tällöin pätee yhtälö

m1v1 + m2v2 = m1u1 + m2u2.

Jos taas kyseessä on täysin kimmoton törmäys, eli kappaleet tarttuvat törmäyksessä yhteen, käytetään tätä yhtälöä:

m1v1 + m2v2 = (m1+m2) u

missä u on kappaleiden yhteinen nopeus törmäyksen jälkeen. Kimmoisassa törmäyksessä kappaleiden kokonaisliikemäärä säilyy ja liike-energiakin säilyy. Kimmottomassakin törmäyksessä kappaleiden kokonaisliikemäärä säilyy, mutta liike-energia ei säily ja kappaleiden muodonmuutokset jäävät pysyviksi.

Fysiikka 4 – luku 3 Energian säilyminen

Työ ja teho

Liikkuvaan kappaleeseen vaikuttava voima tekee työtä teholla

P = Fv

jossa F on kappaleeseen vaikuttava voima ja v voiman kanssa yhdensuuntainen nopeus. Kappaletta nostavan voiman kappaleeseen tekemä työ on yhtä suuri kuin kappaleen potentiaalienergian muutos:

W = mgh= ∆Ep

Nostamisessa tehty työ on nostoreitistä riippumaton. Potentiaalienergia valitun nollatason alapuolella on negatiivinen.

Liike-energia ja konservatiivinen voima

Kappaleen mekaaninen energia on

Emek = Ek + Ep

Kappaleen liikettä alkupisteestä takaisin alkupisteeseen sanotaan suljetuksi kierrokseksi. Jos voiman tekemä työ suljetulla kierroksella on nolla, voimaa sanotaan konservatiiviseksi voimaksi. Paino on konservatiivinen voima. Konservatiivisen voiman tekemä työ kappaleen liikkuessa pisteestä A pisteeseen B on tiestä riippumaton. Painon lisäksi muita konservatiivisia voimia ovat jousivoima ja sähköiseen vuorovaikutukseen liittyvä Coulombin voima.

Työn ja energian yhteys

W = ∆Ek = ½mv1² - ½mva²

Työperiaate pätee yleisesti, vaikka voima ei olisikaan vakio. Sen mukaan kokonaisvoiman tekemä työ ilmenee kappaleen liike-energian muutoksena. Mekaaninen energia säilyy, kun kappaleeseen vaikuttavat voimat ovat konservatiivisia, eli potentiaali- ja liike-energian summa on vakio:

Ek + Ep = vakio

Värähdysliikkeen energia

Jousen potentiaalienergia on Ep = ½kx² ja värähtelijän kokonaisenergia on E = ½ kA², kun A on värähtelyn suurin poikkeama eli amplitudi. Jousen ja värähtelevän kappaleen kokonaisenergia on

Ekok = ½kA² = ½mvx² + ½kx²

jossa vx on värähtelijän nopeus etäisyydellä x tasapainoasemasta.

Mekaniikan energiaperiaate

Epa + Eka + W = Epl + Ekl

Biologia 3 luku 4 Biodiversiteetti on jakautunut maapallolla epätasaisesti

Eliöiden elinolojen alueelliset erot luovat monimuotoisuutta

Alueelle tulevan energian määrä, abioottisten olojen pysyvyys sekä alueen pinta-ala vaikuttavat luonnon biodiversiteettiin. Lisäksi biodiversiteettiin vaikuttavat suppeammalla alueella abioottiset tekijät, kuten ravinteet ja vesi. Suurin osa maapallon ekosysteemeistä saa tarvitsemansa energian Auringon säteilystä. Alueelle tulevan säteilyenergian vaikutus biodiversiteettiin näkyy siten, että useimpien eliöryhmien lajimäärät vähenevät, kun siirrytään kohti kylmiä alueita. Eniten energiaa saa päiväntasaajan seutu, vähiten napa-alueet.

Pinta-alan positiivinen vaikutus biodiversiteettiin eli luonnon monimuotoisuuteen johtuu siitä, että mitä isompi alue on, sitä enemmän se voi sisältää erilaisia elinympäristöjä ja ekolokeroita, joten sitä enemmän siellä voi elää erilaisia lajeja. Pinta-alavaikutuksen vuoksi saariekosysteemit ovat hyvin häiriöherkkiä. Abioottisten tekijöiden lisäksi kahden ekosysteemin rajalla on reunavaikutusta: raja-alueella yksilö- ja lajimäärä on suurempi kuin kummankaan ekosysteemin sisällä.

Miten biodiversiteettiä voidaan tutkia ja mitata?

Perinnöllistä monimuotoisuutta voidaan tutkia analysoimalla DNA:n eroja lajin yksilöiden ja lajin eri populaatioiden välillä. Ekosysteemien monimuotoisuuden mittaaminen on kaikkein vaikeinta, koska siihen ei ole olemassa mitään maailmanlaajuisesti sovittua tapaa. Tämä johtuu siitä, että ekosysteemit ovat luonnossa vaikeasti rajattavissa, sillä eri ekosysteemejä ei voi erottaa toisistaan aidoilla, vaan ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään.

Monimuotoisuuskeskukset ovat biodiversiteetiltään rikkaita

Maapallolla on noin 30 aluetta, joilla elää poikkeuksellisen monimuotoinen eliölajisto. Näitä alueita kutsutaan maailman monimuotoisuuskeskuksiksi. Suurin osa niistä sijaitsee tropiikin tai subtropiikin alueella. Suurin osa monimuotoisuuskeskusten lajeista on endeemisiä eli kotoperäisiä, mikä tarkoittaa sitä, että niitä ei elä missään muualla.

                                                                                                                                   

Suomen avainbiotoopeissa elää vaateliaita lajeja

Suomessa maaperä on yleensä hapanta, mikä vaikeuttaa kasvien ravinteidenottoa maasta, koska ravinteet eivät ole veteen liuenneita vaan tiukasti sitoutuneina maahiukkasiin. Suomen avainbiotooppeja ovat esim lehdot, lähteiden ja purojen ympäristöt, letot, merenrantaniityt ja katajakedot. Näillä on erilainen kasvualusta kuin ympäristössään, eli näillä on kalkkipitoinen kasvualusta ja ravinteita on enemmän käytössä kuin muualla. Näillä alueilla viihtyvät useat vaateliaat kasvi- ja eläinlajit.

Suomen lehdot

Lehtojen maannos on ruskomaata. Siinä ei ole selvää kerroksellisuutta, vaan eloperäinen orgaaninen aines on sekoittuneena kivennäismaahan. Maaperässä on runsaasti hajottajia, ja niiden toiminnan tuloksena syntyneessä multakerroksessa on runsaasti ravinteita.

Lehdot voidaan jakaa kolmeen tyyppiin kosteutensa perusteella: märkiin, tuoreisiin ja kuiviin lehtoihin. Suuri osa Suomen uhanalaisista eliölajeista on lehtometsien lajeja. Lehtojen suojelu on yksi tärkeimmistä keinoista suomalaisen luonnon monimuotoisuuden suojelussa. Tämän takia Suomeen on laadittu erillinen lehtojensuojeluohjelma vuonna 1989.

Biologia 3 luku 3 Kaupunkiekologia tutkii kaupunkiluonnon erityispiirteitä

Kaupunki on saareke alkuperäisen luonnon keskellä

Abioottisten ympäristötekijöiden (eli elottomam luonnon) osalta suuri kaupunki poikkeaa ympäristöstään selvästi. Lämpötila on noin 1-3 astetta korkeampi kuin sen ympäristössä. Sadetta saadaan jopa 15 prosenttia enemmän kuin ympäröivällä maaseudulla, koska ilmassa on paljon tiivistysmiskeskuksina toimivia hiukkasia. Sadevedet kulkeutuvat pääosin viemäriverkostojen kautta pois kaupunkien alueelta, eivätkä pääse imeytymään maaperään.

Keinovalon vuoksi valojaksot poikkeavat luonnollisista. Talvisin lunta on vähemmän, ja eliöiden kasvulle ja lisääntymiselle suotuisa aikaon pidempi kuin ympäröivällä maaseudulla. Liikenteen päästöistä kaupunkien ilmaan joutuu happamoittavia ja myrkyllisiä aineita. Vesiin ja maahan kertyy rehevöittäviä aineita. Kaupungin alueella olosuhteet vaihtelevat hyvin paljon, minkä vuoksi erilaisia elinympäristöjäkin on runsaasti tarjolla.

Kaupunkiekosysteemi toimii eri tavalla kuin luonnontilainen ekosysteemi. Kaupungissa tuottajia eli kasvillisuutta on vähän. Kasvinsyöjät käyttävät ravinnonlähteinään kasvillisuuden lisäksi ruokintapaikkoja ja monenlaisia ihmisen tuottamia jätteitä. Pedoille on tarjolla helppoa saalistettavaa. Hajottajia on vähän, koska kuollutta eloperäistä ainesta ei pääse kertymään, koska nurmikot haravoidaan, kadut siivotaan ja jätteet kuljetetaan suurimmaksi osaksi muualle.

Kaupunkien kasvillisuus on melko niukkaa, mutta lajistoltaan monimuotoista

Kasvilajeja on kaupungeissa yleensä varsin runsaasti monien ihmisen luomien uusien ekolokeroiden vuoksi. Suurin osa lajeista on kulkeutunut kaupunkeihin ihmisen istuttamista tai ihmisen tahattomasti tuomina. Häiriöiden, kuten kulutuksen ja maan pinnan muokkaamisen vaikutuksesta kasvillisuus ilmentää puistoissa, mutta etenkin katujen reunamilla ja täyttömailla, sukkession alkuvaiheita. Erilaisissa vaiheissa olevan ja laikuittain vaihtelevan elinympäristön vuoksi kasvillisuus onkin lajistoltaan varsin monimuotoista.

Lisäksi ihmisen voimakkaasti muokkaaman kasvillisuuden ja kaupunkimetsien tai joutomaiden rajakohdissa ilmenee lajirunsautta, mitä kutsutaan reunavaikutukseksi. Monimuotoisuuden turvaamiseksi joidenkin alueiden annetaan tarkoituksellisesti rehottaa. Näin ollen tiettyjä nurmikoita ei leikata eikä kaikkia pensaikkoja harvenneta. Huolellisesti hoidettujen viheralueiden lajisto on usein niukkaa.

Monet eläimet ovat kaupunkien menestyjiä

Yhteistä kaikille kaupungeissa eläville eläimille ovat ekologinen laaja-alaisuus, kuten monipuolisuus ravinnon käytössä ja joustavuus elinympäristön valinnassa. Menestyneitä Suomen kaupunkien lajeja ovat rusakko, orava, siili, kettu, supikoira ja mäyrä. Kaupungeissa hyvn eläviä lintuja ovat pulu, varpunen, varis, harakka ja tervapääsky. Osa kaupunkien tavallisista lajeista pesii metsissä, viljelymailla ja rannoilla, mutta vierailee kaupungeissa ruokailemassa. Tällaisia lajeja ovat kanahaukka, keltasirkku ja naurulokki.

Eniten lintuja houkuttelevat kaupunkeihin kilpailun vähäisyys sekä etenkin talvisin helppo ravinnon saanti ja tarjolla oleva hukkalämpö. Sekä ihmisen että luonnon tarpeiden huomioon ottaminen kaupunkien suunnittelussa on olennainen osa nykyaikaista luonnon- ja ympäristönsuojelua.

Fysiikka 4  luku 2 Voima

Vuorovaikutus

Jos kappaleita on kaksi, vuorovaikutus vaikuttaa molempiin osapuoliin aina yhtä voimakkaasti ja samanaikaisesti. Kaikki luonnossa havaitut fysikaaliset vuorovaikutukset voidaan selittää neljän perusvuorovaikutuksen avulla. Näitä ovat heikko vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja gravitaatiovuorovaikutus. Nämä perusvuorovaikutukset aiheuttavat kaikki tunnetut voimat ja muut vuorovaikutukset.

Vuorovaikutus ilmenee kappaleeseen kohdistuvana voimana. Voimat esiintyvät aina pareittain. Kumpaankin vuorovaikutuksen osapuoleen kohdistuvat yhtä suuret voimat, jotka ovat vastakkaissuuntaiset. Tämä on voiman ja vastavoiman laki eli Newtonin kolmas laki.

Perusvuorovaikutusten lisäksi vuorovaikutukset voidaan jakaa kosketus- ja etävuorovaikutuksiin. Kosketusvoimia ovat tukivoima, kitka, jännitysvoima ja noste. Gravitaatio sekä sähköiset ja magneettiset voimat ovat etävoimia.

2.1 Mekaniikan peruslait

Kappaleen hitaudella tarkoitetaan kappaleen ominaisuutta vastustaa liikkeensä muutosta. Massa on kappaleen hitauden mitta. Kappaleen liikkeen muuttamiseen tarvitaan aina ulkoinen vaikutus, eli kappaleeseen pitää vaikuttaa voima. Kappaleen hitautta kuvaavaa massaa kutsutaan joskus hitaaksi massaksi. Myös gravitaation vaikutuksen suuruutta kappaleeseen kuvataan massalla: tätä massaa kutsutaan painavaksi massaksi. Hidasta ja painavaa massaa voidaan kuitenkin pitää samana suureena, sillä ne ovat yhtä suuret.

Kokonaisvoiman ja kiihtyvyyden suunnat ovat aina samat! Voima ei voi esiintyä yksin, koska vuorovaikutuksessa on aina kaksi kappaletta. Voima ja sen vastavoima vaikuttavat eri kappaleisiin eli vuorovaikutuksen eri osapuoliin. Ne eivät siis kumoa toisiaan!

Newtonin 1. lain mukaan kappale, joka ei ole vuorovaikutuksessa muiden kappaleiden kanssa, pysyy levossa tai jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla nopeudella.

Newtonin 2. lain mukaan kappaleen saama kiihtyvyys a on suoraan verrannollinen kappaleeseen vaikuttavaan kokonaisvoimaan ∑F ja kääntäen verrannollinen kappaleen massaan m. Kiihtyvyyden suunta on sama kuin kokonaisvoiman suunta. Eli ∑F = ma.

Newtonin 3. lain mukaan jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B voimalla Fab, kappale B vaikuttaa kappaleeseen A voimalla Fba, joka on yhtä suuri mutta vastakkaissuuntainen kuin voima Fab.

2.2 Liikeyhtälö

Vaikutuspisteen kautta kulkevaa voiman suuntaista suoraa sanotaan vaikutussuoraksi. Voiman vaikutus jäykkään kappaleeseen ei muutu, vaikka vaikutuspiste siirtyisi vaikutussuoralla. Painon aiheuttaa kappaleen gravitaatiovuorovaikutus Maan kanssa.

Paino on gravitaatiovoima, jolla maapallo vaikuttaa kappaleeseen. Tukivoima on aina kohtisuorassa kosketuspintaa vasten. Liikeyhtälö on ∑F=ma. Sen mukaan kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima määrää kappaleen liikkeen muuttumisen eli kappaleen kiihtyvyyden.

2.3 Voimien yhteisvaikutus

Jos yhdistettävät voimat ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, voimien yhteisvaikutuksen eli resultantin suuruus lasketaan Pythagoraan lauseella. Kappale on tasapainossa etenemisen suhteen, jos siihen vaikuttava kokonaisvoima on nolla. Tasapainoehto on ∑F=0.

Voiman komponentit

Voiman komponenttien suuruudet ovat

Fx = F cos α

Fy = F sin α

2.4 Väliaineen vastus ja kitka

Nesteessä tai kaasussa liikkuvan kappaleen liikettä vastustavaa voimaa sanotaan väliaineen vastukseksi. Kitka on kappaleiden välinen kosketusvoima, joka vastustaa kappaleiden liukumista toistensa suhteen. Kitkan suunta on kosketuspinnan suunta. Kitkan suuruus ei riipu kosketuspintojen alasta.

Liukukitka on kappaleen liukumista estävä voima. Lepokitka on kappaleen liikkeellelähtöä estävä voima. Lepokitkalla ei ole vakioarvoa, vaan se on muuttuva voima, ja sen suurinta arvoa sanotaan täysin kehittyneeksi lepokitkaksi tai lähtökitkaksi. Lähtökitka on lepokitkan suurin arvo.

Liukukitka Fµ on verrannollinen pinnan tukivoimaan N eli

Fµ = µN

Lähtökitka on

Fµ0 = µ0N

2.5 Noste

Hydrostaattinen paine aiheuttaa nesteessä olevaan kappaleeseen kappaletta nostavan voiman, koska paine on kappaleen alapinnan korkeudella suurempi kuin yläpinnan korkeudella. Arkhimedeen lain mukaan kun kappale on väliaineessa, siihen kohdistuu ylöspäin noste, joka on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän väliainemäärän paino. Nosteen suuruus on

N = ρVg

jossa V on kappaleen upoksissa olevan osan tilavuus ja p nesteen (tai kaasun) tiheys. Nosteen suunta on ylöspäin. Noste aiheutuu hydrostaattisen paineen erosta kappaleen eri pinnoilla. Nosteen suuruus ei riipu siitä, mistä aineesta kappale on tehty.

Fysiikka 4 luku 1 Kappaleen liike

Liikkeen eri muotoja ovat pyörimisliike, etenemisliike ja värähdysliike. Kolmea mekaniikan peruslakia, jotka Newton esitti, voidaan soveltaa kaikkiin statiikan, kinematiikan ja dynamiikan tilanteisiin. Kappaleen liikkeen muutoksen voi aiheuttaa vain vuorovaikutus toisen kappaleen kanssa.

1.1   Tasainen liike

Sydänlihaksen liike on toistuvaa jaksollista värähdysliikettä. Veren virtaus suonissa on likimain tasaista liikettä. Vakionopeudella liikkuvan kappaleen paikka hetkellä t on

x = x0 + vt

jossa x0 on paikka hetkellä t = 0 s. Kappaleen paikkaa ajan funktiona kutsutaan kappaleen radaksi. Yksiulotteisessa liikkeessä rataa esittää (t,x)-koordinaatistoon piirretty kuvaaja.

1.2   Suhteellinen liike

Liike on erilaista riippuen siitä, minkä suhteen sitä tarkastellaan. Kun fysiikassa sanotaan kappaleen olevan levossa, yleensä sillä tarkoitetaan, että kappale on levossa maahan nähden eli liikettä tarkastellaann maanpinnan suhteen. Fysiikassa ei ole absoluuttista lepoa tai liikettä, vaan liike on aina suhteellista, vertailukohdasta riippuvaa.

1.3   Muuttuva suoraviivainen liike

Muuttuvassa liikkeessä muuttuu kappaleen nopeuden suuruus tai suunta tai kumpikin niistä. Tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä kappaleen nopeus hetkellä t on

v = v0 + at

jossa v0 on kappaleen nopeus hetkellä t = 0 s. Kappaleen paikka tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä hetkellä t on

x = x0 + v0t + ½at²

Kappaleen paikka ei välttämättä ole sama  kuin kappaleen kulkema matka. Kun 25 metrin altaassa uidaan altaan toiseen päähän ja takaisin, uintimatka on 50, mutta siirtymä eli paikan muutos on 0 m! Kappaleen keskinopeus tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä on

v_k = v0+v / 2

Biologia 3: luku 2 Ympäristöekologista tutkimusta tehdään monella tasolla

Ympäristöekologia on nuori tieteenala

Ekologia keskittyy tarkastelemaan ihmisen toiminnan vaikutuksia luonnon ekologisiin prosesseihin. Vuonna 1923 voimaan tullut luonnonsuojelulaki painotti maisemallisesti upeiden alueiden suojelua sekä harvinaisten kasvi- ja eläinlajien rauhoittamista. Kaivinkoneen kauhan tekemä viiltohaava suohon katkaisee suon monituhatvuotisen kehityksen. Kuivuttuaan suoekosysteemi alkaa muuttua metsäekosysteemiksi.

Abioottisten ympäristötekijöiden muutokset näkyvät usein eliöiden elinkyvyssä ja runsaudessa

Jonkin lajin äkillinen runsastuminen tai katoaminen voi olla signaali siitä, että jokin olennainen tekijä on muuttunut joko elottomassa tai elollisessa ympäristössä. On todennäköistä, että vaikutus heijastuu myöhemmin myös muihin ekosysteemin lajeihin, koska lajien välillä on useimmiten hyvin monenlaisia riippuvuussuhteita.

Eliöiden levinneisyys ja hyvinvointi riippuvat monista elinympäristön elottomista eli abioottisista muuttujista, kuten lämpötilasta, happamuudesta, vedestä tai valosta. Minimitekijäksi sanotaan sitä ympäristötekijää, jota on niukimmin tarjolla suhteessa eliön tarpeisiin ja joka siten vaikuttaa eniten sen esiintymiseen.

Ihminen muuttaa eliöiden abioottista ympäristöä esim päästämällä luontoon happamoittavia tai muuten haitallisia aineita. Liian nopea, hyvin suuri tai pitkään vaikuttava muutos heikentää eliöiden elinkykyä, vaikeuttaa niiden lisääntymistä tai aiheuttaa lopulta eliöiden kuoleman. Jotkin lajit sietävät hyvin muutoksia, toiset ovat kapea-alaisia sietokykynsä suhteen. Kapea-alaiset lajit ovat tämän ominaisuutensa ansiosta  hyviä ilmentäjä- eli indikaattorilajeja, joiden runsaudessa tapahtuvat muutokset kertovat konkreettisesti elinympäristön muuttumisesta. Indikaattorilajeja tarkkailemalla voidaan tehdä helposti ja luotettavasti päätelmiä ympäristön tilasta.

On tärkeää, että ympäristössä tehdään säännöllisiä mittauksia, jotta mahdolliset muutokset havaitaan ajoissa. Ekosysteemien myrkkyjen ja niiden vaikutusten tutkimiseen erikoistunutta tieteenalaa sanotaan ekotoksikologiaksi.

Populaatioiden muutokset vaikuttavat eliöyhteisöön

Populaation kasvua sääteleviä tekijöitä sanotaan ympäristön vastukseksi. Niitä ovat ravinnon määrä, pedot, loiset ja erilaiset taudit. Ympäristön kantokyvyllä tarkoitetaan suurinta populaatiotiheyttä, jonka elinympäristö voi elättää.

Kahden tai useamman lajin välistä, läheistä yhteiselämää sanotaan symbioosiksi. Symbioosia kutsutaan mutualismiksi, jos yhdessä eläminen hyödyttää molempia osapuolia. Eliöyhteisönsä avainlajeiksi sanotaan lajeja, jotka ovat niin keskeisiä ekosysteeemin kannalta, että niiden häviäminen saisi aikaan merkittäviä muutoksia eliöyhteisössä tai ekosysteemin toiminnassa.

Eri ketojen paikalllispopulaatiot muodostavat yhdessä kokonaisuuden, jota sanotaan metapopulaatioksi. Lajin paikalliset populaatiot ovat niin pieniä, että ne uhkaavat kuolla kokonaan. Metapopulaatio kuitenkin säilyy, koska uusia yksilöitä siirtyy muista populaatioista asuttamaan tyhjiksi jääneitä niittyjä.

Kokonaiset ekosysteemit voivat muuttua ihmisen vaikutuksesta

Maanviljelyn aloittaminen ja kiinteän asutuksen alkaminen olivat ensimmäisiä askelia kohti luonnon voimaperäistä muuttamista. Teollistuminen yhdessä väkiluvun kasvun kanssa on kiihdyttänyt luonnonvarojen käyttöä entisestään. Monissa maissa metsät on hakattu melkein kokonaan, ja alkuperäinen kasvillisuus on korvautunut toisenlaisella.

Kasvillisuuden vaihtuminen on muuttanut myös eläimistöä, koska monien alkuperäisten lajien ekologiset lokerot ovat hävinneet. Viljellessään maata ihminen luo pellon, joka on hyvin yksinkertainen ekosysteeminä, koska siinä kasvaa usein vain yhtä kasvilajia. Yksinkertaiset ekosysteemit ovat hyvin häiriöherkkiä, koska niistä puuttuvat ne bioottiset tekijät, jotka normaalissa ekosysteemissä säätelevät populaatioiden kokoa. Esim jokin tuhohyönteinen voi lisääntyä räjähdysmäisesti, koska sillä on tarjolla runsaasti ravintoa, mutta ei sen kantaa kurissa pitävää petoa.

Ihmisen toiminnan seurauksena myös aineiden kierto ekosysteemeissä voi muuttua haitallisesti. Esim hiilen kierto on teollisena aikana muuttunut siten, että hiilidioksidia vapautuu ilmakehään yhä enemmän ja vastaavasti hiilen sitoutuminen on vähäisempää. Niimpä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on kasvanut selvästi. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvun oletetaan vaikuttavan maailmanlaajuiseen ilmaston lämpenemiseen.

Kemia 3 luku 5 Kemiallisen reaktion nopeus

Kemiallisen reaktion nopeus tarkoittaa aineen pitoisuuden muutosta aikayksikössä. Reaktionopeus määritellään siis joko lähtöaineen määrän vähenemisenä tai lopputuotteen määrän lisääntymisenä tietyllä aikavälillä. Reaktionopeutta kuvataan yleisesti suureyhtälöllä

v  = ∆c / ∆t

missä ∆c on konsentraation muutos ja ∆t aikaväli (esim s, min, h tai d). Reaktion alkunopeus voidaan määrittää mittaustuloksista piirretyltä kuvaajalta piirtämällä siihen tangentti ajanhetkellä 0 ja määrittämälllä tämän tangentin kulmakerroin. Samalta kuvaajalta voidaan määrittää myös tutkittavan reaktion nopeus millä tahansa ajan hetkellä eli ns. hetkellinen nopeus. Tämä saadaan, kun piirretään tangentti kuvaajaan kysytyllä ajan hetkellä ja määritetään tangentin kulmakerroin.

Lämpötilan vaikutus reaktionopeuteen

Hiukkasten törmätessä toisiinsa niistä muodostuu ensin pysymätön, lyhytikäinen, runsasenerginen välituote, jota sanotaan siirtymäkompleksiksi. Tämä kompleksi voi joko hajota takaisin lähtöaineiksi tai siitä voi muodostua reaktiotuotteita. Siirtymäkompleksin muodostumiseen tarvitaan lähtöaineiden keskimääräisen energian lisäksi ns. aktivoitumisenergia E_a. Aktivoitumisenergia on reaktion lähtöaineiden energian ja siirtymäkompleksin energian erotus. Reaktion aktivoitumisenergialla tarkoitetaan sitä energiamäärää, joka tarvitaan siirtymäkompleksin muodostumiseen.

Katalyytit alentavat aktivoitumisenergiaa

Katalyyttien vaikutuksesta reaktion aktivoitumisenergia alenee, eli siirtymäkompleksin muodostumiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Kemiallisten reaktioiden nopeuttaminen katalyyttien avulla teollisuudessa on usein edullisempaa kuin korkeiden lämpötilojen käyttö, koska tällöin säästyy runsaasti energiaa. Lisäksi katalyyttien etu on, että niitä voidaan hyödyntää prosessissa uudelleen, koska ne eivät itse kulu reaktiossa. Aika ajoin katalyytit on kuitenkin vaihdettava, koska niiden teho heikkenee.

Jos katalyytti on samassa olomuodossa kuin reaktion lähtöaineet, puhutaan homogeenisesta katalyytistä. Tällaisia ovat esim soluissa toimivat entsyymit. Teollisuus hyödyntää runsaasti heterogeenisia katalyyttejä. Tällöin katalyytti on eri olomuodossa kuin lähtöaineet.

                                                                                                                                  

Inhibiittorit puolestaan ovat aineita, jotka hidastavat tai kokonaan estävät reaktioita. Monet lääkeaineet toimivat elimistössä eri entsyymien inhibiittoreina. Penisilliinien bakteereja tuhoava vaikutus perustuu niiden kykyyn inhiboida bakteerien soluseinän muodostumiselle tärkeää entsyymiä.

Konsentraation vaikutus reaktionopeuteen

Kun konsentraatio kasvaa, reaktioseoksessa on enemmän toisiinsa törmääviä hiukkasia. Tällöin myös sellaisia törmäyksiä, jotka johtavat reaktioon, tapahtuu enemmän. Reaktionopeus vastaavasti pienenee, kun lähtöaineiden konsentraatio pienenee, koska tällöin reaktioon johtavia suotuisia törmäyksiä tapahtuu vähemmän.

Tiivistettynä                                                      

-         kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavat

o       lämpötila

o       katalyytti

o       inhibiittori

o       lähtöaineiden konsentraatiot

o       lähtöaineiden pinta-alat

-         reaktionopeuden lisääntyminen selitetään suotuisten törmäysten määrän lisääntymisellä

-         suotuisten törmäysten määrä lisääntyy, kun

o       reagoivien hiukkasten määrä lisääntyy

o       reagoivien hiukkasten kineettinen energia lisääntyy

o       aktivoitumisenergia alenee

Kemia 3 – luku 4 Kemiallisessa reaktiossa tapahtuvat energian muutokset

Potentiaalienergiaa on varastoituneena kemiallisiin sidoksiin, jotka ovat erivahvuisia sähköisiä vetovoimia aineen rakenneosien välillä. Kineettinen energia tarkoittaa hiukkasten liike-energiaa. Tämä koostuu hiukkasten lämpöliikkeestä ja pyörimisestä sekä sidosten taipumisesta ja venymisestä. Kun kemiallinen reaktio tapahtuu, eli aineet muuttuvat toisiksi aineiksi, tapahtuu aina energiamuutoksia. Reaktiossa vapautuva energia voidaan havaita esim valona, mutta useimmiten energia vapautuu ympäristöön lämpönä. Tällaisia reaktioita sanotaan eksotermisiksi eli lämpöä vapauttaviksi reaktioiksi.

Jos kemiallinen reaktio sitoo lämpöä ympäristöstä, sitä sanotaan endotermiseksi reaktioksi. Tällaisen reaktion seurauksena ympäristön lämpötila siis laskee. Jotta kemiallinen reaktio tapahtuisi, täytyy lähtöaineiden sidosten katketa ja reaktiotuotteiden sidosten muodostua. Sidosten katkeaminen on aina energiaa sitova eli endoterminen vaihe. Uusien sidosten muodostuminen puolestaan aina vapauttaa energiaa eli tämä on eksoterminen vaihe. Kemialliseen reaktioon liittyvä kokonaisenergiamuutos voidaan siis ajatella näiden kahden vaiheen summana.

Kemiallisten reaktioiden energiamuutoksia kuvataan entalpian muutoksella. Entalpia H kuvaa aineen sisäenergiaa, joka koostuu sidosten potentiaalienergiasta ja hiukkasten liike-energiasta. Reaktion entalpiamuutoksella ∆H tarkoitetaan reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden entalpia-arvojen erotusta eli

∆H = H (reaktiotuotteet)  - H(lähtöaineet)

Eksotermisessä reaktiossa ∆H < 0 ja endotermisessä reaktiossa ∆H >0.

Kun reaktio tapahtuu vesiliuoksessa tai aine liuotetaan veteen kalorimetrissä, lasketaan reaktioentalpia ∆H seuraavan yhtälön avulla:

∆H = cm ∆T

missä c on veden ominaislämpökapasiteetti, eli 4,19 kJ/kgK,  m veden massa (kg) ja ∆T reaktion aikana mitattu lämpötilan muutos (K).

Sidosenergia kuvaa sitä energiamäärää (kJ), joka tarvitaan katkaisemaan yksi mooli tarkasteltavia sidoksia.

Erilaisia entalpiamuutoksia

Erilaisten kemiallisten reaktioiden entalpiamuutoksia kuvataan omilla termeillään. Entalpia-sanan synonyyminä käytetään usein sanaa lämpö. Reaktioentalpialla eli reaktiolämmöllä tarkoitetaan tällöin sitä entalpiamuutosta, joka liittyy tasapainotetun reaktioyhtälön mukaisiin ainemääriin. Muodostumisentalpia eli muodostumislämpö puolestaan tarkoittaa sitä entalpiamuutosta, joka liittyy reaktioon, jossa yksi mooli nestettä syntyy alkuaineistaan.

Palamislämpö kuvaa sellaisen reaktion entalpiamuutosta, jossa yksi mooli ainetta reagoi täydellisesti hapen kanssa. Koska kaikki palamisreaktiot ovat eksotermisiä, ovat palamislämpöjen entalpia-arvotkin aina negatiivisia.

Liukenemislämpö on entalpiamuutos, joka liittyy ioniyhdisteiden liukenemistapahtumaan. Liukenemisessa ionihila hajoaa (endoterminen vaihe), ja vapautuneet ionit hydratoituvat vesimolekyyleillä (eksoterminen vaihe). Liukenemislämpö on siis näiden kahden vaiheen entalpiamuutosten summa.

Hessin lain mukaan kemiallisen reaktion reaktioentalpia on sama, vaikka reaktiotuotteet muodostuvatkin samoista lähtöaineista eri reittien kautta.

Ravinto solujemme energian lähteenä

Ravintoaineista saatava energia kuluu pääasiassa elimistön lämpötilan säätelyyn, lihasten toimintaan sekä solujen ja kudosten uusiutumiseen. Mikäli ravinnosta tulee energiaa enemmän kuin sitä kulutetaan, se varastoituu triglyserideinä rasvakudokseen.

Kemia 3: luku 3 Erialaisia kemiallisia reaktioita

Kemia 3: luku 3 Erilaisia kemiallisia reaktioita

Reaktioita voidaan luokitella seuraavasti:

1. palaminen
2. hapettuminen ja pelkistyminen
3. saostuminen
4. hajoaminen
5. protolysoituminen
6. neutraloituminen

Orgaanisille yhdisteille tyypillisiä reaktioita ovat lisäksi

1. korvautumis- eli substituutioreaktio
2. liittymis- eli additioreaktio
3. kondensaatioreaktio
4. hydrolyysireaktio
5. eliminaatioreaktio

Hapettuminen ja pelkistyminen

Hapettuminen on yleisesti määriteltynä elektronien luovuttamista. Samalla kun jokin aine hapettuu, toinen aine pelkistyy eli ottaa vastaan elektroneja. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat siis aina yhtä aikaa. Elintarvikkeiden säilymista parannetaan erilaisilla hapettumisen estoaineilla eli antioksidanteilla. Myös soluissa antioksidanteilla on keskeinen merkitys, koska ne siellä hidastavat tai kokonaan estävät biomolekyylien haitallista hapettumista.

Palaminen

Palaminen tarkoittaa aineen eksotermistä reaktiota hapen kanssa, jolloin usein nähdään liekki. Palamisreaktiot ovat hyvin nopeita hapettumisreaktioita, joista monet saavat aikaan näkyvän liekin. Kaikissa palamisreaktioissa on palavan aineen lisäksi aina mukana happea. Palamisreaktiot ovat eksotermisiä eli reaktiossa vapautuu lämpöenergiaa. Palamisreaktiot eivät kuitenkaan käynnisty itsestään, vaan niiden käynnistymiseen tarvitaan aina ulkoista lämpöenergiaa esim liekin tai kipinän muodossa. Tämän jälkeen reaktio pysyy käynnissä niin pitkään kuin lähtöaineita riittää.

Jos palaminen on täydellistä, liekin väri on puhtaan keltainen eikä se nokea. Tällöin reaktiotuotteina syntyy ainoastaan vettä ja hiilidioksidia. Jos happea ei ole riittävästi, palaminen on epätäydellistä. Palamistuotteina syntyy tällöin myös hiilimonoksidia eli häkää CO (g), joskus jopa nokea C (s). Orgaanisten yhdisteiden täydellinen palaminen tuottaa hiilidioksidia ja vettä.

Hapettuminen ja pelkistyminen elektroninsiirtoreaktioina

Hapettumisessa atomi luovuttaa elektroneja ja pelkistymisessä se ottaa niitä vastaan. Eli se aine joka hapettuu, niin se luovuttaa elektroneja eli se aine toimii pelkistimenä. Vastaavasti pelkistyvä aine toimii hapettimena. Hapettumista ja pelkistymistä voidaan kuvata erillisillä reaktioyhtälöillä, joissa näkyy elektronien luovutus tai vastaanotto. Tällaisia reaktioita kutsutaan osa- tai puolireaktioiksi. Kun nämä reaktiot yhdistetään, tasapainotetaan siirtyvien elektronien määrä reaktioyhtälön kertoimien avulla. Näin saatua reaktioyhtälöä kutsutaan kokonaisreaktion yhtälöksi.

Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina samanaikaisesti, eivät koskaan erikseen. Orgaanisten yhdisteiden hapettumisessa hapen määrä lisääntyy, vedyn määrä vähenee ja pelkistymisessä vedyn määrä lisääntyy ja hapen määrä vähenee.

Saostuminen

Saostumisreaktioissa muodostuu veteen niukkaliukoisia suoloja. Saostumsireaktioiden avulla voidaan tunnistaa vesiliuoksista eri ioneja, kun tiedetään, mitkä ionit saostavat toisensa. Tällöin puhutaan kvalitatiivisesta analyysistä. Jos näyteliuoksesta saostetaan kaikki määritettävät ionit ja muodostunut saostuma suodatetaan ja punnitaan kuivana, voidaan saostumisreaktioita käyttää myös kvantitatiivisessa  työskentelyssä. Tällöin puhutaan myös gravimetriasta, koska saostumisreaktiossa muodostunut kiinteä reaktiotuote punnitaan.

                                                                                                                     

Hajoaminen

Hajoamisreaktiossa yhdestä lähtöaineesta syntyy kahta tai useampaa reaktiotuotetta. Hajoaminen tapahtuu yleensä lämmön vaikutuksesta. Lämmön vaikutuksesta helposti hajoavia yhdisteitä ovat mm. vetykarbonaatit, nitraatit ja peroksidit. Räjähdysaineissa käytetään hyväksi typpiyhdisteiden hajoamisreaktioita.

Korvautumis- eli substituutioreaktio

Substituutioreaktio on tyypillinen alkaaneille, sykloalkaaneille ja aromaattisille hiilivedyille. Substituutioreaktiossa molekyylin yksi tai useampi vetyatomi korvautuu muilla atomeilla tai atomiryhmillä. Sivutuotteena syntyy lisäksi jokin pieni molekyyliyhdiste.

Halotaanit ovat turvallisia nukutusaineita, koska ne eivät aiheuta pahoinvointia eivätkä lamauta hengitys- ja verenkiertojärjestelmää.

Liittymis- eli additioreaktio

Additioreaktiossa hiilivetyjen kaksois- tai kolmoissidos aukeaa, jolloin molekyyliin liittyy lisää atomeja tai atomiryhmiä. Hydraus on vedyn liittämistä tyydyttymättömään yhdisteeseen, kun taas hydrataatiossa vesimolekyyli liittyy tyydyttymättömään yhdisteeseen. Eli vedyn additio = hydraus ja veden additio = hydrataatio. Elintarviketeollisuudessa hyödynnetään hydrausreaktiota, kun kasviöljyistä valmistetaan margariineja. Marknikovin säännön mukaan vetyatomi liittyy additioreaktiossa ensisijaisesti siihen kaksoissidosen hiiliatomiin, jossa on enemmän vetyatomeja.

Kondensaatioreaktio

Kondensaatioreaktiossa kaksi molekyyliä liittyy yhteen ja niiden väliltä lohkeaa jokin pienimolekyylinen yhdiste. Tavallisesti lohkeava molekyyli on vesi. Kondensaatioreaktiolla muodostuvat eetterit, esterit ja monet biomolekyylit kuten hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit.

Dietyylieetteri on helposti höyrystyvä ja syttyvä neste, jota on käytetty nukutusaineena. Esteröitymisreaktiot ovat tasapainoreaktioita, mikä tarkoittaa sitä, että tietyssä vaiheessa reaktiota osa syntyneestä esteristä ja vedestä reagoi takaisin lähtöaineiksi. Tämän takia muista käyttää esteröitymisen reaktioyhtälössä kaksoisnuolta!

Hydrolyysireaktio ja saippuoituminen

Hydrolyysireaktiossa lähtöaine hajoaa veden vaikutuksesta. Esterihydrolyysi on käänteinen reaktio esteröitymiselle. Tällöin vesimolekyyli katkaisee esterisidoksen, jollion saadaan karboksyylihappoa ja alkoholia. Emäksisessä esterihydrolyysissä vapautuva karboksyylihappo neutraloituu suolaksi. Saippuoitumisessa rasva hajotetaan emäksisellä hydrolyysillä ja pitkäketjuiset karboksyylihapot neutraloituvat, jolloin muodostuu saippuaa.

Eliminaatioreaktio

Eliminaatioreaktiossa molekyylistä irtoaa osa, jolloin syntyy kaksi reaktiotuotetta. Alkoholien eliminaatioreaktiossa syntyy alkeenia ja vettä. Eliminaatioreaktio on käänteinen additioreaktiolle. Muistisääntö: additio aukeaa.

Biologia 3: luku 1 Ekologian avulla voidaan ymmärtää luonnon toimintaa

Ekosysteemin toiminta perustuu aineiden kiertoon ja energian virtaukseen

Ekosysteemi tarkoittaa toiminnallista kokonaisuutta, johon kuuluvat kaikki jollakin yhtenäisellä alueella elävät eliöt, niitä ympäröivä eloton luonto sekä eliöiden ja elottoman luonnon välinen vuorovaikutus. Kaikki maapallon ekosysteemit ovat yhteydessä toisiinsa ilmakehän kautta. Laajin ekosysteemi on koko maapallon kattava biosfääri eli se osa maapalloa, jossa on elämää. Paikalliset ekosysteemit voidaan yhdistää biomeiksi, jotka vastaavat maapallon ilmastovyöhykkeitä noudattelevia kasvillisuusvyöhykkeitä. Kaikki biomit muodostavat yhdessä biosfäärin.

Jokaisessa ravintoketjun vaiheessa suurin osa energiasta poistuu eliöistä lämpönä. Tätä eliöiden kannalta käyttökelvotonta energiaa sanotaan energian ohivirtaukseksi. Ohivirtauksen takia korkeamman asteen kuluttajilla on hyödynnettävänään vähemmän energiaa kuin ensimmäisen asteen kuluttajilla. Siksi esim huippupetojen, kuten petolintujen määrä on yleensä pienempi kuin kasvinsyöjien, kuten peltomyyrien määrä.

Ekologinen perustutkimus tuottaa tietoa ekosysteemeistä          

Ekologia tutkii eliöiden runsauteen ja levinneisyyteen vaikuttavia tekijöitä sekä eliöyhteisöjen ja ekosysteemien toimintaa. Erityisesti ympäristöongelmien ratkaisemisessa ekologinen tutkims on välttämätöntä. Etenkin teollisuuden päästöjen, yhdyskuntien jätteiden puutteellisen käsittelyn ja pelloilta valuvien lannoitteiden vuoksi haitallisia aineita joutuu maahan, ilmaan, veteen ja elöihin. Aineiden kierron tunteminen erilaisissa ekosysteemeissä on avain saastumis- ja pilaantumisongelmien ratkaisuun.

Luonnon eliöyhteisöjä tutkimalla on löydetty tuholaisten luontaisia vihollisia, kuten loisia ja petoja, ja siten saatu käyttöön monia käyttökelpoisia biologisia torjuntamenetelmiä kasvihuoneisiin, pelloille ja taimikoihin. Muualta peräisin olevien petojen tai loisien tuomisessa on kuitenkin aina se riski, että tuotu laji voi aiheuttaa ennalta arvaamattomia seurauksia päästessään leviämään luontoon.

Ke 3: Luku 2 Reaktioyhtälöt ja niiden käyttö

Aineen olomuodoksi merkitään sen olomuoto huoneen lämpötilassa, elleivät reaktio-olosuhteet toisin määrää. Olomuotojen päättelyä helpottavat seuraavat säännöt:

1. Ilmassa esiintyvät alkuaineet ja yhdisteet ovat kaikki kaasuja eli niiden olomuodoksi merkitään (g). Muista kirjoittaa happi, typpi, vety ja halogeenit kaksiatomisina molekyyleinä!

2. Kaikki metallit ovat elohopeaa lukuun ottamatta huoneen lämpötilassa kiinteitä aineita eli niiden olomuodoksi merkitään (s).

3. Kaikki suolat eli ioniyhdisteet ovat huoneen lämpötilassa kiinteitä. Olomuotomerkintä siis (s).

4. Happojen tai emästen vesiliuokset ja muut veteen liukenevat aineet merkitään olomuototunnuksella (aq).

5. Reaktioon osallistuva vesi merkitään olomuototunnuksella (l). Poikkeuksen muodostaa palamisreaktiossa muodostuva vesihöyry H2O (g).

NTP-olosuhteissa mitä tahansa kaasua 0 celsiusasteen lämpötilassa ja 1,01325 baarin paineessa (normaali ilmanpaine) on noin 22,41 dm³:n tilavuus. Elikkä

n = V / V_m 

missä n on kaasun ainemäärä (mol), V kaasun tilavuus (dm³) ja V_m  kaasun moolitilavuus (=22,41 dm³/mol). Jos olosuhteet eivät vastaa NTP-oloja, käytetään laskuissa kaasujen yleistä tilanyhtälöä joka on

pV= nRT

Seoslaskuissa reaktioyhtälöitä ei saa laskea yhteen, mutta reaktiosarjojen tapauksessa saa. Seoslaskuissa kaikkien tapahtuvien reaktioiden reaktioyhtälöt on kirjoitettava erikseen.

                                                                                                     

Kemia 3: luku 1 Kemialliset reaktiot

Reaktionopeuksia tutkivaa ja niitä matemaattisesti mallintavaa kemian osa-aluetta sanotaan kinetiikaksi. Reaktion aktivoitumisenergia on se energiamäärä, joka lähtöaineiden täytyy ylittää, jotta reaktio käynnistyisi. Tätä kynnystä alentamalla reaktiota pystytään nopeuttamaan. Kemiallisen reaktion nopeutta voidaan säädellä lämpötilan, aineiden konsentraatioiden ja erilaisten katalysaattorien tai inhibiittorien avulla. Termokemiassa tutkitaan kemialliseen reaktioon liittyviä energiamuutoksia.

Sokeri liukenee nopeammin kuumaan kuin kylmään veteen, koska kuumassa vedessä sokerin molekyylihila hajoaa eli molekyylit irtoavat toisistaan helpommin. Tämä johtuu siitä, että lämpö nopeuttaa molekyylien välisten sidosten katkeamista.

Maito säilyy paremmin jääkaapissa kuin huoneen lämpötilassa, koska kylmässä maidon sisältämien bakteerien toiminta hidastuu eli entsyymit toimivat hitaammin. Pullataikinaa tehtäessä maito lämmitetään kädenlämpöiseksi, koska taikinaan lisättävän hiivan entsyymit toimivat tehokkaasti noin 37 celsiusasteen lämpötilassa, jolloin hiilidioksidia muodostuu nopeasti.

                                                                                                                                                  

Elintarvikkeiden joukkoon lisätään antioksidantteja, koska antioksidantit hidastavat tai ehkäisevät kokonaan hapen reaktioita (=hapettuminen) elintarvikkeiden eri ainesosien kanssa. Pesujauheissa on proteaasi- ja lipaasientsyymejä, koska proteaasit ovat entsyymejä, jotka nopeuttavat proteiinipitoisen lian irtoamista ja lipaasit nopeuttavat rasvatahrojen hajoamista.

Fysiikka 3: luku 4 Geometrinen optiikka

4.1 Sädeoptiikan perusteet

Geometriseen optiikkaan liittyvät peruslait ovat jo tuttuja tämän fysiikkakolmoskurssin aiemmista postauksistani. Eli valon heijastumislaki ja taittumislaki. Mitäs niitä tässä enää uudelleen kertaamaan, vaan mennään eteenpäin.

4.2 Peilit

Tasopeili

Kuvaa nimitetään todelliseksi kuvaksi, kun sen muodostavat todelliset valonsäteet, ja valekuvaksi, kun sitä on muodostamassa säteiden jatkeet. Valekuvaa ei saada näkyviin varjostimella. Tasopeilin muodostama, esineen kokoinen ja oikein päin oleva valekuva syntyy, kun esineestä lähtevät valonsäteet heijastuvat peilistä katsojan silmään. Valekuvan paikka löydetään piirtämällä heijastuneiden säteiden jatkeet.

Pallopeilit

Pallon keskipistettä kutsutaan peilin kaarevuuskeskipisteeksi O. Peilin keskipisteen ja kaarevuuskeskipisteen kautta kulkeva suora on peilin pääakseli. Peilin kaarevuussäde r on sama kuin sen pallon säde, jonka osa peili on. Kaarevuuskeskipisteen O ja peilin keskipisteen puolivälissä olevaa pistettä F kutsutaan peilin polttopisteeksi ja polttopisteen etäisyyttä peilin keskipisteestä kutsutaan polttoväliksi f. Koveran peilin polttopisteeseen muodostuu korkea lämpötila. Koveraa peiliä nimitetään myös kokoavaksi peiliksi.

Kuva: Googlen kuvahaku.

Kovera pallopeili ei kokoa pääakselin suuntaisia valonsäteitä aivan tarkasti polttopisteeseen. Pääakselista kauempana olevat säteet leikkaavat heijastumisen jälkeen pääakselin ennen polttopistettä. Tätä nimitetään pallopoikkeamaksi.

Koveran pallopeilin avulla saadaan suurennettu kuva. Siksi kasvopeileissä käytetään koveraa pintaa suurentamaan kasvojen kuvaa. Kuperassa pallopeilissä nähdyt esineet ovat pienentyneitä. Tavaratalojen kuperien peilien avulla henkilökunta voi tarkkailla asiakkaita laajemmalla alueella kuin tasopeilin avulla.

Kun tutkitaan piirtämällä kuvan muodostumista pallopeileissä, oletetaan, että peilin kaarevuus on pieni, jolloin peiliä voidaan pitää lähes tasomaisena. Heijastuessaan peilipinnasta kaikki valonsäteet noudattavat heijastuslakia.

Viivasuurennos

Viivasuurennoksella tarkoitetaan kuvan korkeuden suhdetta esineen korkeuteen. Pallopeilin kuvauksen viivasuurennos on

m = k/e = |b| / |a|

jossa k on kuvan (valekuvan) ja e esineen korkeus sekä b kuvan ja a esineen etäisyys peilistä. B:lle ja a:lle käytetään niiden itseisarvoa.

Pallopeilien kuvausyhtälö

Pallopeileille on likimäärin voimassa yhtälö:

1/a + 1/b = 1/ƒ

jossa a on esineen etäisyys peilistä, b kuvan etäisyys peilistä ja f peilin polttoväli. Peilien kuvausyhtälöä käytettäessä on noudatettava seuraavia merkkisääntöjä:

1. Jos esine, kuva ja polttopiste ovat sillä puolella peilipintaa, josta valo tulee, a, b ja f ovat positiivisia.

2. Koveran peilin polttoväli on aina positiivinen ja f = r/2, kun r on peilin kaarevuussäde. Kuperan peilin polttoväli on aina negatiivinen: f = - r/2.

3. Jos kuva (valekuva) on peilipinnan takana, b on negatiivinen. Jos esine (vale-esine) on peilipinnan takana, a on negatiivinen.

4.3 Linssit

Linssin taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Sen takia linssin pinnoilla esim punainen valo taittuu eri kulmaan kuin sininen valo. Linssin kuvausvirheitä ovat mm. pallopoikkeama ja väripoikkeama. Väripoikkeama esiintyy, kun valon taittumisen takia havaitaan dispersio.

Väripoikkeama. Kuva: Googlen kuvahaku.

Linssin kuvausyhtälö

Kuperan linssin muodostama kuva saadaan näkyviin varjostimelle. Valekuvaa ei nähdä varjostimella. Koveran linssin muodostama kuva on aina valekuva. kupera linssi voi muodostaa kuvan tai valekuvan. Kuvan muodostuminen ohuessa linssissä noudattaa likimäärin yhtälöä

1/a + 1/b = 1/ƒ

jossa a on esineen ja b kuvan (valekuvan) etäisyys linssistä ja f linssin polttoväli. Linssien kuvausyhtälöä käytettäessä on noudatettava seuraavia merkkisääntöjä:

1. Kuperan linssin polttoväli f on positiivinen ja koveran negatiivinen.

2. Jos esine on sillä puolella linssiä, josta valo tulee, a on positiivinen. Muuten a on negatiivinen.

3. Jos kuva on sillä puolella linssiä, jonne linssin läpi kulkenut valo etenee, b on positiivinen. Jos kuva muodostuu sille puolelle linssiä, josta valo tulee, b on negatiivinen.

Linssin viivasuurennos on

m = k/e = |b| / |a|

jossa k on kuvan ja e esineen korkeus sekä b kuvan (tai valekuvan) ja a esineen etäisyys linssistä.

Linssin taittovoimakkuus

Linssin taittovoimakkuus kuvaa linssin taitto-ominaisuuksia. Linssin taittovoimakkuus D on polttovälin f käänteisluku

d = 1/ƒ

Taittovoimakkuuden yksikkö on [D] = 1[f] = 1 1/m, jota kutsutaan dioptriksi (1 d). Kuperan linssin taittovoimakkuus on positiivinen ja koveran negatiivinen.

Linssisysteemit

Linssisysteemissä kaksi linssiä tai useampia linssejä on asetettu niin, että niiden pääakselit yhtyvät. Tämän systeemin muodostama kuva saadaan laskennallisesti tai piirtämällä siten, että ensimmäisen linssin muodostamaa kuvaa pidetään esineenä toiselle linssille jne. Jos linssin muodostama kuva syntyy seuraavan linssin taakse, tämä kuva on vale-esine seuraavalle linssille eli tällöin a on negatiivinen.