mittaaminen

Kaipaatko vielä krupulaa? Tässä on kilo tilalle.

Pe, 05/20/2016 - 10:50 Jari Mäkinen

Tänään vietetään metrologian päivää, eli juhlistetaan mittaustiedettä. Syynä on se, että tänään vuonna 1875 allekirjoitettiin Pariisin luona Sévresissä kansainvälinen metristen mittojen sopimus. 

Päivän kuva

Kaikkialla tarkoittaa tässä ainakin sopimuksessa nykyisin mukana olevia 53 maata, joskaan kaikki jäsenmaatkaan eivät käytä metrimittoja arkisesti – esimerkiksi paunat, tuumat, jalat ja mailit ovat edelleen laajalti käytössä etenkin anglosaksisissa maissa. 

Joissain maissa käytetään vielä vanhempia perinnemittoja. Suomessakin oli aikanaan ennen nykyisiä mittoja omat pituus- ja massamittayksikkönsä, itse asiassa useita sellaisia. 

Massaa, siis "painoa", mitattiin muun muassa lästeinä, joka oli 18 kippuntaa vuoripainoa, eli 2448,44 kg. Leiviskä oli 20 naulaa, eli 8,5 kg. Ja yksi naula oli 32 luotia, eli 425,076 g; puoli naulaa oli puolestaan yksi markka. Markka oli siis muutakin kuin rahayksikkö.

Aivan pienimpiä painoja mitattaessa oli käytössä luonnollisesti omat yksikkönsä: 1 skruupeli eli krupula oli 20 graania, siis 1,236g. Yksi graani oli siis noin 42,5 milligrammaa.

Pituusmittoja oli hieman vähemmän, mutta ihan riittävästi saamaan aikaan sekaannuksia. Yksi virsta oli kymmenesosa peninkulmaa, eli 600 syltä, eli 3 600 jalkaa, eli 1068,8 metriä. Jalkojakin oli moneen lähtöön, sillä yksi jalka vastasi 12 tuumaa työmittana, mutta 10 tuumaa kymmenysmittana. Siis 29,7 cm.

Aiemmin mainittu syli oli kolme kyynärää, eli kuusi jalkaa, eli 1,781 m. Ja jos matkaa haluttiin mitata kortteleissa, eli vaaksoina, oli yksi sellainen kyynärää, eli puoli jalkaa, eli 14,8 cm.

Ei mikään ihme, että 141 vuotta sitten oli kova halu saada yhdet yhteiset mitat koko maailmaan!

Internationaalit standadit

Nykyisin kansainvälinen SI-mittayksikköjärjestelmä muodostuu seitsemästä perusyksiköstä: sekunti, metri, kilogramma, ampeeri, kelvin, mooli ja kandela. Kaikki muut yksiköt, eli johdannaisyksiköt, voidaan sitten muodostaa perusyksiköiden avulla.

Kansainvälisesti näiden ylläpidosta vastaa edelleen Sèvresissä, Ranskassa, sijaitseva BIMP, Kansainvälinen painojen ja mittojen toimisto (Bureau International des Poids et Mesures). Suomessa vastaavaa hoitaa Mittatekniikan keskus Mikes.

Mittojen ylläpito tarkoittaa sitä, että mittanormaalia ja sen jäljitettävyyttä pidetään yllä – katsotaan, että vertailukelpoiset perusyksiköt ovat olemassa – sekä siirretään mittoja muihin mittanormaaleihin. Yhä edelleen se tarkoittaa muun muassa metrin ja kilogramman tarkkojen kopioiden tekemistä, vaikkakin tieteellisesti mittayksiköt on nykyisin määritetty fysikaalisten vakioiden avulla. 

Otsikkokuvassa tehtävä huipputarkka platinasta ja iridiumista tehty kilogramman malli ei ole siis tarkkaan ottaen perustana kansainväliselle kilogrammalle, mutta tällaisten mallien avulla tehdään mittauksia laboratorioissa, kun ei vaadita äärimmäistä tarkkuutta. Muun muassa teollisuudessa tarvitaan koko ajan hyvin tarkkoja ja huolellisesti tehtyjä mitan ja massan mallikappaleita.

Lisäksi niin BIMP kuin Mikes tekevät mittatieteellistä tutkimusta.

Kansallisella tasolla Mikes pitää yllä Suomen mittanormaaleja ja nimeää mittayksiköistä ja mittanormaalijärjestelmästä annetujen lakien ja asetusten nojalla kansalliset mittanormaalilaboratoriot.

Alla ovat vielä perusmittayksiköt ja niiden selitykset Mikesin nettisivuilta kopioituina; sieltä aiheesta löytyy paljon lisätietoja!

Perussuureet ja perusyksiköt

>> Aika - sekunti (s) 

Määritelmä: sekunti on 9 192 631 770 kertaa sellaisen värähtelyn jaksonaika, joka vastaa cesium 133-atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen energiatasojen välillä.

 

Suomen kilo>> Massa - kilogramma (kg) 

Määritelmä: Kilogramma määritellään kansainvälisen prototyypin avulla, jota säilytetään Sèvresissä, Ranskassa lähellä Pariisia. Prototyyppi on iridiumin ja platinan seoksesta tehty sylinteri, jonka korkeus ja läpimitta ovat 39 millimetriä.

 

 

>> Termodynaaminen lämpötila - kelvin (K)

Määritelmä: Kelvin on 1/273,16 veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta (CGPM 1967). Veden isotooppikoostumus tulee olla seuraava (CGPM 2005): 0.000 155 76 moolia 2H jokaista moolia 1H kohti, 0. 000 379 9 moolia 17O jokaista 16O moolia kohti sekä 0.002 005 2 moolia 18O jokaista 16O moolia kohti.

 

 

Työntömitta>> Pituus - metri (m) 

Määritelmä: Metri on matka, jonka valo kulkee tyhjössä 1/299 792 458 sekunnissa. Tämä määritelmä kiinnittää metrin luonnonvakioon, valon nopeuteen tyhjössä.

 

 

Lamppu>> Valovoima - kandela (cd)

Määritelmä: Yksi kandela on sellaisen valonlähteen valovoima, joka lähettää tiettyyn suuntaan monokromaattista taajuudeltaan 540 x 1012 hertsin valosäteilyä 1/683 watin säteilyteholla steradiaania kohden. Yksi kandela vastaa suurin piirtein tavallisen kynttilän (lat. candela) kirkkautta.

 

 

Electricity>> Sähkövirta - ampeeri (A)    

Määritelmä: Ampeeri määritellään sellaiseksi ajallisesti muuttumattomaksi sähkövirraksi, joka kulkiessaan kahdessa suorassa yhdensuuntaisessa, äärettömän pitkässä ja poikkipinnaltaan mitättömässä pyöreässä johtimessa, jotka ovat 1 metrin etäisyydellä toisistaan tyhjiössä, aikaansaa johtimien välillä 2·10-7 N voiman johtimen metriä kohti.

 

 

>> Ainemäärä - mooli (mol)

Määritelmä: Mooli on sellaisen systeemin ainemäärä, joka sisältää yhtä monta perusosasta kuin 0,012 kilogrammassa hiili 12:ta on atomeja. Moolia käytettäessä perusosaset on yksilöitävä, ja ne voivat olla atomeja, molekyylejä, ioneja, elektroneja, muita hiukkasia tai sellaisten hiukkasten määriteltyjä ryhmiä. (14. CGPM 1971). Määritelmä kiinnittää hiiliatomin massan

 

 

Otsikkokuva: BIMP

Päivitys illalla perjantaina: Jutussa metrologia oli kirjoitettu alun perin metronomia. Typerä virhe, anteeksi!

Sinäkin olet mittaaja

Otsikkokuva
Body D8

Mittanauha on selvä asia. Samoin kello.

Ensimmäisellä mitataan pituutta tai leveyttä, jälkimmäisellä aikaa. Vaaka on painon mittaamista varten ja amppeerimittari sähkölle.

Itse asiassa oikeastaan kaikkea ympärillämme mitataan, jaetaan pieniin yksiköihin ja laitetaan muistiin paperille tai tietokoneiden muisteihin. Kun ajattelee asiaa tarkemmin, on koko elämämme ja toimintamme yhteiskunnassa suuren mittausmäärän suossa rämpimistä: sikiön massan sekä koon hahmottamisesta, veriarvojen ja pankkitilin saldon kautta maalien määrään, maratonin juoksuaikaan, kylpyhuoneen lattian tiilimäärän laskemiseen ja lopulta hautajaisten kellonajan päättämiseen. Mitat ja mittaaminen ovat eri muodoissaan läsnä koko ajan.

Tuukka Perhoniemen kirja avaa silmät tälle kaikelle mittaamiselle ja siihen, miten ne vaikuttavat yhteisöjen ja yksilöiden toimintaan. Mittaamisen fysiikan ja mittalaitteiden tekniikan sijaan kirja pureutuukin enemmän filosofiaan ja yhteiskuntaan, siihen millaiset ajatukset ovat mittayksiköiden takana, mitkä ovat mittojen käsitteet ja miten mitat ovat muokanneet historiallisesti käsityksiämme siitä, mitä voi mitata ja mitä mittaustulokset meille kertovat.

Kirja johdattaa ensin lukijan Antiikin filosofien ajatteluun, koska sielä löytyvät varhaiset käsitteelliset perusteet mitalle ja mittaamiselle. Sen jälkeen tarina vie uuteen aikaan, jonka alussa mittaamisesta tuli tieteellinen menetelmä. Lopulta 1800-luvun alussa syntyi metrijärjestelmä, joka on levittänyt tietyt mittayksiköt ja niitä ylläpitävän metrologian ympäri maailmaa.

Kyseessä on itse asiassa tohtorinväitöskirja, mutta sitä ei lukiessa huomaa. "Suurin osa väitöskirjoista on tylsiä ja täynnä tieteellistä jargonia", toteaa Perhoniemi. "Halusin kirjoittaa omani tarinaksi ja tehdä kirjasta luettavan, mutta siten, että kaikki tarpeellinen tieto tutkimuksestani on mukana."

Ja siinä teos onnistuu erittäin hyvin. Se on kertomus, jonka luettuaan myös tieteellisesti maailmaa katsova huomaa miten tärkeässä osassa erilaiset mitat ovat – ja kuinka periaatteessa neutraali ja objektiininen mittaaminen ei ole neutraali työkalu, vaan sen erilaiset tulkinnat ja eri käyttötavat kietoutuvat omanlaiseensa käsitykseen maailmasta, ihmisestä ja tiedosta.

Lukemisen lisäksi kannattaa kuunnella mitä Tuukka Perhoniemi kertoi Kalle Haatasen vieraana Radio Ylen Ykkösessä 17.4.2014: http://areena.yle.fi/radio/2183392/#/play

Mitan muunnelmat - Miten määritämme maailmaa, ihmistä ja tietoa

Kirjoittaja: Tuukka Perhoniemi
Kustantaja: Vastapaino
Julkaistu: huhtikuussa 2014
ISBN: 978-951-768-433-0
Julkaisijan hinta: 36,00 euroa
269 sivua, pehmeäkantinen, nidottu
Kirjastoluokat: 16.7; 60.3

Kirjailijan nimi
Tuukka Perhoniemi
Kirjan nimi

Mitan muunnelmat

Kategoria

Mikä onkaan maapallon kylmin paikka?

Ke, 12/11/2013 - 10:42 Jarmo Korteniemi
Kuva: Flickr / Lauri Rantala

Kun Suomessa mitataan uusi "tämän talven kylmin lämpötila", se saa aina paljon palstatilaa. Yleensä kovimmat lämpötilapohjat huitelevat noin -40 asteen tietämillä. Mutta eihän se ole vielä mitään.

NASA julkisti vastikään huiman uutisen maapallon kylmimmästä paikasta: Se sijaitsee Itä-Antarktiksen korkeimpien harjanteiden välisessä notkelmassa.

Kylmyysarvot alkoivat kiinnostamaan tutkijoita, kun he katselivat alueen lumidyynejä. Lumipeite oli paikoin rakoillut oudosti. Äärimmäinen kylmyys oli ilmeisesti kutistanut kinoksia (samaan tyyliin kuin muta rakoilee kuivuessaan). Satelliittimittaukset osoittivatkin pakkasen olleen ainakin hetkellisesti käsittämättömät -93,2 astetta Celsiusta.

Huima kylmyys johtui monen tekijän summasta. Alue on yli neljän kilometrin korkeudella, aivan keskellä napajäätikköä, ja ilmiö tapahtui ankarimman talven aikaan. Kirkkaana tähtiyönä lumipeite säteilee vähääkin lämpöään tehokkaasti pois. Ilma alueen päällä viilenee ja tihenee. Harjanteen päällä oleva ilmamassa valuu raskaana mäkeä alas ja päätyy notkelmaan. Prosessi toistuu notkossa, ja pitkään seisova ilma viilenee aina vain enemmän. Kaamoksen aikana Aurinkokaan ei nouse häiritsemään prosessia.

Antarktiksen lumilakeutta.

Vai onko sittenkään?

Virallisesti mittausta ei voida hyväksyä, vaikka se onkin tarkka ja varma. Viralliset säämittaukset nimittäin tehdään vain standardilaitteilla, ja aina 1,25–2 metrin korkeudelta maanpinnasta. Satelliittidataa ei voi standardoida.

Satelliitti ei mittaa kohteen lämpötilaa, vaan siitä tulevaa säteilyä. Kapeilla aallonpituuskaistoilla pystytään tarkentamaan joko suoraan lumen- tai maanpinnasta tulevaan säteilyyn, tai vähän tuunaamalla skannaamaan yllä olevan ilmamassan lämpöprofiilia. Tämä data sitten käännetään matemaattisesti lämpötilaksi.

Tuloksiin vaikuttavat kuitenkin monet asiat. Ilman pienhiukkaset, tuulet, vesihöyryn määrä ja kaasun koostumus. Ikinä ei voi tietää tarkalleen miltä korkeudelta mittaustulos on peräisin. Satelliittimittauksilla ei vain kyetä samaan systemaattiseen tarkkuuteen kuin mittauspisteillä.

Maapallon kylmyysennätys on siis virallisesti yhä vuonna 1983 mitattu Antarktiksen Vostok-aseman 89,2 pakkasastetta. Se on sitten kokonaan toinen juttu, onko tällä parin asteen erolla oikeasti mitään väliä.

Paukkupakkasia Suomessa

Suomen virallinen pakkasennätys on -51,5°C. Huima pakkanen mitattiin Kittilän Pokassa tammikuussa 1999.

Urbaani (tai oikeastaan maaseutu-)legenda kyllä kertoo, että ainakin Sallan Naruskassa on joskus ollut pari astetta tuota kylmempää. Oli miten oli, mikään mittauspiste ei varmasti ikinä ole se kaikkein kylmin paikka. Kilometrin päässä voi jo olla pari astetta lisää. Arvioidaan siis liberaalisti, että Suomessa voi pakkasta olla enimmillään 53–54 astetta.

Suomi on Golf-virrasta huolimatta Pohjolan kylmimpiä paikkoja. Mannerilmastosta alkaa jo vaikuttaa meillä. Venäjältä, etenkin Uralin tuolta puolen, löytyy tunnetusti kuitenkin paljon kylmempääkin. Kaikista planeetan pysyvästi asutetuista paikoista äärimmäisintä on ollut Verhojanskissa. Lähes -70 astetta. Se on paljon.

Pysäköintiä Siperiassa. Kuva: Flickr / Tatiana Bulyonkova

Pakkanen puree mutta tuuli palelluttaa

Kova pakkanen tuo mukanaan paljon ongelmia, oltiin sitten Kittilässä tai Verhojanskissa. Niihin täytyy sopeutua.

Kylmissä oloissa selviämiseksi tärkeintä on lämpimänä pysyminen. Kaiken A ja O on kerrospukeutuminen. Lakki myös – pään kautta nimittäin haihtuu eniten kehon lämpöä. Paljaan ihon pitäminen alttiina kylmälle voi aiheuttaa paleltumia kovalla pakkasella jo parissa minuutissa.

Kova tuuli saa ilman tuntumaan kylmemmältä hyvin yksinkertaisesta syystä: Se siirtää lämpöä iholta pois nopeampaa. Purevuusvaikutus 15 asteen pakkasella on varsin mitättömälläkin tuulella 5–10 astetta.

Kylmän perusfysiikkaa

Ongelmat eivät rajoitu oman itsen lämpimänä pitämiseen

Auton sähköjärjestelmä kärsii kylmästä. Akun sähköä tuottavat reaktioit hidastuvat ja niiden tuottama energia pienenee. Vieläpä samalla, kun moottoreiden jähmeät öljyt tarvitsisivat käynnistyksessä enemmän pontta.

Yön yli kiristyvässä pakkasessa seisoneella autolla voi olla ikävä kulkea vaikka se hurahtaisi käyntiinkin. Rengaspaineet ovat vähentyneet jopa 10 % jos pakkanen on lisääntynyt 10 asteella. Kaasun tarvitsema tila pienenee lämpötilan mukana. Renkaat painuvat lyttyyn, ja kumit menettävät pakkasessa kimmoisuuttaan. Renkaat muuttuvatkin kovalla pakkasella helposti kantikkaiksi. Ajo on pomppivaa.

Termi ”paukkupakkanen” tulee siitä, että seinät, katto, tai vaikkapa lähistön puut kutistuvat hieman kylmetessään. Rakenteet elävät: paukahdus tulee mikrorakojen syntyessä. Lämpenemisen myötä kolot täyttyvät entiselleen. No harm done.

Myös ilmasta rakoihin tiivistynyt kosteus aiheuttaa saman: vesi jäätyy ja levittää mikrorakoja lisää. Huonosti lämpöeristetyt vesiputket halkeilevat myös helposti. Kumpaankin on sama syy: vesi laajenee jäätyessään.

Suurin osa aineista kutistuu ja tihentyy kylmetessään. Neliasteiseksi asti vesi toimii kuten muutkin, mutta sitten sen käytös muuttuu. Veden jäähtyessä lisää sen molekyylit alkavat järjestäytyä. Kiteytyminen jääksi sinetöidään lopulta tilaavievien kuusikulmaisten vetysidosten kera. Jää vie kuitenkin 9 % enemmän tilaa kuin vesi.  Siksi jää kelluu ja kivet halkeilevat veden jäätyessä sen rakoihin.

Kylmyysennätyksiä läheltä ja kaukaa

Alue? Lämpötila Tarkempi mittauspiste Milloin?
Suomi -51,5°C Pokka, Kittilä 28.1.1999
Ruotsi -53,0°C Malgovik 13.12.1941
Norja -51,4°C Karasjok 1.1.1886
Huippuvuoret -46,3°C Longyearbyen 3/1986
Islanti -37,9°C Grímsstaðir 22.1.1918
Tanska -31,2°C Thisted 8.1.1982
Eurooppa -58,1°C Ust-Shchugor, Venäjä 31.12.1978
Euraasia -68°C Verkhojansk, Venäjä 7.2.1892
Maapallo -89,2°C Vostok-asema, Antarktis 21.7.1983
(Maapallo, epävirallinen) -93,2°C Itä-Antarktiksen keskiosa 10.8.2010

Lähteitä ja lisätietoa:

Suomen lämpötilaennätyksiä (Ilmatieteen laitos)
Maailman lämpötilaennätyksiä (World Meteorological Organization)
Kylmin paikka planeetalla (NASAn uutinen)

 

Päivän kuva 28.9.2013: Metri täyttää 124 vuotta.

La, 09/28/2013 - 02:41 Toimitus

Päivän kuvassa on eräs metrin mallikappaleista, joka on Pariisissa arkkitehti Jean-François-Thérèse Chalgrinin suunnitteleman talon julkisivussa osoitteessa 36, rue de Vaugirard, Pariisi.

Tämä ei ole metrin virallinen mallikappale, joka valmistettiin platinan ja iridiumin sekoitusmetallista (90% platinaa ja 10% iridiumia) ja hyväksyttiin kansainväliseksi pituuden mittayksiköksi tänään vuonna 1889 Pariisissa olleessa kokouksessa. Metrin virallinen, vertailukelponen standardi, jonka pituus on täsmälleen metrin veden jäätymispisteessä, eli 0°C:n lämpötilassa, on edelleen olemassa Pariisin luona Servérsissä Mittojen ja painojen museossa (Bureau International des Poids et Mesures). Siellä sitä säilytetään olosuhteissa, jotka päätettiin tuolloin 1889 metrin mittaa määriteltäessä.

Mallin tekivät Henry Sainte-Claire ja hänen avustajansa Jules Henry Debray, ja materiaaliksi valittiin platinan ja iridiumin sekoitus, koska se on kovaa ja kestävää, sekä säilyttää kokonsa hyvin eri lämpötiloissa. Se myös kestää hyvin korroosiota. Samaa metalliseosta käytettiin myös kilogramman prototyypin tekemiseen. Metallipalkin muodoksi valittiin muokattu X-muoto, koska se säilyttää muotonsa ja mittansa paremmin kuin yksinkertainen metallipalkki.

Tätä metrin prototyyppiä säilytetään Alun perin metri otettiin mittayksikkönä käyttöön Ranskassa vuonna 1799, jolloin metriksi määriteltiin kymmenenesmiljoonasosa maapallon meridiaaniympyrän neljänneksestä, joka kulki päiväntasaajalta Pariisin läpi pohjoisnavalle. Siis etäisyys päiväntasaajalta Pohjoisnavalle oli näin 10 000 kilometriä.

Ensimmäinen prototyyppi perustui vuoden 1790 mittauksiin, mutta se poikkesi määritelmästä jonkin verran ja jäi hiukan liian lyhyeksi. Tämä johtui siitä, ettei laskelmissa otettu huomioon maapallon litistymistä navoilta. Niinpä vuonna 1889 valmistettiin platinan ja iridiumin seoksesta uusi metrin prototyyppi, johon oli kaiverrettu kaksi toisistaan metrin päässä olevaa viivaa, ja se esiteltiin tänään 124 vuotta sitten.

Vuonna 1927 määritelmää tarkennettiin niin, että metri oli näiden viivojen välinen etäisyys 0 °C:n lämpötilassa. Metrin määritelmä uusittiin vuonna 1960 vastaamaan jo 1900-luvun alussa käyttöön otettua interferometristä määritelmää, joka perustui valon aallonpituuteen.

Vuonna 1960 vahvistetun määritelmän mukaan metri oli 1 650 763,73 kertaa sen oranssinvärisen säteilyn aallonpituus tyhjiössä, joka syntyy krypton-86-atomin siirtyessä kvanttitilasta 2p10 tilaan 5d5. Nykyisin näillä metrin standardeilla on vain historiallista arvoa.