Fysiikka-opas

Fysiikkaa työssäfysiikan opiskelu yhteistyössä yritysten kanssa

1 Käytännön kytkentöjä fysiikan opiskeluun.... 4

2 Opetussuunnitelman perusteet kehottavatkouluja yhteistyöhön yritysten kanssa........... 5

3 Monipuolinen teollisuusyritys ......................... 6

4 Käytännössä toteutettua ................................. 7”Se ei ookkaan pelkkää teoriaa” projektimme sähkömoottoritehtaan kanssa......... 8

Suunnon kompasseista magnetismiin................... 10

5 Teknologiateollisuuden yritykset toivottavat tervetulleiksi.................................. 12

Kelluvatko laivat siksi, että ne on valmistettu laivaraudasta? ................................... 12Alumiini aina ympärillämme – opiskelukäynti Alteams Oy:ssä........................... 14Puusta paperiksi – nopeammin,laadukkaammin, puhtaammin ............................. 15

6 Miten teet tämän? ............................................ 17

Muistilista/Miten suunnittelet tehtäviä? ............... 18

7 Vain fysiikkaako? ............................................... 19

Lähteet ............................................................... 21

Tehtävät ............................................................. 21

Julkaisija: Teknologiateollisuus ryEteläranta 1000130 HELSINKI Puh. (09) 19 231www.teknologiateollisuus.fi

© Tekijät ja Teknologiateollisuus ry ISBN 951-817-891-7

Taitto: Public Design OyKuvitus: Nikolai PuninPainopaikka: Tammer-Paino Oy,

Tampere 2005

Annika Ampuja • SuviVanhatalo • Hannele Levävaara

Fysiikkaa työssäfysiikan opiskelu yhteistyössä yritysten kanssa

Fysiikan opettajalle

M istä merkityksellisyyttä fysiikan opiskeluun? Me saim-me vastauksen tähän kysymykseen toteuttaessam-

me fysiikan opetusta yhteistyössä teknologiateollisuudenyritysten kanssa. Kaikkea koulussa opiskeltavaa fysiikkaatarvitaan työelämässä. Fysiikka, sen sovellukset ja sovelta-minen ovat monen yritysmaailmassa työskentelevän arkea.Yhteistyössä opiskeleminen toimii herättäjänä myös tekni-siä ja luonnontieteellisiä jatko-opintoja kohtaan.

Tämä opas sisältää esimerkkejä ja käytännön neuvojayritysten kanssa yhteistyössä toteutetusta fysiikan opiske-lusta. Opas avaa mahdollisuuksia koko kurssin rakentami-seksi tai sen osasisällön toteuttamiseksi yhteistyön pohjal-le, mahdollisuuksia oppia fysiikan teoria osana käytäntöä.

Sekä perusopetuksen että lukion opetussuunnitelmanperusteet ohjaavat kouluja tekemään yhteistyötä eri taho-jen kanssa, sillä opiskelu asiantuntijoiden kanssa liittää opis-keltavat tiedot ja taidot kontekstiin, jossa niitä oikeasti päi-vittäin tarvitaan. Opiskelu on siis nuoren tulevaisuutta, eikoulua varten. Luvussa kaksi pohditaan näitä opetussuun-nitelman perusteiden näkökulmia syvällisemmin. Luvussakolme kurkistetaan teknologiateollisuuden yrityksen sisäl-le ja avataan sen toimintoja fysiikan sovellusten näkökul-mista.

Oppaan neljännessä luvussa esitellään kaksi yritystenkanssa yhteistyössä toteutettua opiskeluprosessia.

Opetuskokeilujen positiivisten kokemusten pohjaltapyysimme kolmen muun yrityksen asiantuntijoita pohti-maan kanssamme yhdessä hedelmällisiä yhtymäkohtia

koulussa opetettavasta fysiikasta ja yritysten arjesta. Tästäyhteistyöstä syntyneet opetuskokonaisuudet on kuvattuviidennessä luvussa. Luvussa 6 esittelemme kokemuksem-me pohjalta arkisia vinkkejä toteuttaa opiskelijalle merki-tyksellistä fysiikan opiskelua yhdessä yritysten kanssa.

Oppaan lopussa on yhteistyöyrityksiin liittyviä fysiikantehtäviä, joita saa vapaasti kopioida opetuskäyttöön.Mukana on myös työturvallisuuteen, ergonomiaan ja etiik-kaan liittyviä tehtäviä, jotka soveltuvat käytettäväksi to-teutettaessa opiskelua yhteistyössä minkä tahansa yrityk-sen kanssa.

Luvussa 7 annamme vinkkejä, kuinka laatia tehtäviätoteutettaessa opiskelua yhdessä oman paikkakuntanneyritysten kanssa. Lisäksi se laajentaa näkökulmaa joihinkinmuihin oppiaineisiin antaen integrointiesimerkkejä.

Kiitämme lämpimästi mukana olleita kouluja, oppi-laita ja opettajia. ABB Oy:n, Aker Finnyards Oy:n, AlteamsOy:n, Metso Paper Oy:n ja Suunto Oy:n edustajia kiitämmeinnokkaasta ja asiantuntevasta yhteistyöstä. Oppaan työs-täminen on ollut antoisaa. Toivomme teille yhtä positiivisiaja kannustavia kokemuksia jatkaessanne tätä prosessiaomien opiskelijoittenne kanssa.

Annika Ampuja, Fil. yo., Helsingin yliopistoSuvi Vanhatalo, Fil.yo., Helsingin yliopistoHannele Levävaara, FM, KT, Teknologiateollisuus ry.

3

1

T ietävätkö opiskelijasi, miksi fysiikkaaopiskellaan ja mihin sitä tarvitaan?

Ymmärtävätkö he esimerkiksi, miten hei-dän opiskelemansa fysiikka liittyy arkipäi-vään? Olipa opetus kuinka monipuolistatahansa, kuulee silloin tällöin opiskelijansuusta kommentin: ”Mitä hyötyä tästäfysiikan opiskelusta on?” Fysiikkaa opis-kellaan ja opetetaan koulussa monin eritavoin, mutta kuinka toteuttaa opetusniin, että se uusien tietojen ja taitojenoppimisen lomassa antaa opiskelijallemonipuolisen kuvan fysiikan tarpeellisuudesta nykypäivässäja tulevaisuudessa?

Yhteistyössä yritysten kanssa toteutettu opetus tar-joaa vastauksia, innostusta ja positiivisia kokemuksia.Opiskeltaessa oppiaineen oppisisältöihin kuuluvia tietojaja taitoja tällä tavoin opiskelija oivaltaa, mitä mahdolli-suuksia yritysmaailma voi tarjota uraansa suunnitteleval-le nuorelle sekä mihin eri alojen ammattilaiset tarvitsevatfysiikkaa. Opiskelijan henkilökohtainen käsitys tulevai-suudesta laajenee kokemusten myötä. Hän saa myöstilaisuuden suunnitella tulevaisuuttaan siellä, missä työtä

tehdään. Yhteistyöllä opiskelun hyöty onmolemminpuolinen: yritykset tarvitsevatfysiikan osaajia myös tulevaisuudessa. Niin-pä yrityksen edustajat toivottavat opiskeli-jat tervetulleiksi. Tämä opas tarjoaa apuayhteistyön toteuttamiseksi arkisena osanafysiikan opetusta. Opas sisältää kokeiltuja jayritysten asiantuntijoiden kanssa yhdessäsuunniteltuja esimerkkejä ja tehtäviä mie-lekkääseen fysiikan opiskeluun.

Opas antaa toteutusehdotuksia siitä,miten koko fysiikan kurssi rakennetaan

yhteistyön pohjalle tai miten osa kurssin sisällöistä jatavoitteista toteutetaan yhteistyössä. Opiskelu yhteis-työssä yrityksen kanssa on prosessi, joka sidotaan elimel-liseksi osaksi koko kurssin kokonaisuutta sisältönsä jaopiskelulle asetettujen tavoitteiden kautta. Näin opiskelustatulee ehjä prosessi, jossa yhdistyvät teoria ja arki. Hedel-mällisestä yhteistyöstä kehittyy jatkuva prosessi, jotatoteutetaan ja kehitetään vuorovaikutuksessa opettajien,opiskelijoiden ja yritysten asiantuntijoiden kesken. Opis-kelukäynti on yksi osa koko yhteistyöprosessia. Parhaim-millaan yhteistyö kattaa koulun kaikki luokka-asteet.

4

Kaikenikäiset ovatopiskelijoita, sillä

oppiminen on aktiivisen opiskeluntulos. Niinpä tässä

oppaassa myösoppilaita kutsutaan

opiskelijoiksi.

Käytännön kytkentöjä fysiikan opiskeluun

Opiskelukäynti on se osa opiskeluprosessia, jolloin opiskellaan yrityksessä.

O P I S K E L U

VALMISTELUTENNAKKO-

TYÖSKENTELYOPISKELU-KÄYNTI

JATKO-TYÖSKENTELY

PALAUTETTA JAKEHITYSIDEOITA

2

”E ri oppiaineiden opetukseen tulee sisällyttää kokonai-suuksia, jotka liittävät opiskeltavan aineen antamat

tiedot ja taidot työelämän vaatimuksiin ja mahdollisuuk-siin” (POPS 2004; s. 23). Tämä toteutuu luonnollisimmil-laan yhteistyössä ympäröivän yhteiskunnan, kuten yritys-ten, kanssa.

Uusissa valtakunnallisissa opetussuunnitelman perus-teissa kehotetaankin useaan otteeseen tekemään yhteis-työtä koulun ulkopuolisten tahojen kanssa. Näin toteutuumyös opetussuunnitelmien yleisessä osassa asetettu tavoi-te kehittää omakohtaisen kokemisen kautta valmiuksia elääja rakentaa tulevaisuuden yhteiskuntaa vastuullisesti.(POPS 2004; esim. s. 21 ja LOPS 2003; esim. s. 12)

Perusopetuksen ”Ihminen ja teknologia” ja lukion”Teknologia ja yhteiskunta” aihekokonaisuuksien tavoit-teena on mm., että opiskelija hankkii koulussa välineitäymmärtää, arvioida ja käyttää teknologiaa jokapäiväises-sä elämässään nyt ja tulevaisuudessa. Tehdessään elä-määnsä liittyviä pieniä ja suuria ratkaisuja opiskelija käsit-telee omien kokemustensa pohjalta ihmisen suhdettateknologiaan. Koulussa hänet tulisi johdattaa pohtimaanteknologiaan liittyviä kysymyksiä kaikilla yhteiskunnanaloilla eri aikakausina (POPS 2004; s. 40 ja LOPS 2003; s.28). Näiden aihekokonaisuuksien tavoitteiden ja sisältöjentoteutuminen on vaikeaa, jos opiskelijalla ei ole oma-kohtaista kosketusta nykypäivän yhteiskuntaan ja sentyöelämään. Erilaiset opiskelukäynnit tarjoavat luonnolli-sen tilaisuuden suunnitella omia opiskeluun liittyviä valin-toja ympäristössä, jossa koulussa opittuja tietoja ja taito-ja todella tarvitaan sekä sovelletaan.

Opetussuunnitelman perusteissa todetaan myös,että parhaimmillaan tuoreen luonnontieteellisen tiedon läh-teinä ovat alan asiantuntijat (POPS 2004; s. 38, LOPS 2003;s. 144). Opiskelukäynnin teema valitaan fysiikan opetus-suunnitelman ainekohtaisista sisällöistä tavoitteita unoh-tamatta. Lisäksi sen aikana toteutuu samalla muidenkin

oppiaineiden tavoitteita ja sisältöjä (ks. s. 20 jossa inte-grointitaulukko). Esimerkiksi tähän oppaaseen on mallin-nettu, kuinka magnetismikokonaisuus opiskeltiin yhteis-työssä kompasseja valmistavan Suunto Oy:n kanssa. Opis-kelukäynnillä opiskelijat ensinnäkin oivalsivat, kuinka kou-lussa erillisinä opiskeltavien fysiikan osa-alueiden tietoja jataitoja tarvitaan yhden ja saman sovelluksen toteutuksessa.Tämän lisäksi yrityksen fyysikko esitteli kompassin val-mistuksen yhteydessä myös kompassin materiaalienkemiallisia ominaisuuksia. Toisessa mallinnetussa esimer-kissä taas korostuu erityisesti, kuinka monipuolisesti fysii-kan tavoitteet voivat toteutua opiskelukäynnillä. Opiskel-tuaan ABB Oy:ssä moottorin toimintaan liittyviä fysiikansisältöjä opiskelijat kertoivat ymmärtävänsä nyt paremminfysiikan tieteellistä luonnetta ja fysiikan sovelluksia. Esi-merkeissä saadut kokemukset olivat erittäin positiivisia. Kunopiskelija ymmärtää fysiikan lainalaisuuksien toteutumisenympäristössä, oppii hahmottamaan ympäristöä fysiikannäkökulmasta ja ratkaisemaan oppimansa perusteellaarkipäivän ongelmia, hänen motivaationsa ja halunsaopiskella kasvavat.

5

Opetussuunnitelman perusteet kehottavat kouluja yhteistyöhön yritysten kanssa

Yrityksessä opiskellaan fysiikkaa.

6

Fysiikkaa sovelletaan teknologiateollisuuden yrityksen eri osastoilla.

TUOTEKEHITYS

TUOTANTO

MYYNTI JA MARKKINOINTI

M itä tekee analyysiassistentti, analyysi-insinöö-ri, asennuspäällikkö, asiakaspalveluteknikko,

automaatiopäällikkö, avartaja… entä ympäristö-päällikkö? Tämä on näyte Metso Paper Oy:ssä työs-kentelevien osaajien työnimikkeistä. Millä perus-teilla opiskelijasi valitsisivat nimikkeiden joukostaoman haaveammattinsa? Tätä valintaa hän ei on-neksi tee nimikkeen vaan opiskelualan pohjalta. Yri-tyksessä eri alojen asiantuntijat työskentelevät osaa-misensa perusteella eri osastoilla. Kaikilla osastoillatarvitaan fysiikan ymmärtämistä sekä soveltamisenja tutkimisen taitoja, joten yrityksessä on moniaopiskelukäynnille sopivia kohteita.

Jatkossa esiteltyihin yhteistyötoteutuksiin tu-tustumalla voit suunnitella ja toteuttaa omien opis-kelijoittesi kanssa teille sopivia yhteistyömalleja.

K eväällä 2005 kaksi koulua toteutti osan perus-koulun fysiikan opetuksesta ja opiskelusta yh-

teistyössä teknologiateollisuuden yrityksen kanssa.Toteutukseen osallistuivat toisen koulun yksi 8. luo-kan opetusryhmä ja toisen koulun 7. sekä 9. luokal-ta yksi opetusryhmä opettajineen. Yhteistyöyrityk-sinä olivat ABB Oy ja Suunto Oy.

7

Monipuolinen teollisuusyritys

Käytännössä toteutettua

3

4

LAADUNTARKKAILU

SUUNNITTELU

YhteistyöyritysKuinka montaa moottoria käytät päivittäin? Tiedätkö,miten niiden kaikkien toiminta pohjautuu fysiikan tietoon?Näihin kysymyksiin helsinkiläisen peruskoulun 7. ja 9.luokan opiskelijat etsivät vastausta opettajansa johdollayhteistyössä ABB Oy:n Helsingin yksikön kanssa. ABB Oyon johtava sähkövoima- ja automaatioteknologiayhty-mä. Helsingin toimipisteen tuotantoon kuuluvat pää-asiassa asiakkaiden tilauksesta valmistetut moottorit jageneraattorit. Jos pohdit vastausta ensimmäiseen kysy-mykseen, niin ota huomioon, että jo autossasi on kym-meniä moottoreita, hiustenkuivaajassa yksi ja rullaportaissamuutamia.

ValmistelutPeruskoulun fysiikan sähkömagnetismin opiskelu päätet-tiin toteuttaa osittain yhteistyössä läheisen ABB:n yksikönkanssa. Tavoitteena oli liittää myös aiemmin opiskeltu fysiik-ka sovelluksiin. Valmisteluiden yhteydessä opettaja kävitutustumassa yritykseen ja sen kouluille tarjoamiin mah-dollisuuksiin. Kun opettaja oli perehtynyt yritykseen, yri-tyksen asiantuntijoiden kanssa sovittiin opiskelukäynninteemoista ja tavoitteista, käytettävistä käsitteistä, opiske-lijoille suunnattujen tehtävien sisällöistä sekä käytännön jär-jestelyistä. Yhteisenä tavoitteena oli saada vaikuttavaoppimiskokemus.

Opiskelu

fENNAKKOTYÖSKENTELYEnnen opiskelukäyntiä opiskelijat jaettiin ryhmiin.

Kullekin ryhmälle annettiin oma aihe, joka oli yksi joopiskeltu fysiikan osa-alue. Aiheita olivat esimerkiksilämpö- ja sähköoppi. Kunkin ryhmän tehtävänä oli ottaaprojektin aikana selvää, mitä tämän fysiikan osa-alueen tie-toja ja taitoja tarvitaan moottorin ja generaattorin suun-nittelussa, valmistamisessa ja vastuullisessa käytössä.Opettajan ja yrityksen asiantuntijan ennakkoon laatimat

kysymykset auttoivat alkuun. Projektin aikana opiskelta-va uusi fysiikan osa-alue oli sähkömagnetismi. Sen opis-keleminen aloitettiin koulussa ennen opiskelukäyntiärakentamalla ryhmissä alkeismoottori, jonka rakennusohjeon sivulla 22. Rakennettaessa opittiin, mihin moottorin toi-minta perustuu, ja tutustuttiin sähkömagnetismiin liittyväänkäsitteistöön. Alkeismoottorin rakennetta verrattiin moot-torin pienoismalliin ja yrityksen asiantuntijalta saatuun isonmoottorin rakennekuvaan sekä pieneen generaattoriin.

hOPISKELUKÄYNTIKoko luokka ei voinut käytännön syistä kulkea

yrityskierroksella yhdessä. Opiskelijat jaettiinkin kolmeenryhmään, joista kullakin oli oma isäntänsä. Isäntinä toimivatyrityksen työnjohtajat. Nämä kuljettivat aluksi vieraitaan”valmistuvan moottorin matkassa” ja keskustelivat opis-kelijoiden kanssa siitä, millä tavoin fysiikka ilmenee yrityksenarjessa. Opiskelijat esittivät isännilleen kysymyksiä ja kir-jasivat havaintojaan siitä, mitä aihealueelle kuuluvaafysiikkaa yrityksessä tarvitaan. Tämän jälkeen yrityksen työ-pajassa tehtiin kokeita, jotka käsittelivät moottorin suun-nittelussa tarvittavaa ja koulukurssin sähkömagnetismi-kokonaisuuteen liittyvää fysiikkaa. Opiskelukäynnin lopuk-si osallistuttiin vielä leikkimieliseen ABB- tietokilpailuun,jonka aiheena olivat henkilöstöön ja yrityksen tuotteisiinliittyvät kysymykset.

8

”Se ei ookkaan pelkkää teoriaa”projektimme sähkömoottoritehtaan kanssa

ABB OY

Tuotteet: sähkövoima- ja automaatio-teknologiatuotteetToiminta Suomessa: 40 paikkakunnallaToiminta ulkomailla: yli 100 maassa Vienti: n. 70 % Henkilöstö Suomessa: n. 6 300www.abb.fi

• TEHTÄVÄT: s. 22–24

iJATKOTYÖSKENTELYKoululla kukin ryhmä esitteli havaintonsa ja koke-

muksensa muulle luokalle. Opettaja kokosi ja työsti opis-kelijoiden kirjoittamat havainnot ja lähetti koonnin yrityksenasiantuntijalle kommentoitavaksi. Keskeisistä opituistaasioista keskusteltiin heti opiskelukäynnin jälkeen, jakokemuksiin palattiin sopivissa yhteyksissä myöhemmäs-sä opetuksessa. Sekä 7. ja 9. luokan ”Moottorin fysiikka” -projektista raportoitiin myös koulun www-sivuilla.

Palautetta ja kehitysideoitaProjektin tärkeimpänä antina opiskelijat ja opettajat pitivätomakohtaista kokemista ja myös uuden oppimista. Yllä-tyksen tuotti esimerkiksi, että itse rakennetun pienenalkeismoottorin ja suuren tuuligeneraattorin toiminnanperiaate on sama. Myös runsas robottityövoiman käyttöhämmästytti. Yksi yhdeksäsluokkalainen kertoi ”näke-vänsä” fysiikkaa nyt projektin jälkeen kaikkialla ympärillään.Opiskelijat kertoivat, että heidän mielikuvansa teollisuu-desta, teknologiasta ja fysiikasta tieteenä oli laajentunut jatarkentunut projektin aikana. Yksi opiskelija totesi: ”Se eiookkaan pelkkää teoriaa” Monet muut olivat samaa miel-tä ja kertoivat samalla mielenkiintonsa fysiikkaa kohtaanlisääntyneen. Heräsi halu opiskella lisää.

Jatkoa suunniteltiin jo siinä vaiheessa, kun opettajat ja opis-kelijat keskustelivat kokemuksistaan. Päädyttiin siihen,että sisällytetään sähkömagnetismi -projekti pysyväksiosaksi tämän peruskoulun fysiikan toista eli yhdeksännel-lä luokalla opiskeltavaa kurssia. Fysiikan opettaja suunnit-telee yhteistyön ulottamista myös opettamilleen lukio-kursseille. Kun yhteistyö yrityksen kanssa jatkuu, siitä teh-dään kirjallinen sopimus, jossa sovitaan yhteistyön tavoit-teet ja nimetään yhteistyöstä vastaava opettaja ja yrityksenedustaja sekä heidän varahenkilönsä. Näin henkilövaih-dokset eivät vaikuta yhteistyöhön. Sopimuksen allekirjoit-tavat rehtori ja yrityksen edustaja, esimerkiksi toimitus-johtaja.

Yrityksen sähkösuunnitteluinsinööri ehdotti, ettäsamanlainen projekti toteutettaisiin myös lukiossa. Ehdo-tuksensa hän perusteli erityisesti moottorien mallinnuksessatarvittavalla lukiotasoisella sähköopin osaamisella. Kunmoottoreita mallinnetaan suunnitteluosastolla, hyödyn-netään mm. Ohmin, Ampéren ja Kirchoffin lakeja. Virta-piireihin liittyvät laskut ovat tuotekehityslaboratorion arkea.Yrityksen työpajan välineet tarjoavat mahtavan mahdolli-suuden lukion fysiikan kokeelliseen opiskeluun. Niinpälukiolaisten opiskelukäynti ABB:llä olisi luontevaa liittääsyventäviin sähkö- tai sähkömagnetismin kursseihin.

9

Opiskelijat tekevät muistiinpanoja ABB:llä.Fysiikan opiskelua ABB:n työpajassa.

YhteistyöyritysVoidaanko kompassi valmistaa sähköisenä? Tätä erään hel-sinkiläisen koulun kahdeksasluokkalaiset yhdessä opet-tajansa kanssa lähtivät selvittämään Vantaalla sijaitse-vaan Suunto Oy:öön. Suunto Oy valmistaa kompassejamaalle, merelle ja ilmaan sekä rannetietokoneita niinharrastajille kuin pelastusalan ammattilaisille. Nämä pie-net, kellon näköiset rannetietokoneet kätkevät sisäänsäesimerkiksi kellon, kompassin, korkeusmittarin ja syke-mittarin.

ValmistelutMagnetismilla on runsaasti arkipäivän sovelluksia. Sitä hyö-dynnetään niin kaiuttimissa kuin junan raiteella pitämi-sessäkin. Moniin sovelluksiin tutustuminen on koulussavaativaa, koska magnetismiin perustuvat laitteet saattavatolla valtavan suuria tai magnetismin hahmottaminen niis-tä on hankalaa. Opiskelukäynti magnetismia hyödyntävässäyrityksessä avaa opiskelijalle aivan uuden magnetismi-maailman. Koska kaikki opiskelijat olivat käyttäneet kou-lun liikuntatunneilla kompassia, se oli opiskelijoille ennes-tään tuttu.

Perehtymiskäynnillä opettaja tutustui yrityksen asian-tuntijoihin, jotka olivat keskeisessä asemassa opiskelu-käynnin toteuttamisessa. Opettaja perehtyi myös tulevanopiskelukäynnin puitteisiin. Tuotanto esiteltiin hänellesamalla tavalla, kuin se tultaisiin esittelemään opiskelijoille.Monet kompassin osat valmistetaan Suunnossa, ja kokoon-panossa on paljon käsityötä, joten tuotannossa oli runsaastikatseltavaa. Opettaja keskusteli Suunto Oy:n edustajankanssa yhteistyöhön liittyvistä toiveistaan ja sopi opiskelu-käynnin sisällöstä sekä aikataulusta.

Opiskelu

fENNAKKOTYÖSKENTELYKoulussa pidettiin ennen opiskelukäyntiä yksi oppi-

tunti magnetismista. Oppitunnilla mietittiin, mitä ainees-

sa tapahtuu, kun se magnetoituu, ja miten magnetoitu-minen ilmenee erilaisissa tilanteissa. Tämän jälkeen poh-dittiin magneetin vuorovaikutusta muiden kappaleidenkanssa. Vuorovaikutukset selitettiin magneettikentän käsi-tettä käyttäen. Mietittiin myös, kuinka Maalla voi olla omamagneettikenttä. Nämä oppitunnilla opitut asiat tulivatuudestaan eteen opiskelukäynnillä ja olivat jo opiskelijoilletuttuja. Opiskelukäynnillä voitiin keskittyä kompassin toi-mintaan ja Maan magneettikenttään.

hOPISKELUKÄYNTIOpiskelukäynnin aluksi Suunto Oy:n fyysikko ker-

toi magnetismista, magneettikentistä ja Maan magnetis-mista. Mietittiin, kuinka Maan magneettikenttä vaikuttaakompassin neulaan. Lisäksi pohdittiin, mitä asioita kom-passin suunnittelussa ja valmistuksessa on otettava huo-mioon. Opittiin, että kompassista voidaan tehdä myös säh-köinen, jolloin se mahtuu pienen rannetietokoneen sisäl-le. Kompassi on hieno osoitus siitä, että monimutkainen,moneen fysiikan lakiin nojaava laite voi näyttää varsin yksin-kertaiselta. Moni opiskelija yllättyi, ettei sama kompassitoimi kaikkialla maapallolla.

Tuotantoon tutustuttiin kahdessa ryhmässä. Siellänähtiin kompassin muoviosien valaminen, niiden siirto valu-koneesta liukuhihnaa pitkin laatikkoon ja valamisen sivu-

10

Suunnon kompasseista magnetismiin

SUUNTO OYTuotteet: kompassit ja rannetietokoneetToiminta: VantaallaVienti: n. 95 %Henkilöstö Suomessa: n. 290www.suunto.com


Liikkuva varaus synnyttää magneettikentänalkeismagneetti, N-napa, S-napa

Magneettikentän vaikutus aineisiin:paramagneettiset aineetdiamagneettiset aineetferromagneettiset aineet (tavalliset magneetit ovat ferromagneetteja)

Demonstraatio: Pienillä magneeteilla ja rautaesineillä siitä, mitenmagneetti magnetoi rautaesineitä, jolloin näistärautaesineistä tulee myös magneetteja.

Miten magneettikenttä havaitaan?

Magneettikenttiä hyödynnetään:magneettikuvauskaiuttimetrevontuletgeneraattorimagneettiset junatkompassit

Maan magneettikenttä

Kompassi:neula pyrkii kääntymään sekä vaaka-tasossa että pystytasossaneulan kallistuminengravitaatio vs. magneettikenttäpaino neulan toisessa päässä tasapainottamassa

Kompassin tasapainotus eri alueilla

Kompassin käyttö (navigointi, suunnistus)oikea suunnan varmistaminen

Sähköinen kompassi

Suunnon fyysikon pitämän oppitunnin runko.

tuotteena syntyvien muovipalojen erottelu yksinkertai-sella automaatiolla kompassin osista. Tutustuttiin konee-seen, jolla painettiin valettuihin osiin asteluvut muovikal-vosta. Lisäksi seurattiin, miten kompassin neula tasa-painotetaan ja miten neulaan ja kompassiin saadaanpimeässä hohtavia pisteitä ja viivoja.

iJATKOTYÖSKENTELYOpiskelukäynnin jälkeen koulussa ei enää tehty

aiheeseen liittyviä fysiikan tehtäviä. Sen sijaan opiskelijoi-den kanssa keskusteltiin siitä, mitä opiskelukäynniltä oli jää-nyt heidän mieleensä ja mitä he olivat oppineet.

Palautetta ja kehitysideoitaKompassiin ja sen käyttöön kannattaa tutustua etukäteen.Tällöin opiskelukäynnillä jää enem-män aikaa tuotantoon perehtymi-seen ja niiden asioiden opiskeluun,jotka vaikuttavat kompassin suun-nitteluun ja tuotantoon. Myös kom-passin suunnan oikeellisuutta kan-nattaa pohtia etukäteen. Esimer-kiksi isot risteilijät ja jäänmurtajatovat terästä, jonka vaikutus kom-passin näyttöön on merkittävä. Niin-pä kunkin laivan kompassille laadi-taan eksymätaulukko. Siitä voidaanlukea, kuinka paljon kompassi-suunta eroaa tosisuunnasta eri kul-kusuunnissa. Ero voi olla jopa 10 as-tetta, joten se täytyy ottaa huomi-oon navigoinnissa.

Rannetietokoneisiin tutustu-minen yrityksessä tuo lisää näkö-kulmia fysiikan opiskeluun. Niissäon paljon mm. lämpöoppiin ja sähköoppiin perustuviasovelluksia. Rannetietokone määrittää kiipeiltäessä kor-keuden ja sukellettaessa syvyyden saman paineanturin avul-la. Lämpötilan mittaus perustuu lämpötilariippuvaiseen vas-tukseen, termistoriin. Siihen tutustumalla Ohmin laki ja senpätevyysalue tulevat tutuiksi lukiolaisille. Kvalitatiivisestitähän voivat tutustua myös nuoremmat opiskelijat. Säh-köisen kompassin toiminta perustuu magnetoresistiiviseenkomponenttiin.

Tuotantoon tutustuminen kannattaa tehdä pienissäryhmissä niin, että jokaisella ryhmällä on oma tutustu-misalueensa. Esimerkiksi yksi ryhmä tutustuu muovi-osien valamiseen, toinen kompassineulojen tasapaino-tukseen, kolmas vaikkapa neulan magnetointiin taikompassin loppukokoonpanoon. Ryhmät tekevät muis-tiinpanoja omista osa-alueistaan ja opettavat oppimansamuille ryhmille koulussa muistiinpanojensa pohjalta.Tässä voidaan hyödyntää myös Suunnosta saatuja kom-passin malliosia.

11

Suunnon rannetietokoneurheilijan käytössä.

T eknologiateollisuus ry:n jäsenyritykset ovat ha-lukkaita toteuttamaan yhteistyötä koulujen

kanssa fysiikan opiskelun näkökulmasta. Kolmenyrityksen asiantuntijoiden kanssa yhteistyössä suun-niteltiin, mitä kunkin yrityksen arkeen kuuluvaafysiikkaa opiskelijat voisivat siellä opiskella ja mitentämä toteutettaisiin. Näissä esimerkeissä esiintyvätyritykset ovat Aker Finnyards Oy:n Helsingin yksik-kö sekä jyväskyläläiset Alteams Oy ja Metso Paper Oy.Yritysten muutkin toimipisteet tekevät mielelläänyhteistyötä.

Kahden ensin mainitun yrityksen asiantuntijoidenkanssa tuotettiin oppaaseen samantyyppiset esimer-kit, eli lähtökohtana yrityksestä löytyvälle fysiikalleovat erityisesti yrityksen tuotteet ja niiden tuotan-toprosessit. Metso Paper Oy:n kohdalla lähestymis-tapaa muutettiin. Yrityksessä ilmenevää fysiikkaaetsittiin toimihenkilöiden työn kautta. Tästä syystäMetso Paper Oy:n kohdalla käytetään mm. yrityksenasiantuntijoiden nimiä. Samalla tarkoituksena olimyös avata erilaisia mahdollisuuksia, miten toteuttaafysiikan opiskelua yhdessä yritysten kanssa.

Teknologiateollisuuden yritykset toivottavat tervetulleiksi

AKER FINNYARDS OYTuotteita: risteilyalukset, autolautat, rahtilaivat,jäänmurtajat, merivoimien aluksetToiminta Suomessa: Helsingissä, Turussa ja RaumallaToiminta ulkomailla: Norjassa, Saksassa, Romaniassa ja Brasiliassa (emoyhtiö Aker Yardsin toimintaa)Vienti: 90 %Henkilöstö Suomessa: n. 4000www.akerfinnyards.com


A ker Finnyards Oy on yksi maailman johtavista alustensuunnittelijoista ja rakentajista. Aker Finnyardsilla

valmistetaan monenlaisia aluksia: risteilijöitä Itämerelle, lois-toristeilijöitä Karibialle, erilaisia aluksia Suomen ja muidenmaiden puolustusvoimille, jäänmurtajia, tutkimusaluksia,rahtilaivoja sekä tankkereita.

Aker Finnyardsin telakalla on mahdollisuus nähdä, ettänykyisin valmistettavien laivojen ja alusten kaikki osatovat jättiläismäisiä. Laivan ympärillä häärivät työntekijätnäyttävät pieniltä muurahaisilta. Esimerkiksi valtavienalusten potkurit ovat halkaisijaltaan niin suuria, etteiihminen ole edes potkurin yhden lavan pituinen. Raken-teilla olevan laivan sisällä näyttää siltä, kuin rakennettaisiinkaupunkia. Erona on vain se, että hytit, sviitit, ravintolat,saunat, uima-altaat, teatterit ja jopa jäähallit nousevatsamojen seinien sisäpuolelle. Valmis loistoristeilijä on kel-luva kaupunki.

Laivojen suunnittelussa ja rakentamisessa monienfysiikan lakien tunteminen ja taito soveltaa niitä ovatvälttämättömiä. Peruskoulussa ja lukiossa opiskeltavaanfysiikkaan liittyviä aihealueita Aker Finnyardsilla on useita.Miettiessään miksi laivat kelluvat, opiskelijat tutustuvat Ark-himedeen lakiin ja nosteeseen. Samalla tulee tutuksimyös nosteen ja gravitaatiovoiman tasapaino. Toiseksi aihe-alueeksi sopii painopiste. Valmiin laivan painopisteen saa-minen suunniteltuun paikkaan on äärimmäisen tarkkaatyötä. Esimerkiksi keskikokoisessa risteilijässä, jonka pituuson noin 200 m ja korkeus 50 m, painopisteen on sijaittava4 m x 0,3 m kokoisella alueella.

12

Kelluvatko laivat siksi, että ne onvalmistettu laivaraudasta?

5

Kolmanneksi voidaan opiskella vapaa nestepinta. Tällä tar-koitetaan laivanrakennuksessa yhtenäistä vesipintaa, jotamikään seinä tai muu iso esine ei katkaise. Vapaan nes-tepinnan huomioon ottaminen on yksi laivanrakennuksenkulmakivistä. Opiskelija voi oivaltaa tämän esimerkiksikokemalla, että hänen on helpompi pitää vedellä täytet-tyä koeputkea läikyttämättä kuin saman tilavuuksistatäyttä laakeaa astiaa. Laivoihin rakennetaan tyhjennettä-viä tai täytettäviä varastotankkeja, joiden vapaat nestepinnatvaikuttavat laivan vakauteen. Mitä useampi tankki onvajaa, sitä epävakaampi laiva on. Laivan eri osastot erote-taan toisistaan laipioilla eli vesitiiviillä väliseinillä mahdollistenvuoto-onnettomuuksien varalta. Laipiot rajaavat tiloja niin,ettei vuodon sattuessa laivan sisälle pääse syntymään suu-ria vapaita nestepintoja.

Neljänneksi haasteena on pohtia, millä keinoilla laivasaadaan liikkumaan vedessä. Tämä onnistuu ainakin pot-kurilla, vesisuihkulla, siipirattaalla tai ilmapotkurilla. Eritavoilla liikkuvien laivojen pienoismallien rakentaminenonnistuu kaikenikäisiltä. Viides aihealue liittyy laivannopeuden ja veden aiheuttaman vastuksen riippuvuuteen.Pienoismallia testattaessa on mielenkiintoista havaita japohtia, että liikuttamiseen tarvittava voima ei ole suoraanverrannollinen tavoiteltavaan nopeuteen. Viimeiseksi voi-

daan perehtyä kitkaan. Esimerkiksi jäänmurtajan ja jäänvälinen kitka vaikeuttaa selvästi murtajan liikkumista ja jäänmurtamista. Tämän takia jäänmurtajan ja jään kosketus-pintaa liukastetaan erilaisin keinoin, alus maalataan liu-kaspintaisella maalilla, ja kosketuspintaan suunnataanvesi- tai ilmasuihku.

13

Risteilyalus Color Fantasy:n potkuri. Alus on luovutettutilaajalleen Turun telakalta 3.12.2004.

Rakenteilla luovutettaessa maailman suurin Freedom-luokan risteilyalus Freedom of the Seas, joka valmistuu keväällä 2006 tilaajalleen.

Alumiini aina ympärillämme – opiskelukäynti Alteams Oy:ssä

ALTEAMS OYTuotteet: valetut alumiini- ja magnesiumkomponentitToiminta Suomessa: Jyväskylässä, Laihialla ja OulussaToiminta ulkomailla: Ruotsissa, Eestissä, Venäjällä ja KiinassaVienti: 60–70 %Henkilöstö Suomessa: n. 530www.alteams.com


Alumiini arjessasiMitä yhteistä on matkapuhelimella, mehupurkilla, rekka-autolla ja 40-luvun arkun jalalla? Vastaus on kolmannek-si yleisin alkuaineemme hapen ja piin jälkeen. Alumiini onkevyttä, korroosiota kestävää ja lujaa, hyvin muovautuvaa,lämpöä ja sähköä johtavaa sekä kierrätettävää. Kevytme-tallikomponentteihin erikoistunut Alteams Oy toimittaa alu-miinin ominaisuuksia hyödyntäviä tuotteita tilauksestatietoliikenne-, auto-, elektroniikka-, konepaja- ja tervey-denhoitoalan teollisuudelle. Alteamsissa voi opiskellamateriaalifysiikkaa asiantuntijoiden johdolla.

Paine paikallaanMiten 150 kPa paine, jollainen vallitsee yli 10 km merenpinnan alapuolella, liittyy rekka-auton astinlautaan? Sata-kiloisen ihmisen astuessa astinlaudalle yhden jalan varas-sa kohdistuu siihen vain noin 3 kPa:n paine. Myös mat-kapuhelimen valmistuksessa on käytetty hyvin suurta pai-netta?

Alteams tuottaa alumiinin painevalumenetelmälläJyväskylän toimipisteessä muun muassa matkapuhelimienja niiden tukiasemien osia, mutta myös autojen ja kodinelektroniikkalaitteiden osia ja runkoja. Jyväskylän toimi-pisteessä käytetään painevalumenetelmää ja alumiinipii-yhdisteitä. Koulun kanssa toteutettavista yhteistyömah-dollisuuksista kertoivat asiaan myönteisesti suhtautuvatkehityspäälliköt.

Painevalumenetelmässä alumiini sulatetaan ensinsuuressa, 700 °C:ssa uunissa ja kuljetetaan trukilla isoissalämpöeristetyissä astioissa valukoneille. Metallisula syö-

tetään sulkuvoimaltaan 1500–16500 kN:n valukoneissasuurella nopeudella ja paineella asiakkaan tilauksen mukai-sesti teräksestä valmistettuun kestomuottiin. Valun jälkeenkappaletta vielä työstetään automaation avulla. Jälkityö-vaiheet ovat koneistus, jäysteiden poisto ja pintakäsittely.

Valmistusmenetelmänä painevalun kilpailuvalttejaovat, hyvä mittatarkkuus ja erinomainen pinnan laatu.Tämän todetakseen opiskelija voi kierroksen lopuksi mää-rittää tuotantohallin mittahuoneen tarkoin säädellyissäoloissa jäähtyneen valukappaleen mitat 3d-mittalaitteellasekä määrittää valukappaleen tiheyden. Elektronisesti voi-daan mitata myös valukappaleen lämpökapasiteetti, lujuus,sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus.

Opiskelijaryhmät AlteamsillaAlteamsilla on runsaasti kokemusta yhteistyöstä koulujenkanssa. Työssään fysiikkaa tarvitsevat asiantuntijat opastavatopiskeltaessa aidossa ympäristössä esimerkiksi mittausta,materiaalifysiikkaa tai lämpöoppia. Mittausta opiskeltaessavoidaan mittahuoneessa perehtyä mm. sähkönjohtavuu-den, lujuuden, paineen ja lämpötilan määritykseen. Mate-riaalifysiikkaa opiskeltaessa näitä mittauksia tehdään yri-tyksen valmistamille metallisille valukappaleille, joidenominaisuuksia verrataan keskenään. Lämpöopista yrityk-sen arkeen kuuluvat erityisesti lämpölaajeneminen, läm-pökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja paine.

14

Peruskoululaisia opiskelukäynnillä Alteams Oy:ssä.

Puusta paperiksi-nopeammin, laadukkaammin, puhtaammin

K uinka pitkä on yhtä paperikonetta kuljettavien rekka-autojen jono? Tämän 64 rekka-autoon Jyväskylässä

lastatun paperikoneen määränpää voi olla toisella puolellamaapalloa, esimerkiksi Kiinassa tai Kanadassa. Mitenruuhkasta selvitään määränpäässä, kun tämä erilaisillapaperikoneen osilla lastattu 50 kilometrin pituinen rekka-autojono saapuu purettavaksi paperikonehallin pihalle?

Metso Paper Oy on maailman johtava sellu- ja pape-riteollisuuden koneiden, laitteiden ja järjestelmien toi-mittaja. Yritys toimittaa asiakkaan tilauksesta vaikkapakokonaisen 10 metriä leveän paperikonelinjan, jolla teh-dään jopa 110 kilometrin tuntivauhdilla sellusta tai hiok-

keesta valmista paperia, kartonkia tai pahvia. JyväskylänRautpohjassa runsaan 50 hehtaarin laajuisella tehdas-alueella sijaitsevat paperikoneen tuotanto koelaborato-rioineen, ajankohtaista tietoa opettava teknologiakeskussekä paperikoneiden huoltokeskus. Metso Paper Oy:nsuurimmassa toimipaikassa eri osastojen – myynti jamarkkinointi, suunnittelu, tutkimus, laaduntarkkailu ja tes-tauslaboratorio sekä prosessianalyysi – osaajat kertoivattyöstään ja ideoivat yhteistyömahdollisuuksia.

Tutkimus ja tuotekehitysTutkimus- ja tuotekehitysosastolla kehitetään uutta tek-nologiaa yhteistyössä mm. yliopistojen ja TKK:n kanssa.Tällä osastolla viihtyvät ihmiset, jotka haluavat kehittääuutta ja kehittyä itse. Uutta teknologiaa kehittävän eri-koistutkijan Risto Taljan ja paperikoneen ajettavuudesta vas-taavan tuotekehityspäällikkö Matti Kurjen työ on vaihte-levaa ja vauhdikasta. Siihen sisältyy ihmisten tapaamisia eripuolilla yritystä, maata ja maailmaa sekä kehittämistyötäpäätteen ääressä. Metrin levyisellä koepaperikoneella tes-tataan uusia ideoita ja koetuotetaan paperia asiakkaidenlähettämästä raaka-aineesta. Koekoneen paperia voivatopiskelijat tutkia paperilaboratoriossa.

Myynti ja projektianalyysiosastoMyyntiosastolla voi tavata diplomi-insinööri Antti Ketolaisenja tekniikan lisensiaatti Hannu Korhosen. Kehitysinsinöö-rinä Antti Ketolainen kehittää tutkimusosaston tutki-mustyön pohjalta myynnin prosesseja. Paperikoneen tilaa-ja siis kertoo Antille toiveensa, joiden pohjalta Anttimitoittaa paperikoneen kokonaisuuden tietokoneensa

15

Paperikoneen pituus on 150 m ja korkeus sekä leveys 10 m.

METSO PAPER OYPäätuotteet: sellu- ja paperiteollisuuden prosessit, laitteet, koneet ja niihin liittyvä asiantuntemusToiminta Suomessa: mm. Jyväskylässä, Järven-päässä ja ValkeakoskellaToiminta ulkomailla: 30 maassaVienti: 90 %Henkilöstö Suomessa: n. 4500 www.metsopaper.com


fysiikkaan perustuvilla mallinnusohjelmilla. Hannu työs-kentelee projektianalyysiosastolla, joka toimii myynnintukena ja määrittelee sen, minkälaisia takuita myytävällepaperikoneelle voidaan luvata. Fysiikan laaja ymmärtä-minen on kummankin, koko paperintuotantoprosessin hal-litsevan osaajan työn perusta. Esimerkiksi heidän on työtätehdessään huomioitava samanaikaisesti sekä mekaniikan,materiaalifysiikan, lämpö- että sähköopin lait.

SuunnitteluPaperikonetta ei osteta kuin autoa kaupasta, sillä myydyksikutsutun paperikoneen osia ei ole vielä valmistettu: mitoit-tamista seuraa suunnittelu. Asiakkaan vaatimusten tark-kaan toteuttamiseen tarvitaan kone-, automaatio- ja teh-dassuunnittelua. Konesuunnittelussa työskentelevä osas-topäällikkö Antti Leinonen vastaa paperikoneen viira-osan suunnittelusta. Antin työ on tietokonepohjaista jasiinä keskeisellä sijalla on teknillinen mekaniikka. Hänentyökaverinsa, Metso Paperilla 30 vuotta erilaisissa tehtä-vissä työskennellyt kehitysjohtaja Erkki Yli-Kokko kertoo tar-vinneensa työssään erilaisten fysiikan ilmiöiden koko-naisvaltaista ymmärtämistä ja erityisesti myös tutkimisentaitoja. Heidän työhönsä kuuluvat lisäksi paperikoneen jopauseita tonneja painavien osien kuljetusjärjestyksen ja kul-jetuksen suunnittelu, jossa tarvitaan erityisesti dynamiikanja statiikan osaamista. Tehdassuunnittelu taas vastaapaperikoneen kokoamisesta osaksi asiakkaan vaatimustenmukaisesti toimivaa tehdashallia.

Laaduntarkkailu Laaduntarkkailuosasto vastaa siitä, että tuotteet lähtevätasiakkaalle juuri halutunlaisina. Työhön sisältyy paljonmittaamista, sillä osien pituuden, leveyden ja korkeudenlisäksi mitataan lujuutta, painetta, tasaisuutta jne. Mit-taustulokset syötetään tietokoneen 3D-mallinnusohjel-maan, joka tarkistaa, että ne ovat yhteensopivat pape-rintuotantoprosessin kanssa. Laatupäällikkö Jukka Lind ontämän osaston paineastialaatupäällikkö ja maalauskoor-dinaattori. Hän muun muassa valvoo, että paineastian tur-vallisuusmääräykset tulee täytettyä. Hänen käyttämänsämittarit kalibroidaan NTP -oloissa säännöllisin väliajoin fysiik-kaan perustuvilla menetelmillä, joihin opiskelijat voivattutustua laaduntarkkailuhuoneessa.

PaperilaboratorioPaperilaboratorion päällikkö (eli prosessianalyysiosaston jakoelaitoksen laboratorioiden päällikkö) filosofian maiste-ri Tuulia Kärkkäinen vastaa laboratorioiden toiminnasta.Paperilaboratoriossa tutkitaan koelaitoksen tuottamia taiasiakkaiden analysoitavaksi lähettämiä paperinäytteitä.Näytteestä määritetään mm .neliömassa ja sen vaihtelut

mikroskooppisen tarkasti, erilaisia lujuusominaisuuksia,imukyky ja optisia ominaisuuksia. Analyysin tulostenperusteella pyritään osastojen yhteistyöllä kehittämäänpaperin valmistanutta konetta. Lopuksi myynti antaaasiakkaalle suosituksen paperikoneen tietyn osan kun-nostamisesta tai uusimisesta.

Opiskelu Metso Paperin kanssayhteistyössäMetso Paperilla voidaan opiskella esimerkiksi kokeelli-sesti materiaalifysiikkaan, mekaniikkaan, mittaamiseenja lämpöoppiin liittyviä aihekokonaisuuksia, sillä nämä ovatolennainen osa yrityksen päivittäistä kehitys- ja tutki-mustyötä. Esimerkiksi jos teemaksi valitaan materiaalify-siikka ja siitä paperitutkimus, ennakkotyöskentely voisisältää joitakin paperilaboratorion mittausten kou-lusovelluksia. Opiskelija voi ottaa opiskelukäynnille mukaanpalan koulussa tutkimastaan paperista tarkempaa analyysiävarten. Metso Paperin laboratoriossa paperin tutkimista jat-ketaan elektronisesti ja tarvittaessa mikroskooppisen tar-kasti. Kun tulokset viedään prosessianalyysiosastolle, pai-kalla oleva diplomi-insinööri kertoo niiden perusteella, mikäpaperikoneen osa tulisi uusia tai korjata, jotta päästäisiinparempaan paperin laatuun.

Statiikkaa opiskeltaessa voidaan esimerkiksi suunni-tella yhden hyvin painavan paperikoneen osan turvallinennosto yhdellä, kahdella tai kolmella taljalla. Dynamiikan teh-tävänä suunnitellaan osan kuljetus rekka-autolla, junallatai laivassa, joissa kiinnityksen on kestettävä matkan aika-na tapahtuvia kiihdytyksiä. Lämpöoppi liittyy esimerkiksivalmiin paperikoneen läpi kulkevan paperimassan kuiva-tukseen: prosessin aikana paperimassan kosteus pienenee95 %:sta 5 %:iin. Tässä prosessissa tarvitaan ensinnäkinpaljon erilaisia teloja, jotka puristavat veden pois paperista.Lisäksi tarvitaan lämmittäviä sylintereitä, joiden päältäkulkevaa paperia kuivataan muuttamalla vesi höyryksi.

16

Tuulia Kärkkäinen mittaa paperinäytteen ilmanläpäisevyyttä.

Miten teettämän?

O piskelu yhteistyössä yrityksen kanssa on prosessi,johon osallistuvat omalla panoksellaan opettaja,

opiskelijat ja yrityksen edustaja. Oheisessa taulukossa onhahmoteltu kunkin roolia. Opettaja tuntee opiskelijansaja erityisesti hän tuntee fysiikan opetuksen tavoitteetsekä sisällöt. Siksi hän on avainasemassa. Prosessinsuunnittelussa ja toteutuksessa päärooli on siis koulul-la, erityisesti niillä opettajilla, jotka yhteistyöhön sitou-tuvat.

OPETTAJA

• valitsee opiskeltavanaiheen

• ottaa yhteyden yritykseen

• tiedottaa

• suunnittelee opiskelu-käynnin yhdessä yrityksen edustajankanssa

• sitoo opiskelukäynninopetukseen ja koulun-käyntiin

• ohjaa oppilaidenennakkotyöskentelyäja sitouttaa heidät pro-sessiin

• hoitaa käytännönjärjestelyt

• osallistuu opiskelu-käyntiin ja on yrityksenedustajien tukena

• ohjaa, tukee ja edistääoppilaiden jatko-työskentelyä

• pyytää palautetta

• arvioi toteutusta jatekee kehitysideoita

• suunnittelee ja sopii jatkosta yrityksenkanssa

YRITYKSEN EDUSTAJA

• suunnittelee opiskelu-käynnin yhdessä opettajan kanssa

• tiedottaa

• voi käydä koululla tai toimittaa esittely-materiaalia

• hoitaa käytännönjärjestelyt

• ohjaa työskentelyä yrityksessä

• vastaa jatkokysymyksiin

• käy koululla pyydettä-essä

• pyytää palautetta

• arvioi toteutusta ja tekee kehitysideoita

• suunnittelee ja sopii jatkosta

• kartoittaa yrityksen tilaisuuksia, joihin opiskelijat voisivat tulla esiintymään

OPISKELIJA

• voi ehdottaa opettajalleopiskelukäynnin järjestä-mistä

• tutustuvat teemaan jayritykseen

• valmistavat kysymyksiäesitettäväksi yrityksenedustajille

• aktiivista opiskelua

• jatkaa työskentelyä

• raportoi kokemuksistaan suullisesti tai kirjallisesti

• arvioi työskentelyään japrojektia

• antaa palautetta ja kehitysideoita

17

Opettajan, opiskelijan ja yrityksen edustajan roolit opiskeluprosessissa.

Valmistelut

Ennakkotyöskentely

Opiskelukäynti

Jatkotyöskentely

Palautetta ja kehitysideoita

6

?!Muistilista

• Mieti, mikä aihe sopisi opiskeltavaksi yhteistyössä yri-tyksen kanssa.

• Kartoita koulun lähellä olevia yrityksiä ja tutustu niidennettisivuihin.

• Muista, että yhteistyötä voi tehdä hyvin erilaisten jaerikokoisten yritysten kanssa.

• Ota muita opettajia mukaan jo suunnitteluvaiheessa.

• Älä unohda opiskelijoitasi, kysy myös heidän kiinnos-tuksensa kohteita ja toiveita jo suunnitteluvaiheessa.Ota heidät suunnitteluun mukaan.

• Pohdi, mitkä tavoitteet opiskelulle asetat.

• Valitse opiskelun tavoitteiden ja sisältöjen perusteella yritys.

• Tutustu yritykseen tarkemmin esimerkiksi netin kauttaja mieti, miten tahdot opiskelijoittesi siellä opiskelevan.

• Ottaessasi yhteyttä valitsemaasi yritykseen pyydä saadapuhelimeen henkilö, joka vastaa koulujen kanssa teh-tävästä yhteistyöstä. Jos tällaista henkilöä ei yrityksessäole nimetty, niin keskustele toimitusjohtajan kanssa.

• Käy yrityksessä perehtyäksesi siihen yksityiskohtai-semmin.

• Esittele yrityksen edustajille valmiita ideoitasi, mutta olemyös avoin heidän ehdotuksilleen.

• Valmistaudu perustelemaan, mitä hyötyä yritykselle onyhteistyöstä.

• Tiedota rehtorille ja vanhemmille suunnitelmista.

• Hoida aikataulut ja kuljetus hyvissä ajoin. Yhteistyössäyrityksen edustaja voi myös olla avuksi.

• Keskustele opiskelijoiden kanssa opiskelukäynnistä jasiihen liittyvästä kokonaisuudesta tehtävineen.

• Mieti, miten tuet opiskelijoittesi omaa aktiivisuutta, jokapalkitaan rikkailla kokemuksilla.

• On myös muita mahdollisia yhteistyön muotoja, esi-merkiksi yrityksen edustajat voivat tulla koululle pitä-mään opetustuokioita.

• Pitkäkestoisesta yhteistyöstä tehdään sopimus, jonkaallekirjoittavat toimitusjohtaja ja rehtori, jotta henkilö-vaihdoksetkaan eivät pääse vaikeuttamaan yhteistyötä(ks. s.9, ABB:n palautetta ja kehitysideoita).

• Opiskelijat voivat itse laatia toisilleen tehtäviä opiskelu-käynnillä.

• Opiskelijat voivat ”vakoilla” pareina yhtä yrityksen työn-tekijää yhden työpäivän ajan tai muutaman tunnin jaraportoida muulle luokalle seuraamansa henkilön työn-kuvasta, koulutustaustasta ja siitä, mihin hän työssäänfysiikkaa soveltaa. Jos mahdollista toteuta tämä koulunopinto-ohjaajan kanssa yhteistyössä.

Miten suunnittelet tehtäviä?Opettaja tuntee opiskelijansa ja yrityksen edustaja yrityk-sensä. Niinpä opiskelijoille suunnatut tehtävät laaditaanyhteistyössä yrityksen asiantuntijan kanssa. Tehtäviä laa-ditaan ennakkotyöskentelyä, opiskelukäyntiä ja jatko-työskentelyä varten.

Fysiikkaan liittyviä tehtäviä suunniteltaessa voi esittääitselleen esimerkiksi seuraavanlaisia kysymyksiä:

• Mikä fysiikan ilmiö on sovelluksen taustalla?

• Mitä fysiikan tietoja ja taitoja liittyy tuotteiden valmis-tusmenetelmiin?

• Mitä fysiikan tietoja ja taitoja tarvitaan laaduntarkkai-lussa? Mitä suureita siellä mitataan ja miten se onnis-tuu?

• Mitä fysiikan tietoja ja taitoja tarvitaan tuotteen ja val-mistusprosessin kehittämisessä?

• Mitä fysiikan tietoja ja taitoja tarvitaan epäsuorasti tuo-tantoprosessiin liittyvien asioiden suunnittelussa, muunmuassa työergonomian ja työturvallisuuden tarkkailus-sa ja parantamisessa?

• Miten yrityksessä hyödynnettävien fysiikan sovellustenyhtenäinen fysikaalinen hallinta perustuu fysiikan perus-lakeihin ja teorioihin?

• Miten saa opiskelijat tekemään kysymyksiä?

• Miten saan opiskelijat tekemään yrityksestä tehtäviä?

18

• Tunnettavuus lähiympäristössä lisääntyy.

• Luo positiivista julkisuuskuvaa.

• Kiinnostus teknisiä ja matemaattis-luonnontieteellisiä aloja kohtaanlisääntyy.

• Yritys luo kontaktin mahdollisiin tulevaisuuden työntekijöihinsä.

• Yritys alkaa elää ympäristölleen, erityisesti nuorille.

Mitä hyötyä yritykselle on koulujenkanssa tehtävästä yhteistyöstä?

A ker Finnyardsin mekaanikko lukee englanninkielistäSOLAS-sopimusta eli kansainvälistä meriturvallisuus-

sopimusta ja soveltaa sitä käytäntöön osaamansa hydro-statiikan ja trigonometrian perusteella. Tässä tarvittavientietojen ja taitojen perusteet hän on oppinut koulussa erioppiaineiden tunneilla. Yrityksen kanssa yhteistyössä to-teutettu opetus on luonnollinen tapa yhdistää eri oppiai-neiden opiskelu toisiinsa. Kun opiskelu yrityksen kanssatoteutetaan mahdollisimman monen eri oppiaineen opet-tajan kanssa yhteisenä projektina, käytettävissä on enem-män resursseja.

Taulukkoon sivulla 20 on koottu esimerkkejä siitä, mi-tä muiden aineiden oppisisältöjä voisi opiskella tässä op-paassa esitellyissä yrityksissä.

Kuvataiteilija, biologi, diplomi-insinööri ja kemisti te-kevät Metso Paperilla yhteistyötä valitessaan maalia pa-perikoneen pintaan. Heidän on ymmärrettävä toisiaan, jo-ten kukin heistä tarvitsee koulussa oppimiaan väriopin,mikrobiologian, orgaanisen kemian, elektrolyysin jne. pe-rusteita. Kun osaajat soveltavat työssään peruskoulussa jalukiossa oppimiaan tietoja ja taitoja, ei kysytä oppiainei-den rajoja. Kun fysiikkaa opiskellaan yrityksessä, on luon-nollista käsitellä myös matematiikan, käsityön, kuva-taiteen, kemian, historian jne. sisältöjä.

Esimerkiksi tässä oppaassa fysiikan opiskelun kan-nalta esitellyssä Alteams Oy:ssä erään koulun opiskelijatovat tutustuneet maamme historiaan yrityksen eri aikoinavalmistamien tuotteiden näkökulmasta. Tuotteet kertovaterilaisista aikakausista: pienikokoisten matkapuhelimienuusimpien mallien runkoja valmistetaan sarjatuotantonaeri aikakautena kuin metallisia arkunjalkoja. YhteistyössäAlteamsin kanssa saman koulun opiskelijat ovat myös tuot-taneet osaajista ja heidän työnsä luonteesta kertovaa ku-vataidetta (www.OpeNet.fi).

Yritysten matematiikka, kemia ja fysiikka löytyvätusein yritysten tietokoneilta erilaisina mallinnuksina ja si-mulaatioina, joiden monipuolisiin mahdollisuuksiin kan-nattaa tutustua. Opiskelija voi esimerkiksi ideoida ja mal-lintaa oman tuotteensa sekä toteuttaa äidinkielen tunnil-la tästä tai valitsemastaan tuotteesta esitteen käyttöohjei-neen sekä tuotteen esittelyn. Kuvataiteen tunnilla tuot-teesta voi tehdä mainoksen tai mainosvideon. Yritysten

henkilöstölehdissä julkaistaan mielellään opiskelijoiden kir-joittamia ja kuvittamia artikkeleita, jotka kertovat opiske-lukäynnistä. Saman artikkelin levikkiä voi lisätä julkaise-malla sen koulun lehdessä ja www-sivuilla. Yrityksestä ker-tovaa esittelyvideota tai www-sivuja tehtäessä erityisestityöelämä ja osa tulevaisuuden mahdollisuuksista avautu-vat opiskelijalle.

Opinto-ohjauksen tavoitteita ja sisältöjä toteutetaanopiskelukäynnillä luontevasti. Esimerkiksi ABB:llä opiske-lijat tapasivat työntekijöitä, joilla oli heille entuudestaantäysin tuntemattomia ammattinimikkeitä. Nimikkeidenkirjo oli suurempi kuin he olivat etukäteen kuvitelleet. Hekertoivat oppineensa projektin aikana myös teollisuudenorganisatorisesta puolesta, siitä ”miten tehdas toimii”.

Ympäristömyönteisyys on yrityksen kilpailuvaltti. Sik-si kaikilla yrityksillä on oma ympäristönsuojeluohjelman-sa, mutta mitä sen sisältö tarkoittaa? Tästä otetaan selvääyhdessä yrityksen edustajien kanssa opiskellen samalla bio-logiaa, kemiaa ja yhteiskuntaoppia. Ympäristöystävällisyyson otettava huomioon jo tuotantoprosesseja suunnitelta-essa. Esimerkiksi Metso Paper tarjoaa oivallisen mahdolli-suuden yhdistää biologian opiskelu opiskelukäynnin ko-keelliseen työskentelyyn. Koulusta mukaan otetulle petri-maljalle otetaan näyte paperimassasta. Näyte peitetäänravintoliuoksella. Kun se saa olla lämpimässä paikassamuutamia päiviä, nousee esiin kirjava kasvusto. Näytettävoidaan tutkia mikroskoopilla. Miltä paperin kuitujen so-lut näyttävät? Ovatko soluseinät ehjiä? Miltä mikrobikas-vusto näyttää aivan läheltä katsottuna?

Perusopetuksen tulee paitsi tarjota perustietoa tek-nologiasta, sen kehittämisestä ja vaikutuksista, myös opas-taa järkeviin valintoihin ja johdattaa pohtimaan teknologi-aan liittyviä eettisiä, moraalisia ja tasa-arvokysymyksiä kai-killa eri yhteiskunnan tasoilla (POPS 2004; s. 36). Fysiikanhistoriassa on useita keksintöjä, jotka ovat herättäneet eet-tistä keskustelua. Eettiset kysymykset ovat edelleen ajan-kohtaisia. Myös yrityksen jokapäiväiset valinnat sisältäväteettisiä kysymyksiä. Kun yrityksen toimintaa tarkastellaanetiikan näkökulmasta, eritellään valintojen taustalla vai-kuttavia arvoja ja verrataan niitä yrityksen arvopohjaan, jo-ka puolestaan heijastelee yhteiskunnan senhetkisiä arvoja.Etiikka siis läpäisee niin fysiikan kuin yrityksetkin. Monetopiskelijat ovat kiinnostuneita siitä, millaisia arvoja liittyyelämän eri osa-alueisiin, joihin myös fysiikka kuuluu. Opis-kelukäynnin yhteydessä kannattaakin herättää keskuste-lua etiikan näkökulmasta ja tarkastella yrityksen arvoja.

Usean eri oppiaineen tavoitteita ja sisältöjä toteutta-van opiskelukäynnin valmistelut aloitetaan jo silloin, kunsijoitetaan kursseja kurssitarjottimelle. Näin haluttujenkurssien aikataulut saadaan sopimaan yhteen.

19

7 Vain fysiikkaako?

20

ABB OY

• kestävä kehitys,ympäristökysymykset

• design (muotoilu & värit)

• mainonta (mm. valokuvaus &graafinen suunnittelu)

• pienoismallit(kolmiulotteisuus,mittakaavat & materiaalit)

• materiaalit• suunnittelu• erilaiset työstö-

menetelmät ja -välineet

• työturvallisuus

• tilastot ja toden-näköisyys

• yrityksen historia heijastelee paikallis-historiaa ja joissaintapauksissa myös laajempaa esim.kansallista historiaa

• Useiden yritysten viral-linen kieli on englantija niiden esittelymate-riaali on valmistettumonella eri kielellä

• esittelyvideo, artikkelitai www-sivut

• esitys yrityksen tilaisuuteen

• selostukset ja esittelyt• paneelit• väittelyt• käyttöohjeet

• eettiset ja yhteiskun-nalliset kysymykset

• polttoaineet,palaminen, maalit

AKER FINNYARDS OY

• limnologia, hydrologia,ympäristökysymykset







• koordinaatisto,trigonometria


• Useiden yritysten viralli-nen kieli on englanti janiiden esittelymateriaalion valmistettu monellaeri kielellä




• eettiset ja yhteiskunnal-liset kysymykset

• eletrolyysi, korroosio,veden ominaisuudet

ALTEAMS OY

• kestävä kehitys,ympäristökysymykset







• geometria







• korroosio, metallit

METSO PAPER OY

• mikrobiologia,ympäristökysymykset







• mittakaavat, toden-näköisyys







• puunjalostus,epäorgaaniset aineet,kemikaalit

SUUNTO OY

• ihmisen biologia,ympäristökysymykset







• funktiot ja tilastot tietojen käsittelyssä







• kemikaalit, muovit

Esimerkkejä siitä, mitä muita sisältöjä fysiikan opiskelukäynnin yhteydessä voidaan opiskella oppaassaesitellyissä yrityksissä.

BIOLOGIA

KUVATAIDE

KÄSITYÖ

MATEMATIIKKA

HISTORIA

VIERAAT KIELET

ÄIDINKIELI JA KIRJALLISUUS

FILOSOFIA

KEMIA

LähteetAmpuja, Annika; Pro Gradu -tutkielma; Helsingin yliopisto; valmisteilla 2005

Levävaara, Hannele; Yhteistyö prosessina; 2005, www.OpeNet.fi

Levävaara, Hannele; Koulu osana yhteiskuntaa – näkökulmiakoulu ja yritysmaailmasta; Kemia tänään& Ilmiöt ja ihmekoneet-koulutus Iisalmi 17.–18.9.2004 julkaisematon luentomateriaali

Lukion opetussuunnitelman perusteet 2003; Opetushallitus

Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet 2004; Opetus-hallitus

Vanhatalo, Suvi; Pro Gradu -tutkielma; Helsingin yliopisto;valmisteilla 2005

www.OpeNet.fi

Haastattelut:

ABB Oy:opiskelukäynnit 11.3 ja 16.3.Simo Ahoniemi, työnjohtajaIlkka Hanhivaara, TKK:n laboratorioinsinööri, fysiikan työpajantöiden ohjaajaTuulikki Jutila, TKK:n opiskelija, fysiikan työpajan töiden ohjaajaJuha Kivioja, sähkösuunnitteluinsinööriTeemu Lievonen, työnjohtajaMarjut Ojala, henkilöstökonsultti, oppilaitossuhdevastaavaErkki Olin, työsuhdepäällikköSaija Pääkkönen, tuotekehitysinsinööri

Aker Finnyards Oy:Matti Nallikari, suojelupäällikkö; tapaaminen 2.6.2005

Alteams Oy:Heikki Heinänen, tuotekehityspäällikkö; tapaaminen 3.7.2005Kaija Ojanperä, henkilöstöpäällikkö; tapaaminen 3.7.2005Pasi Puranen, tuotekehityspäällikkö; tapaaminen 3.7.2005

Metso Paper Oy:Erkki Yli-Kokko, Suunnittelu; tapaaminen 1.6.Antti Ketolainen, kehitysinsinööri, tapaaminen 1.6.Hannu Korhonen, valmistussuunnittelija, osavalmistus, tapaaminen 1.6.Matti Kurki, tuotekehityspäällikkö, tutkimus ja tuotekehitys,tapaaminen 2.6.Tuulia Kärkkäinen, laboratoriopäällikkö, Prosessiteknologia,tapaaminen 2.6.Antti Leinonen, osastopäällikkö, viira- ja puristinsuunnittelu,tapaaminen 1.6.Jukka Lind, laatupäällikkö, laadunvarmistus, tapaaminen 2.6.Satu Pennanen, henkilöstön kehittäjä, tapaaminen 1. ja 2.6.Risto Talja, erikoistutkija, tutkimus ja tuotekehitys,tapaaminen 2.6

Suunto Oy:Opiskelukäynti 22.4.2005 ja tapaaminen 26.5.2005Mikko Martikka, tutkimusinsinööri

Tehtävät

T ehtävät on suunniteltu tukemaan fysiikan opiskeluayhteistyössä yritysten kanssa. Fysiikan opettaja ja yri-

tysten asiantuntijat ovat laatineet ne yhdessä, joten niis-sä toteutuu fysiikan opetukselle asetetut tavoitteet jamonipuolisesti yritysten arjessa ilmenevä fysiikka. Kuhun-kin tässä oppaassa esiteltyyn yritykseen on omat yritys-kohtaiset tehtävät. Viimeisenä ovat työturvallisuuteen,ergonomiaan ja etiikkaan liittyvät tehtävät, jotka soveltuvatkäytettäviksi toteutettaessa opiskelua minkä tahansa yri-tyksen kanssa. Useat tehtävät soveltuvat käytettäviksisekä perusopetuksen että lukion fysiikan opiskelussa.Osa tehtävistä on lukiotasoisia. Monet tehtävät ovatmyös sovellettavissa perusopetuksen alaluokille erityises-ti luokille 5 ja 6.

Oppaan sivulla 17 olemme esittäneet kaavion opiskelustayhteistyössä yritysten kanssa. Niinpä tehtävät on suosi-tuksenomaisesti jaoteltu ennakkotyöskentelyyn,opiskelukäyntiin ja jatkotyöskentelyyn liittyviksi.

Tehtäviä voi käyttää sellaisenaan tai niitä voi muokataomaan opetukseen soveltuviksi. Toivomme niiden olevanmyös ideapankki, kun laaditte omia tehtäviä ja toteutat-te fysiikan opiskelua yhdessä paikkakuntanne yritystenkanssa.

Tehtävät ovat vapaasti kopioitavissa, ja ne löytyvätmyös sähköisessä muodossa Teknologiateollisuus ry:nOpeNet -internetpalvelusta, kuten koko opas.

21

f ENNAKKOTYÖSKENTELY

h OPISKELUKÄYNTI

i JATKOTYÖSKENTELY

Tehtävien jaottelun symbolit.

”Roottori + staattori = ?”

Tehtäväsi on rakentaa sähkömoottori annetuista tarvikkeista.

Kuinkahan se tapahtuu?

Kirjoita havainnot vihkoosi.

Tarvikkeet:

• lakkaeristeistä kuparilankaa 1,5 – 2 m

• A-paristo

• iso klemmari, 2 kpl

• pieni kestomagneetti, 3 kpl

• hiekkapaperia

• pahvinpala

Kierrä kuparilankaa kuvan mukaisesti pariston ympärille noin 15kierrosta. Jätä vyyhdin kummallekin puolelle noin 10 cm verransuoraa lankaa. Kiinnitä näillä vyyhdin kierrokset yhteen ja suoristaloppuosat moottorisi akseliksi.

Hio eriste pois akselin kummastakin päästä YHDELTÄ PUOLELTA.Käytä pöydän reunan suojana pahvin palasta.

Kiinnitä kolme pientä kestomagneettia pariston kylkeen. Oikaisekaksi klemmaria kuvan mukaisesti.

Pidä klemmareita pariston napoja vasten kuvan mukaisesti, ja ripustakäämi /roottori akseliensa varassa klemmareihin. Anna sille hiemanvauhtia. Havainnoi.

Jos tämä olisi auton moottori, mihin pyörät kiinnitettäisiin?

Mikä saa rakentamasi roottorin pyörimään?

Mikä saa auton moottorin roottorin pyörimään?

Vertaa rakentamaasi moottoria leikkiauton moottoriin.

Tee hypoteesi siitä, mitkä rakenteelliset seikat vaikuttavat mootto-risi toimintaan. Testaa hypoteesisi.

Vertaa rakentamaasi moottoria yrityksessä valmistettaviin isoihinmoottoreihin ja myös generaattoreihin.

Vertailkaa havaintojanne.

22

Tehtäviä ABB Oy:ltä

f

h

i

Opiskellaan moottorin ja generaattorin fysiikkaaTämä kokonaisuus sisältää viisi eri työtä. Ne kannattaa toteuttaa niin, että yksi ryhmä toteuttaa yhden työn ja raportoi kokemuksistaan ja tuloksistaan muille.

Rautasydän ja pomppivat klemmarit

Tehtäväsi on rakentaa sähkömagneetti.

Tarvikkeet: • erikokoisia päällystämättömiä rautanauloja • klemmareita • paristoja • sähköjohtoa

Kierrä rautanaulan ympärille eristettyä sähköjohtoa. Yhdistä johtojen eristämättömät päät pariston napoihin. Kokeile magneettisi voimakkuutta klemmareilla.

Tee hypoteesi siitä, mitkä seikat vaikuttavat sähkömagneettisi voimakkuuteen. Testaa hypoteesisi.

Mihin sähkömagneetteja käytetään yrityksessä? Vertaa yrityksessä käytettäviä sähkömagneetteja rakentamaasi.

Missä muualla käytetään sähkömagneetteja?

Raportoikaa muille ja myös yrityksen edustajille. Laatikaa lisäkysymyksiä yrityksen edustajille.

Kummallinen käämi

Tehtäväsi on tutkia käämin ja magneetin vuorovaikutusta.

Tarvikkeet: • sauvamagneetti • pyöritettävä alusta • yleismittari • käämi • rautasydän

Kytke käämi jännitemittariin. Aseta sauvamagneetti pyöritettävälle alustalle käämin lähelle. Pyöritä magneettia ja seuraa jännitemittarin lukemia.

Tee hypoteesi siitä, miten lukemat muuttuvat, kun käämin sisään laitetaan rautasydän. Testaa hypoteesisi.

Tutki myös mitkä muut seikat vaikuttavat syntyvään jännitteeseen.

Tunnista käämejä yrityksessä. Vertaa yrityksessä käytettäviä käämejä siihen, jota tutkit.

Missä muualla kuin moottoreissa käytetään käämejä?


AC-DC

Tehtäväsi on tutkia vaihtovirtaa.

Tarvikkeet: • oskilloskooppi • taajuusgeneraattori • johtimia • lamppu

Kumpi seuraavista on vaihtovirran ja kumpi tasavirran symboli? Perustele.

Kytke lamppu taajuusgeneraattoriin. Kasvata taajuutta vähitellen lähtien nollasta. Havainnoi.

Laske montako kertaa sekunnissa lamppu syttyy, kun taajuusgeneraattorin antama taajuus on 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz ja 5 Hz. Mitähän yksikkö yksi hertsi tarkoittaa?

Kytke lampun paikalle oskillos-kooppi. Tutki taajuusgeneraattorin antamaa jännitettä taajuuksilla 10 Hz, 100 Hz,1 000 Hz ja 10 000 Hz. Oskilloskoopin vaaka-akseli on aika-akseli ja pystyakseli on jänniteakseli. Miten jännite vaihtelee ajan funktiona eri tilanteissa?

Kuinka vaihtovirta liittyy moottoriin ja generaattoriin?

Selvitä miten vaihtovirta muunnetaan tasavirraksi?


23


f

f

f

h

h

i

i

i

Magneettijarru

Tehtäväsi on tutkia magneetin vuorovaikutusta eri metallien kanssa niiden liikkuessa toistensa suhteen.

Tarvikkeet:

• kaksi sauvamagneettia • pitkä alumiini ja rautaputki• iso hevosenkenkämagneetti • jäykkävartinen heiluri

• umpinainen ja kampamainen alumiinilevy

Aseta rauta- ja alumiiniputki pystyyn pehmeää alustaa vasten. Teehypoteesi siitä, mitä tapahtuu kun pudotat niihin samanaikaisestisauvamagneetit. Testaa hypoteesisi.

Laita alumiinikampa heilurin päähän. Aseta hevosenkenkä-magneetti siten, että kampa heilahtaa sen lävitse ollessaan alimmalla kohdalla.

Tee hypoteesi siitä, mitä tapahtuu kun vaihdat tilalle umpinaisenalumiinilevyn. Testaa hypoteesisi. Selitä ilmiöt.

Moottorin eri osissa voi syntyä pyörrevirtoja, missä? Mitä haittaa niistä on moottorin toiminnalle? Kuinka niitä pyritäänestämään?

Missä pyörrevirtoja hyödynnetään?


Yks, kaks, kol, yks, kaks kol…Tehtäväsi on tutkia kolmivaihemoottoria.

Tarvikkeet: • auton pienoismallin moottori • kolme käämiä ja rautasydämet • sauvamagneetti • pyöritettävä alusta • kolme jännitemittaria

Aseta käämit pieneksi ympyräksi, 120 asteen kulmiin toisiinsa nähden. Vie käämeihin rautasydämet. Yhdistä käämeihin jännitemittarit. Aseta sauvamagneetti pyöritettävälle alustalle käämien keskelle. Tee hypoteesi, mitätapahtuu kun pyörität magneettia. Mieti myös, miten magneetin pyörimisnopeus vaikuttaa ilmiöön? Testaa hypoteesisi.

Pura sitten pienoismallin moottori varovasti. Tutki, onko se kolmivaiheinen. Nimeä sen osat: roottori ja sen käämit sekä rautasydämet, staattori, virrankääntäjä ja akseli.

Kuinka monivaiheisia ovat isot risteilylaivoihin valmistettavat atsibodymoottorit?


24


f

f

h

h

i

i

Polttaako puhelimesi? Tiedätkö, miten lämpöoppi liittyy kännykkääsi?

Alteamsin valutuotteita käytetään muun muassa langattoman viestinnän tarpeisiin, joten kännykkäsi runko voiolla yrityksen painevalukoneessa valmistettu. Alumiinista valmistettu runko on puhelimen tukiranka, johon muutosat kiinnitetään. Valettaessa runkoa siitä tehdään ensin muotti, joka sitten täytetään nopeasti sulalla (t = 700 °C)alumiinilla.

a) Piirrä kännykkäsi rungon valumuotti oikeassa mittakaa-vassa. Ota huomioon alumiinin lämpölaajeneminen sekäpituus- että leveyssuunnassa. Pituuden lämpölaajenemis-kerroin on oheisessa taulukossa.

b) Tee edellisestä yleinen ohje; Kuinka monta prosenttia suu-rempi on muotin oltava valmiiseen tuotteeseen verrat-tuna?

c) Vertaa valukappaleen ja sen muotin mittoja. Pitääkö laati-masi ohje paikkansa?

d) Kuinka paljon energiaa on siirtynyt kännykkäsi rungostasitä ympäröivään rautamuottiin, kun se on jähmettynyt ja jäähtynyt tuotantohallin lämpötilaan (t = 25 °C)? Kuinka paljon rautamuotin (m = 300 kg) lämpötila suurenee?

e) Alumiinilla on hyvä lämmönjohtokyky. Mihin tarkoituksiin alumiinia tämän vuoksi käytetään? Missä hyvästälämmönjohtokyvystä on haittaa?

Paine paikallaan Luettele tilanteita, joissa käytetään suurta painetta. Tiesit-kö, että myös kännykkäsi rungon ja monen kodin koneenvalmistuksessa on käytetty yhtä suurta painetta kuin, mikävallitsee meressä 10 km syvyydellä?

Alumiinin painevalussa sula alumiini (t = 700 °C) syötetäänsuurella paineella (P = 500 kPa) muottiin. Kuvassa oikeallavastakappaleensa kanssa identtinen muotin puolikas. Ala-kuvassa on painevalukoneen kaaviokuva.

25

Tehtäviä Alteams Oy:ltä

Alumiini Rauta

Tiheys (kg/m3, 20 °C) 2,70 x 103 7,87 x103

Pituuden lämpötilakerroin (/K) 2,32 x 10–5 11,7 x10–5

Ominaislämpökapasiteetti (kJ/(kg x K)) 0,900 0,450Lämmönjohtavuus (W/(m x K)) 237 80,4Sulamispiste (K) 930 1262Kiehumispiste (K) 2 740 2750Ominaissulamislämpö (kJ/kg) 397 276Ominaishöyrystymislämpö (MJ/kg) 10,9 6,80

f

f

h

i

1. a) Kuinka suuri muotin lukitusvoiman on vähintään

oltava, jotta muotti pysyy täytettäessä paikallaan?Muotin paksuus (1 mm) voidaan jättää huomioi-matta.

b) Kuinka suuri voima kohdistuu mäntään, jokapurskauttaa tällä voimalla muotin täyteen alu-miinisulaa? (Oletetaan männän halkaisijan olevantäsmälleen tulokanavan suuruinen.)

c) Kuinka suuri tulisi sinun massasi olla, jotta seistes-säsi aiheuttaisit maahan yhtä suuren paineen kuinpainevalukone muottiin?

2. a) Mikä on suurin yrityksessä havaittava paine?

Miten sen voi havaita?

b) Valitse yksi yrityksen työntekijä ja ”vakoile” hän-tä. Mitä hän tekee työkseen?

Mitä hänen tulee tietää paineesta? Entä mitä mui-ta fysiikan tietoja ja taitoja hän tarvitsee?

3. a) Painemittarin kalibrointilaitteisto on esitetty

oheisessa kuvassa. Mihin laitteiston toimintaperustuu?

b) Kalibrointilaitteen punnuksen alla olevan levynpinta-ala on yhtä suuri kuin A4- paperin ala. Tau-lukkoon on koottu erään kalibrointimittauksentulokset. Laske mittarin suhteellinen virhe.

Alumiini arjessasi Kuvaile minkälainen metalli alumiini on. Alumiini on mukana päi-vittäisessä elämässäsi: liikkuessasi autolla, junalla, lentokoneel-la, polkupyörällä sekä jopa valmistaessasi ruokaa.

Mihin tarkoituksiin alumiinia käytetään a) keittiössä, b) kulku-välineissä, c) tietoliikenteessä ja rakentamisessa?

Ainutlaatuisten ominaisuuksien (keveys, kestävyys ja lujuus, muo-vailtavuus, korroosion kestävyys, lämmön- ja sähkönjohtavuus,saatavuus, kierrätettävyys) vuoksi alumiinin käyttö kasvaa jatku-vasti ja uusia käyttökohteita ja sovellutuksia kehitetään yhäenemmän. Alumiini onkin heti raudan jälkeen eniten käytettymetalli maailmassa.

1. Sijoita oheiseen taulukkoon oikeille paikoilleen seuraavattiedot:

a) 2,70 x 103 kg/m3 ja 7,87 x 103 kg/m3

b) 0,450 kJ/(kg x K) ja 0,900 kJ/(kg x K)

c) 237 W/(m x K) ja 80,4 W/(m x K)

d) 1262 K ja 930 K

2. Mitä etuja saavutetaan kun käytetään raudan sijasta alumiiniaa) elintarvikepakkauksissa, b) kuljetusalan koneissa ja laitteis-sa, c) rakentamisessa, d) elektroniikkalaitteissa?

3. Missä alumiinin käyttökohteissa on erityisesti hyötyä sen

a) keveydestä, b) kestävyydestä ja lujuudesta, c) muovailta-vuudesta, d) korroosion kestävyydestä, e) lämmönjohtavuu-desta f) sähkönjohtavuudesta, g) kierrätettävyydestä? Miksi?

4. Alla olevassa taulukossa on esitetty alumiiniseosten eri seos-aineiden vaikutus seoksen ominaisuuksiin. Valitse sopiva seos-materiaali seuraaviin tuotteisiin: matkapuhelimen mittatark-kuutta vaativat osat, kilpapyörän runko, sähköuunin luukku,kattila, auton pinta, kerrostalon katto…Perustele valintasi.

5. Alumiini on arvokas kierrätysmetalli, joka saadaan helpostieroteltua muista metalleista yhä uudelleen hyötykäyttöön.Kaikesta alumiinijätteestä palautuu uusiokäyttöön kolmeneljäsosaa, mikä on kansantaloudellisesti merkittävää. Kirjoi-ta tarina alumiiniatomi Allun matkasta jogurttipurkin kan-nesta lentokoneen osaksi.

26


m (kg) mittarin näyttämä paine (kPa)

1 0,1486

15 2,229

100 14,860

300 44,580

500 74,300

Alumiini RautaTiheys 20 °C:ssa (kg/m3)

Ominaislämpökapasiteetti (kJ/(kg x K))

Lämmönjohtavuus (W/(m x K))

Sulamispiste (K)

Seosaine Vaikutus ominaisuuksiin

Kupari (Cu) Tekee seoksista karkenevia, siis lisää lujuutta ja kovuutta, haitallinen vaikutuskorroosionkestävyyteen

Pii (Si) Alentaa sulamispistettä ja parantaa juoksevuutta.

Pii (Si) ja magnesium (Mg) Tekee seoksesta karkenevan ja antaa sille hyvän korroosionkestävyyden.

Magnesium (Mg) Parantaa lujuutta ja kovuutta vaikuttamatta korroosiokestävyyteen ja hitsattavuuteen.

f

h

i

h

i

1. Tiheys

Suunnitelkaa menetelmä, jolla voitte määrittää alumii-ni-, rauta- ja kuparikappaleiden tiheydet. Toteuttakaakoe ja verratkaa tuloksia keskenään.

Miksi matkapuhelimen ja lentokoneen runko on tehtyalumiinista eikä esimerkiksi raudasta?

Määrittäkää valetun alumiinikappaleen tiheys yrityksenkäyttämillä menetelmillä laaduntarkkailuhuoneessa.

Verratkaa koulussa ja opiskelukäynnillä saamiannetuloksia ja käytettyjä menetelmiä. Raportoikaa muille.

2. SähkönjohtavuusSuunnitelkaa menetelmä, jolla voitte mitata alumiini-,rauta- ja kuparikappaleiden sähkönjohtavuutta. To-teuttakaa koe ja verratkaa tuloksia keskenään.

Mistä materiaalista tekisit tämän perusteella sähköjoh-timen?

Mitatkaa valetun alumiinikappaleen sähkönjohtavuusyrityksen käyttämillä menetelmillä laaduntarkkailuhuo-neessa.

Onko hyvä sähkönjohtavuus tarpeen tässä valukappa-leessa? Entä mitä etuja saavutetaan, kun auton mootto-rin rungoissa käytetään alumiinia raudan sijasta?

Verratkaa koulussa ja opiskelukäynnillä saamianne tu-loksia ja käytettyjä menetelmiä. Raportoikaa muille.

3. Paine1. Määritä jalkapohjiesi pinta-ala (A) käyttämällä avuk-

sesi esimerkiksi ruutupaperia.

2. Laske oma painosi (G).

3. Laske, kuinka suuren paineen aiheutat seistessäsi.(Paine on suoraan verrannollinen voimaan ja kääntä-en verrannollinen voiman vaikutusalaan.)

Lukekaa valukoneen painemittarista, kuinka suurta het-kellistä painetta käytetään painevalussa. Laske, kuinkapaljon sinun tulisi painaa, jotta kohdistaisit maanpintaanyhtä suuren paineen, kuin valukoneessa käytetään. Mikäolisi silloin massasi?


4. Lujuus

Tarkastele alumiinifolion lujuutta ripustamalla alumiini-folion suikale toisesta päästään ilmastointiteipin varas-sa roikkumaan. Kiinnitä ilmastointiteipillä sen toiseenpäähän roikkumaan punnuksia yksi kerrallaan kunnessuikale katkeaa. Vertaa tulosta jonkun toisen materiaalin(esimerkiksi muovipussin muovin) lujuuteen. (vinkki: Ver-taaminen onnistuu kätevästi, kun teet koepaloista sa-mankokoisia.)

(Voidaan toteuttaa Laihian yksikössä)

Mittaa valukappaleen veto- ja taivutuslujuus yrityksenkäyttämällä tietokonepohjaisella mittalaitteella.


5. Lämpölaajeneminen

Ota kaksi metallimittaa, joista toinen on tehty alumii-nista ja toinen jostakin toisesta metallista, esimerkiksiraudasta. Laita mitat yöksi pakkaseen. Ota mitat pakka-sesta ja vertaa mittojen mitta-asteikkoja keskenään. Ver-taa niiden mitta-asteikkoja myös muovimittaan. Mitähuomaat? Miten tämä ilmiö tulee huomioida alumiini-kappaletta valettaessa?

Vertaa muottia ja valmista tuotetta: Mitä huomaat?Määritä muotin ala ja vertaa sitä valmiiseen valukappa-leeseen? Kuinka monta prosenttia on varattu lämpölaa-jenemiselle?


Vinkki: Alumiinista löytyy paljon koululaisille sopivaksityöstettyä oheismateriaalia: esimerkiksi Tekno-logiateollisuus ry:n julkaisusta nimeltä 13Al taisivuilta www.alumiini.fi.

27


f

f

f

h

h

i

if

f

h

h

hi

i

i

Mitä voidaan mitata? Tehtävänäsi on tutkia ryhmäsi aiheeksi valittua alumiinin erityisominaisuutta koulussa ja opiskelu-käynnillä yrityksen laaduntarkkailuhuoneessa.

Tarvikkeet: • metallikappaleita (esim. alumiini-, rauta- ja kuparikappale) • 1/2 litran mitta • alumiinifoliota • alumiinimitta • rautamitta

28

Tehtäviä Aker Finnyards Oy:ltä

Laske laivaNäissä tehtävissä tavoitteesi on ratkaista muutama laivanrakennuksen arkipäiväinen ongelma.Piirrä kuvat vihkoosi ja laske.

1. Laivan perään halutaan kiinnittää lipputanko 45 asteen kulmassa kuvan mukaisesti. Lipputangon massa on 100 kg ja se päätetään tukea yläpäästään narulla laivaan kiinni.

a) Kuinka suurta jännitysvoimaa langan täytyy kestää?

b) Kuinka suuri on lipputangon alapään tukivoima?

2. Purjeveneen puomi on 15 m pitkä ja sen massa on 150 kg.

Kuinka suuri on puomia kannattelevan nostimen tukivoima, kun se muodostaa maston kanssa 40 asteen kulman?

3. Kuinka paljon vettä syrjäyttää risteilyalus, jonka massa on 6500 tonnia?

Apua, nestepinta vapaana!1. a) Missä väliaineissa laiva liikkuu?

b) Selvitä, miten väliaineen vastusta voidaan vähentää?

c) Mitkä seikat vaikuttavat väliaineen vastuksen suuruuteen? Miten?

2. Nykyään tehdään yhä suurempia ja suurempia loistoristeilijöitä.

a) Selvitä, miten laivojen massa on muuttunut viime vuosikymmenien aikana.

b) Mihin ja miten laivojen massan suureneminen vaikuttaa?

3. Valitkaa ryhmänne tarkkailun kohteeksi yksi alustyyppi alla olevasta listasta:• risteilijä • tankkeri • rahtilaiva • tutkimusalus • jäänmurtaja • puolustusvoimien alukset

a) Kuvailkaa alustyyppiänne. Mitä erityisominaisuuksia sillä on?

b) Miten tämän alustyypin erityisominaisuudet on otettava huomioon aluksen suunnittelussa ja valmistuk-sessa?

c) Verratkaa alustyyppiänne muihin alustyyppeihin.

Tässä työssä tutustut yhteen laivanrakennuksen oleelliseen käsitteeseenja tutkit sen merkitystä.

Tarvikkeet: kaksi saman tilavuuksista astiaa, joista toinen on halkaisijaltaan mah-dollisimman suuri ja toinen mahdollisimman pieni. Nämä kaksi astiaaedustavat työssä kahta erilaista laivan mallia.

a) Tee hypoteesi siitä kumpaa ”laivaa” on helpompi pitää läikyttämättä,kun olet täyttänyt astiat vedellä? Testaa hypoteesi. Kirjoita havain-tosi vihkoon.

b) Kaada molemmista astioista puolet vedestä pois. Heiluttele astioitaniin, että saat veden loiskumaan astian reunoille. Kirjoita havaintosivihkoon.

c) Miten havainnoimasi ilmiö vaikuttaa laivanrakennukseen?

if tai

h

i

29

Tehtäviä Aker Finnyards Oy:ltä

Tasapaino hukassaTarvikkeet: • erimuotoisia ja erimateriaalisia kelluvia kappaleita • laakea vesiastia • styroksipala (esim. 10 cm x 10 cm x 2 cm) • metallikuula

1. Tutki erilaisten kappaleiden tasapainoa pöydällä ja vedessä. Tee hypoteesi siitä, millaisissa asennoissa erilaisetkappaleet pysyvät kelluessaan. Kuvaile tilanteet vihkoosi. Testaa hypoteesi.

Ovatko saman kappaleen tasapainoasennot erilaisia, jos se asetetaan veden sijaan tason, esim. pöydän, päälle?

2. Tee isoon styroksipalaan kuoppia, joihin voit upottaa metallikuulan. Aseta pala kellumaan veteen ja asetakuula johonkin kuopista.

Tee hypoteesi siitä, mitä tapahtuu, kun muutat kuulan paikkaa. Tutki mitä tapahtuu, kun kuulan paikkamuuttuu.

Missä asennoissa tämä pala on kulloinkin tasapainossa? Tee työselostus.

Väliaine vastustaa1. LaivanrakennusTässä työssä on tarkoitus rakentaa liikkuva laivan pienoismalli.

Käytössäsi on oheiset tarvikkeet. Suunnittele ja rakenna niistä laivan pienoismalli joka liikkuu vedessä. Laivanmaksimipituus on 25 cm. Pohdi ensin miten saat laivasi liikkumaan. Piirrä laivan suunnitelma vihkoosi ja toteutasuunnitelma.

Tarvikkeet:

• tyhjiä metallipurkkeja • tyhjiä 1/2l muovipulloja • pala styroksia • maitotölkkejä • kuminauhoja • puurimoja • metallilankaa • ilmapalloja • korkkeja • mehupillejä

2. Vastusta ja nopeutta

Tutki valmiin tai itse rakentamasi laivan pienoismallin ominaisuuksia.

Tarvikkeet: • mahdollisimman pitkä vesiallas, esim. lasten amme • punnuksia, esim. 50 g, 100 g ja 200 g

Täytä allas melko täyteen. Kiinnitä laivan keulaan naru, josta vedät laivaa.

a) Vedä laivaa kolmella eri nopeudella altaassa (hiljaa, vähän nopeampaa ja nopeasti). Kuinka haluttu nopeusvaikuttaa veden vastusvoiman suuruuteen?

b) Lastaa laiva punnuksilla ja vedä eritavoin lastattua laivaa aina samalla nopeudella (esim. hiljaa). Miten laivanmassa vaikuttaa siihen, kuinka suuri on veden vastustava voima?

c) Tarvitaanko laivan liikkeelle saamiseen suurempi voima kuin tasaisen nopeuden säilyttämiseen?

d) Määritä laivan syrjäyttämän vesimäärän tilavuus eri lasteilla.

3. Mitkä seikat vaikuttavat laivan nopeuteen?

Yksi laivan nopeuteen vaikuttavista seikoista on veden vastus-voima. Sen suuruus on verrannollinen laivan nopeuden kolmanteen potenssiin (ks. kuva).

a) Arvioi kuvaajasta, mikä olisi laivan suurin järkevä nopeus? Perustele vastauksesi.

b) Paljonko tämä nopeus on solmuina?

c) Kuinka monta metriä on yksi merimaili?

f

i

30

Itsepäinen neulaTehtäväsi on rakentaa annettujen ohjeiden mukainen kompassi ja tutkia sen toimintaa.

Tarvikkeet: • sauvamagneetti • pala luonnonkorkkia (leikattu esim. koeputken korkista) • neula • astia, jossa vettä

Sivele neulaa sauvamagneetilla yhdensuuntaisin vedoin muutamia kertoja. Työnnä neula korkin palan läpi ja asetakellumaan veteen.

Vertaa itse tehtyä kompassia teollisesti valmistettuun kompassiin: Aseta astia paperin päälle. Merkitse nyt paperiinkompassisi mukaan pää- ja väli-ilmansuunnat. Kirjoita ne myös asteina, pohjoinen on 0°.

a) Mihin suuntaan kompassin neula asettuu? Miksi se asettuu juuri tähän suuntaan?

b) Vertaa rakentamaasi kompassia kaverin valmistamaan kompassiin. Näyttävätkö ne samaan suuntaan?

c) Vertaa itse rakennetun kompassin osoittamaa suuntaa teollisesti valmistetun kompassin suuntaan. Jos suunnat eroavat toisistaan, selitä miksi ne eroavat?

d) Mieti, mitä haluat tietää kompassin valmistuksesta? Kirjoita vihkoosi kysymyksiäsi, joita voit esittää opiskelu-käynnillä suoraan asiantuntijalle.

e) Vertaa teollisesti valmistettua kompassia itse tekemääsi. Vertaa myös niiden valmistusta ja materiaalivalintoja.

f) Voiko kompassin toiminta perustua johonkin muuhun vuorovaikutukseen kuin kahden magneetin väliseen?

g) Miksi voit käyttää samaa kompassia Helsingissä ja Tokiossa, mutta Sydneyssä tai Rio de Janeirossa et?

h) Miten itse tehdyn kompassin rakennetta voitaisiin parantaa?

i) Kompassin neulan pituus on 3 cm ja se on tuettu keskikohdastaan. Maan magneettikenttä aiheuttaa Australiassaneulan toiseen päähän 300 nNm:n momentin. Kuinka suuri pala rautaa on kiinnitettävä sen toiseen päähän, jottakompassin neula pysyy tasapainossa?

Tietokone ranteessaPohtikaa yhdessä millainen on rannetietokone.

Mitä toimintoja siinä voisi olla?

Miltä rannetietokone näyttää?

Tutustu rannetietokoneeseen ja sen toimintoihin.

Mitä toimintoja rannetietokoneessa on? Mihin ilmiöön kukin toiminto perustuu?

Mitä toimintoja haluaisit omassa rannetietokoneessasi olevan?

Voit ottaa selvää, osataanko niitä jo toteuttaa.

Tehtäviä Suunto Oy:ltä

f

f

h

i

h

i

31

Seuraavien kahden kokonaisuuden tehtävät soveltuvat sekä ennakko- että jatkotyöskentelyyn.

Sähköä rannetietokoneessa

1. Painemittari

a) Jos sukellat ja rannetietokoneesi painemittari näyttää 50 kPa, kuinka syvällä silloin olet?

b) Pysyttelet samalla syvyydellä kuin kohdassa a. Sukellat ison betonilaiturin alle josta 1m on vedenpinnan alla. Pohdi, miten tämä muutos vaikuttaa sinuun kohdistuvaan paineeseen.

c) Voiko painemittaria käyttää muuhun kuin syvyyden selvittämiseen?

2. Sähköä metallilangassa

Tarvikkeet: • ohutta metallilankaa • yleismittari • jännitelähde

a) Kiinnitä metallilanka kahden eristepylvään kiinnikkeen väliin. Kytke jännitelähde langan päihin. Tee hypoteesi siitä, mitä tapahtuu kun suurennat jännitettä. Testaa hypoteesisi. Kirjoita havainnot.

b) Mihin tarkoituksiin ilmiötä voidaan käyttää hyödyksi? Mitä haittaa ilmiöstä saattaa olla?

c) Mittaa langan resistanssi yleismittarilla eri jännitteen arvoilla. Taulukoi tulokset vihkoosi. Esitä graafisesti jännite sähkövirran funktiona. Päteekö Ohmin laki?

d) Selvitä, miten käsite termistori liittyy tähän työhön.

3. Termistori

Tarvikkeet: • NTC- tai PTC -vastus • 2 yleismittaria • lämpömittari • keitinlasi • kuumaa vettä • jäätä

Kytke yleismittari kummankin vastuksen päihin. Mittaa vastuksen resistanssia ja lämpötilaa.

a) Tee hypoteesi siitä, mitä tapahtuu kun lämmität vastusta keitinlasissa olevalla kuumalla vedellä tai jäähdytät keitinlasissa olevalla jäällä. Testaa hypoteesisi mittaamalla resistanssi monessa eri lämpö-tilassa. Taulukoi tulokset vihkoosi. Mikä rannetietokoneen toiminto perustuu tähän ilmiöön?

b) Esitä graafisesti resistanssi lämpötilan funktiona.

c) Ota selville mitä vastusten lyhenteet tarkoittavat.

Suunnat sovussa

Lähdet kulkemaan paikasta A kompassin suuntaan 230 astetta. Kuljet 100 m ja käännyt suuntaan 90 astetta. Jatkat kulkuasi 300 m.

a) Missä suunnassa sinusta katsottuna paikka A on?

b) Kuinka pitkä matka sinulla olisi linnuntietä takaisin paikkaan A?

c) Kun rannetietokone määrittelee ilmansuunnat, se todellisuudessa mittaa jännitteen muutosta. Mikä aiheuttaa jännitteen muutoksen virtapiirissä?

Tehtäviä Suunto Oy:ltä

if tai

if tai

Lujuuden kolmet kasvotMitä paperin eri lujuusominaisuudet vetolujuus, puhkaisulujuus ja repäisylujuus kuvaavat?

Tehkää luokan kanssa hypoteesi siitä, millä paperilaadulla on suurin ja millä pienin veto-lujuus, millä taas puhkaisulujuus ja millä repäisylujuus. Testatkaa hypoteesit seuraavienohjeiden mukaisesti.

Tehkää lujuuskokeet kullekin paperille sekä märkänä että kuivana. Miksi? Vertaa tuloksia keskenään.

Tarvikkeet: • punnuksia • ilmastointiteippiä • 1,5 litran muovipullo • erilaisia papereita

Vetolujuus

Leikkaa näytepaperista kaksi siivua (15 cm x 2 mm), joista toisen laitat aluksi vesiastiaan.Kiinnitä toinen pää ilmastointiteipillä huolellisesti pöydän reunaan. Kiinnitä toiseen päähänkoko paperin leveydeltä ilmastointiteipillä kiinni 50 g:n punnus. Lisää punnuksia, kunnespaperi katkeaa. Toista koe märällä paperilla.

Laske, kuinka suuri on paperin katkeamisen aiheuttanut voima (G). Tämän voiman suh-detta paperin leveyteen sanotaan vetolujuudeksi.

Vetolujuus on siis kääntäen verrannollinen paperin leveyteen ja suoraan verrannollinenkatkeamisen aiheuttaneeseen voimaan. Laske vetolujuudet eri papereille. Ovatko tuloksetvertailukelpoisia? Perustele.

Kestävyysindeksi on kääntäen verrannollinen paperin neliömassaan ja suoraan verrannolli-nen vetolujuuteen. Mihin kestävyysindeksiä voidaan käyttää?

Puhkaisulujuus

Aseta kaksi pöytää siten, että niiden väliin jää noin 15 cm:n rako. Kiinnitä A4-kokoinennäytepaperi pituussuunnassa ilmastointiteipillä pöytien reunoihin. Leikkaa 1,5 litranmuovipullon pohja pois ja kiristä korkki tiukasti. Aseta pullo ylösalaisin keskelle paperia. Yksiryhmän jäsen pitää pulloa kevyesti pystyssä painamatta sitä paperia vasten. Tee hypoteesisiitä, kuinka monta desilitraa pulloon voidaan kaataa vettä ennen kuin paperi puhkeaa.Testaa hypoteesi.

Mihin tarkoituksiin tarvitaan paperia, jonka puhkaisulujuus on suuri?

Selvitä seuraavasta työohjeesta, miten sama mittaus tehdään paperilaboratoriossa:

“A test piece, placed over circular elastic diaphragm, is rigidly clamped at periphery…Hydraulic fluid is pumped at constant rate, bulging the diaphragm until the test pieceruptures. The bursting strength of test piece is the maximum value of the applied hydraulic pressure.”

Paperi paikallaan Laske, kuinka montaa erilaista paperia käytät päivittäin?

Erilaisia papereita ovat muun muassa konekirjoituspaperi, sanomalehtipaperi, aikakauslehtipaperi, wc-paperi, leivin-paperi, voimapaperi, aaltopahvi, silkkipaperi ja kartonki. Kultakin paperilta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia käyttö-tarkoituksensa mukaan.

Minkä ominaisuuksien arvelet tekevän perunasäkkipaperista mainion? Mikä taas tekee talouspaperista laadukkaan taiaikakauslehdestä hienopaperia? Perustele.

Valitkaa ryhmänne tutkittavaksi yksi paperilaatu.

Määritelkää seuraavien ohjeiden mukaan koulussa paperilaatunne

• lujuusominaisuudet • neliömassa • imukyky ja kuivatuskutistuma • optiset ominaisuudet

Metson Paperin paperilaboratoriossa jatkatte tämän paperilaadun tutkimista tarkemmilla menetelmillä.

32

Tehtäviä Metso Paper Oy:ltä

f

Repäisylujuus

Repäise paperia reippaasti sekä pysty että vaakasuuntaan. Kirjoita havainnot.

Koska repäisyjälki etenee kuitujen suuntaisesti, syntyy suorin repäisyjälki paperin ajosuunnassa. Etsi ajosuunta.

Aseta paperit järjestyksen repäisylujuuden mukaan. Vertaa tätä tulostasi muiden tuloksiin.

1. Jatka tutkimuksia Metso Paperin paperilaboratoriossa.

2. a) Mahdollisesti havaitsemasi erot märän ja kuivan paperin vetolujuuden välillä aiheutuvat vetysidosten aukeamisesta. Miten nämä erot on otettava huomioon paperikoneessa?

b) Miten paperin puhkaisulujuutta parannetaan?

c) Miten repäisylujuutta tutkitaan paperilaboratoriossa? Mihin luonnon lainalaisuuksiin menetelmä perustuu?

1. Tutki alumiinifolion lujuusominaisuuksia. Vertaa paperin lujuuteen.

2. Tarkastele teippirullan avulla kulmaa, jolla paperi kelautuu paperikoneessa pois sylinterin kehältä. Teippirulla on tässä paperikoneen sylinteri ja teippi paperi. Vedä teippiä eri kulmissa pois rullalta. Kirjoita havaintosi.Miksi paperin tulokulma ei koskaan ole tangentiaalinen?

3. Lähettäkää raporttinne yritykseen.

Millä muilla paperin ominaisuuksilla on väliä?Mikä erottaa aikakauslehtipaperin sanomalehtipaperista? Entä mikä erottaa sanomalehtipaperin toisesta sanomalehti-paperista? Kaikkia paperilaatuja valmistetaan epähomogeenisesta massasta, jossa on vettä noin 95 %. Tavoitteena onaina tehdä halutunlaisesta paperista mahdollisimman tasalaatuista, jonka kuiva-ainepitoisuus on noin 95 %.

Mitä neliömassa kuvaa? Entä mitähän mahtavat tarkoittaa optiset ominaisuudet? Muun muassa näitä tutkitaan, kuntarkistetaan, onko paperi halutunlaista. Tehkää luokan kanssa hypoteesi siitä, millä paperilaadulla on suurin ja millä pieninneliömassa, millä paras imukyky ja mikä kutistuu eniten kuivuessaan. Testatkaa hypoteesinne seuraavien ohjeidenmukaisesti.

Tarvikkeet: • erilaisia papereita • viivoitin • vaaka • uuni (tai vetokaappi ja silitysrauta)

Neliömassa

1. Punnitse paperi ja määritä sen pinta-ala. Laske tuloksistasi neliömassa.

Vinkki: Mittauksen tarkkuus paranee, kun punnitset usean samanlaisen paperin kerralla ja jaat näin saamasi yhteis-massan punnittavien lukumäärällä.

Mitä neliömassa kertoo? Ovatko tulokset keskenään vertailukelpoisia?

2. a) Tutki neliömassan vaihtelua tarkastelemalla paperinäytettäsi valoa vasten. Vertaile saman paperilaadun, eri pakkauksista otettuja näytteitä keskenään ja myös eri paperilaatujen näytteisiin. Mitä havaitset?

b) Mikä aiheuttaa paperin neliömassan vaihtelut?

c) Kertooko paperin läpi tulevan valon määrä paperin paksuudesta?

3. Laske paljonko painaa rullallinen kutakin paperia. Paperirullan leveys on 10 m, paperin paksuus keskimäärin 6 °m jarullan kokonaispaksuus on 3,5 m. Paperirullan sisällä olevan lieriön muotoisen tampuurin halkaisija on 0,9 m.(Vinkki: Piirrä kuva ja laske tehtävä paperin kuutiomassan avulla.)

ImukykyTutki eri paperilaatujen veden ja rasvan imukykyä seuraavasti: Leikkaa kaksi samankokoista näytettä samasta paperista ja mittaa niiden massa. Anna toisen näytepaperin imeä vettä jatoisen ruokaöljyä näillä aineilla täytetyissä astioissa. Punnitse näytteet uudelleen. Kuivaa sitten paperit uunissa.

Kuinka paljon paperi oli imenyt vettä ja kuinka paljon öljyä? Kuinka suuri osa vedestä haihtui pois uunissa? Entä öljystä?

Missä paperilaadussa imukyvystä on hyötyä ja missä haittaa? (Muste on rasvamainen aine.)

33


f

h

i

Kuivatuskutistuma

Määritä paperinäytteen pinta-ala ja massa läpimärkänä. Kuivata paperi sitten uunissa. Määritä kuivan paperin pinta-ala ja massa. Laske kutistuma.

Optiset ominaisuudetLaita paperipino auringon valoon ja toinen pino samaa paperia mustassa muovisäkissä viereen. Tee hypoteesi siitä, mitä muutoksia tapahtuu, kun annat pinojen olla paikoillaan vähintään kaksi viikkoa. Testaa hypoteesisi.

Mille paperille kannattaa painaa arkistoitavat tiedot?

1. Jatka tutkimuksia Metso Paperin paperilaboratoriossa.

2. a) Miten mikroskooppisia neliömassan vaihteluja tutkitaan paperilaboratoriossa? Mihin tämä menetelmä perustuu?

b) Miten paperin kutistuminen valmistusprosessin aikana otetaan huomioon paperikonelinjalla?

c) Missä työstövaiheessa paperin kosteus alittaa 90 %?

d) Mitä paperin optisia ominaisuuksia tutkitaan paperilaboratoriossa?

e) Mitä muita paperin ominaisuuksia tutkitaan paperilaboratoriossa?

Kootkaa kokemuksienne pohjalta näyttely aiheesta ”Paperi”. Kutsukaa yrityksen edustajat avajaisiin.

Ennakko- tai jatkotyöskentely

Paperi moottoritiellä!1. Pohdi, mitä otsikolla tarkoitetaan.

2. Mieti, kuinka voidaan mitata paperin a) karheutta b) tiiviyttä c) optisia ominaisuuksia monipuolisesti. Kuvaile menetelmätvihkoosi. Vertaa näitä paperilaboratoriossa käytettyihin menetelmiin.

3. a) Piirrä paperikone ennen opiskelukäyntiä. Piirrä paperikoneen viereen sitä käyttävä ihminen oikeassa mittakaavassa.

b) Opiskelukäynnin jälkeen piirrä kuva uudelleen oikeassa mittakaavassa. Vertaile tuotoksiasi.

4. Paperikoneen lukuisat ruuvit väännetään paikoilleen pitkän voimavarren avulla. Telan päähän tulevien 60 ruuvinvääntämiseen tarvittaisiin kiristysvaiheessa 11 000 Nm momentti, mikäli kiristys tehtäisi tavanomaisella 10 cm pitkällälenkkiavaimella. Kuinka pitkä lenkkiavain tarvittaisiin, jotta mekaanikko voisi kiristää ruuvit roikkumalla lenkkiavaimenpäässä? Oleta mekaanikon olevan sinun painoisesi.

5. Suunnittele paperikoneen telan (m = 30000 kg) kuljetus Metso Paperin Jyväskylän tehtaalta Tokioon. Laske, kuinka suuriavoimia kiinnitysten on kussakin tapauksessa kestettävä. Maantieajossa niiden on kestettävä jarrutus 80 km/h vauhdistatäydelliseen pysähdykseen 100 metrin matkalla. Rautatiellä laki vaatii, että sidontavoima on 4G ja laivoissa taas 3G.

6. Paperikoneissa, erityisesti runkomateriaalina, käytetyn teräksen murtolujuus on 37 kg/mm2.

a) Mitä tarkoittaa murtolujuus?

b) Kuinka suuri massa voidaan ripustaa neliskanttisen palkin (3 m x 0,5 m x 1 m) varaan, kun se on valmistettu tästä teräksestä

c) Millainen tulisi olla tästä teräksestä valmistettu palkki, jotta voisit itse roikkua sen varassa?

7. Paperia valmistuu 10 m leveällä paperikonelinjalla jopa 110 km/h vauhdilla. Montako A4-paperia valmistuu tunnissatällaisella huippunopealla koneella?

8. Mikä paperi lentää nopeimmin? Järjestäkää lennokkikilpailu.

34


h

if

Työturvallisuus- ja ergonomia-kysymykset liittyvät niin kodin,koulun kuin yrityksenkin arkeen. Kirjoita vastaukset vihkoosi.

1. Aistien suojaus

a) Kuulo

• Millainen melu on haitallista ihmiselle?

• Voiko melu, jonka taajuus on ihmisenkuuloalueen ulkopuolella, olla haitallis-ta ihmiselle?

• Mitä oleskeleminen liiassa melussa aiheuttaa?

• Miten yrityksessä suojellaankuuloa ja miten voit suojellakuuloasi vapaa-aikana?

b) Näkö• Mitkä seikat ovat haitallisia näkö-

kyvylle?

• Tarvitaanko työssä tarkkaa näkö-kykyä?

• Miten silmiä suojellaan yrityksessä ja miten voit suojella silmiäsi vapaa-aikana?

c) Muut aistit

• Mitä muita aisteja työssä tarvitaan?

• Miten niitä suojellaan ja huolletaan?

2. Sähkötapaturmilta suojautuminen

a) Miten vältyt sähkötapaturmiltakotona, koulussa tai yrityksessä?

b) Mitä merkintöjä sähkölaitteissa on oltava?

c) Miten sähköturvallisuudestahuolehditaan yrityksessä?

d) Mitä haittaa sähköstä on ihmisille?

3. Muu työturvallisuus

a) Mekaaninen:

• Miten yrityksessä vältytään siltä, ettäkukaan ei jää koneiden, kuten trukintai nosturin lastin alle?

b) Magnetismi

• Millaisesta magnetismista voi ollahaittaa ihmiselle? Mitä?

• Onko yrityksessä voimakkaita mag-neetteja? Jos niitä on, miten ne onmerkitty?

c) Säteily

• Millainen säteily on ihmiselle haitallista?

• Onko yrityksessä säteilylähteitä?

• Mitä ja kuinka voimakasta säteilyä ne lähettävät?

• Tarvitseeko siltä suojautua?

• Miten suojautuminen tapahtuu?

• Tarvitseeko sinun ottaa säteily huomioon myös kotona?

d) Lämpö

• Miten tehtaalla vältytään liiankuuman tai kylmän aiheuttamiltavaurioilta (esim. palovammoilta taipaleltumilta)?

• Miten voit välttyä näiltä kotona jaharrastuksissa?

4. Ergonomia• Kuinka huolehditaan siitä, että

kotona on riittävä valaistus? Entäyrityksessä?

• Kuinka kotona ja yrityksessä huo-lehditaan siitä, että työasennot ovatterveellisiä?

• Kuinka riittävästä valaistuksesta huo-lehditaan kotona? Entä yrityksessä?

• Kuinka oikeasta työasennostahuolehditaan kotona ja kuinka yri-tyksessä?

5. Ensiapu• Missä sijaitsevat yrityksen

ensiaputarvikkeet?

• Miten toimitaan tapa-turman sattuessa?

6. Turvallisuudesta huolehditaan organisatorisesti

• Kuka vastaa turvallisuudestasi koto-na ja koulussa?

• Kuka yrityksessä vastaa työturvalli-suudesta?

• Kuka vastaa sinun turvallisuudestasiopiskelukäynnillä?

Tehtäviä kaikkiin yrityksiin

Turvallisuus ja ergonomia kotona, koulussa/työssä, harrastuksissa/vapaa-aikana

Tehtäviä etiikastaja tasa-arvosta

Etiikka eli kysymys siitä kuinkaelää yhdessä oikeudenmukaises-ti, liittyy kaikkeen mitä maail-massa tapahtuu ja on sitenolennainen osa niin sinun kuinyrityksenkin arkea.

Pohdi seuraavia kysymyksiä ryhmässätai yksin. Kirjoita vastaukset vihkoosi.

Ympäristön suojelua) Millaisia vastuualueita yrityksillä

on ympäristön suojelussa?

b) Millainen vastuu sinulla onympäristön suojelussa?

c) Mieti millaisiin ympäristöasioihinyritykset voivat vaikuttaa ja miten?

d) Millaisiin ympäristöasioihin sinävoit vaikuttaa ja miten?

Opiskelukäynnin etiikkaa) Millaisia eettisiä kysymyksiä

opiskelukäyntiin liittyy yrityksenkannalta?

b) Millaisia eettisiä kysymyksiäopiskelukäyntiin liittyy opettajankannalta?

c) Millaisia eettisiä kysymyksiä liittyyyrityksen toimintaan?

Tasa-arvo kysymykseta) Mitä tasa-arvolla tarkoitetaan?

Miten se toteutuu luokassanne?

b) Miten tasa-arvokysymyksetliittyvät kulutustottumuksiisi?

c) Miten tasa-arvoa edistetään?

d) Miten tasa-arvokysymyksetliittyvät yritysmaailmaan?

Tuotteisiin liittyviä kysymyksiäa) Mitä eettisiä valintoja teet

arjessasi?

b) Mitä eettisiä kysymyksiä voit ottaahuomioon, kun valitset itsellesitavaroita, kuten vaatteita, harras-tusvälineitä tai kodin elektroniik-kaa? Entä kun ostat ruokaa?

c) Mitä mahdollisuuksia sinulla onselvittää valitessasi kaupassa uuttatuotetta, onko se valmistettu sinunmoraaliarvoja kunnioittaen?

www.OpeNet.fi

Education

Fysiikka-opas