Jukka Kärkimaa

4. sija, Kansainvälinen sarja
Jukka Kärkimaa, Tampereen lyseon lukio
Kotipaikkakunta: Hämeenkyrö

On the relation between the surface area in contact and the coefficient of static friction.
(500 euroa)

Kilpailutyö

Pinta-alan ja kitkan suhde johti kriittiseen pohdintaan

Pinta-alan ja kitkan suhde käytännön sovelluksissa oli askarruttanut Tampereen lyseon lukiossa opiskelevaa Jukka Kärkimaata, 18, jo kauan. Erityisesti häntä kiinnosti auton renkaiden ja tienpinnan välisen kosketuspinta-alan vaikutus kitkaan. Hän oli varma, että pinta-ala vaikuttaa kitkakertoimiin, mutta ei vain tiennyt miten.

Lukion fysiikan kurssien alussa selvisi, että laskuissa käytetyn oletuksen mukaan pinta-ala ei vaikuta kitkakertoimen suuruuteen, vaan ainoastaan materiaali. Kirjoissa mainittiin, että kyseessä on arvio, mutta laskut voidaan silti tehdä näin. Tämä jäi vaivaamaan Jukkaa, joten hän halusi tutkia asiaa tarkemmin työssään.

Sysäyksen työlle antoi ristiriita yleisen käsityksen ja fysiikan teorian välillä. Yleensä ajatellaan, että kosketuksissa olevan pinta-alan suuruus vaikuttaa kitkaan. Fysiikassa taas oletetaan, että pinta-alalla ei ole vaikutusta kitkakertoimeen. Työssään Jukka tutki tätä riippuvuussuhdetta. Lisäksi hän halusi tietää, kuinka eri materiaalit vaikuttavat kitkaan, kun kosketuksissa oleva pinta-ala muuttuu.

Työ on rajattu pinta-alan vaikutukseen staattiseen kitkaan tilanteessa, jossa pintojen välinen paine säilyy samana. Jukka mittasi staattisen kitkakertoimen kokeellisesti kaltevan tason avulla kolmella erikokoisella palalla ja neljällä eri materiaaliyhdistelmällä. Lisäksi Jukka pohtii materiaalien vaikutusta teoreettisesti atomitasolla, sillä hän päätyi siihen lopputulokseen, että sen avulla voidaan parhaiten selvittää kitkan pinta-alariippuvuutta.

Tulosten mukaan staattinen kitkakerroin riippuu kosketuksessa olevan pinta-alan suuruudesta. Lisäksi kokeet paljastivat, kuinka pidon suuruus vaikuttaa tähän riippuvuussuhteeseen: mitä parempi pito materiaalissa on, sitä vähemmän kosketuksissa olevan pinta-alan suuruus vaikuttaa staattiseen kitkakertoimeen.

Tutkijan luonne käy esiin

Arvioijien mukaan työ osoittaa tekijältään tutkijan luonnetta: rohkeutta lähteä kokeilemaan oppikirjoissa kritiikittömästi hyväksyttyjen asioiden paikkansapitävyyttä omien epäilyjen pohjalta. Työ saa kiitosta erinomaisen selkeästä kieli- ja ulkoasustaan sekä täsmällisistä ja realistista tavoitteista. Myös mahdollisten virheiden tarkasteluun on kiinnitetty hyvin huomiota. Jukan tekemä koejärjestely on juuri sellainen kuin fysiikassa tuleekin olla, toimiva ja yksinkertainen.