Jos lentävän helikopterin matkustamosta pudottaa roikkumaan paksun köyden, miten köysi käyttäytyy? Tämä yksinkertainen kysymys esitettiin vuonna 2014 Yhdysvalloissa vuosittain järjestettävässä lukiolaisten fysiikkakilpailussa.
Sittemmin kilpailukysymys on herättänyt fyysikkopiireissä kiistelyä oikeasta vastauksesta, joten suositun YouTube-kanava Veritasiumin Derek Muller päätti ottaa asiasta selvän.
Lukiolaisten fysiikkakilpailussa vastausvaihtoehtoja oli viisi. Ennen kuin menemme eteenpäin, voit itse valita vaihtoehdoista mieleisimmän alta. Kysymyksen muotoilu kuuluu suomeksi näin:
”Helikopteri lentää vaakasuoraan tasaisella nopeudella. Taipuisa ja yhtenäinen köysi on ripustettu roikkumaan helikopterista, ja köyteen kohdistuva ilmanvastus on otettava huomioon. Mikä alla olevista kuvaajista kuvaa köyden muotoa parhaiten helikopterin liikkuessa ilmassa oikealle?”
Ennen tosielämän demonstraatiotaan Muller esitti ongelman tilaajilleen, joista suurin osa valitsi vastausvaihtoehdon C. Mutta kysymyshän ei olisi aito fysiikan kysymys, jos oikea vastaus olisi se ilmeisin.
Kysymyksen laatinut Beloit Collegen fysiikan professori Paul Stanley kertoo videolla asiantuntijoidenkin olevan asiasta erimielisiä, eivätkä pienoismallitkaan ole tuoneet kysymykseen yhtä tyhjentävää vastausta. Niinpä Muller vuokrasi helikopterin ja etsi käsiinsä pilotin, joka suostui roikottamaan 15 metriä pitkää köyttä helikopterista. Huolenaiheena luonnollisesti on, että köysi sotkeutuu helikopterin roottoreihin.
Niinpä käytännön koe toteutettiin turvallisuus edellä, ja köysi pudotettiin matkustamon oikealta puolelta varovaisesti siten, että lentäjä pystyi koko ajan pitämään sitä silmällä. Helikopterilla myös lennettiin eteenpäin viistosti, jolloin köydellä oli pienempi todennäköisyys sotkeutua roottoreihin.
Kokeessa käytetty köysi painaa Mullerin mukaan 20 kiloa ja se on 15 metriä pitkä. Ja oikea vastausvaihtoehto on videon perusteella B.
Muller selittää havaittua lopputulosta sillä, että köyteen vaikuttaa kaksi voimaa. Painovoima vetää köyttä alaspäin ja ilmanvastus työntää sitä menosuuntaan nähden taaksepäin. Kun helikopteri lentää tasaisella nopeudella eteenpäin, nämä kaksi voimaa ovat täydellisessä tasapainossa köyden vetosuuntaan nähden.
Kysymyksen todellinen kompa on siis se, kuinka paljon helikopterin roottorien tuottama ilmanpaine vaikuttaa roikkuvaan köyteen. Koe osoittaa, ettei juuri ollenkaan. Myös professori Stanley sanoo, että helikopterin roottorien tuottama ilmavirtaus heikkenee hyvin nopeasti etäisyyden kasvaessa.
Köyden muotoon vaikuttaa myös jännitys, joka kasvaa lineaarisesti kohti kiinnityspistettä. Pienempi jännitys on havaittavissa köyden päässä, joka kieppuu tuulessa.
Vaan mitä jos köyden päähän kiinnitetään paino tai pieni ilmanvastusta kasvattava laskuvarjo? Silloin kuvaan astuu uusia köyteen kohdistuvia voimia, jotka saavat sen käyttäytymään eri tavalla. Oikeat vastausvaihtoehdot löytyvät nekin alkuperäisistä vastausvaihtoehdoista.
Oikeat vastaukset löytyvät videolta, mutta laitamme ne myös videon alle.
Oikeat vastaukset ovat D (paino) ja C (laskuvarjo). Selitykset köyden käytökseen havainnollistavien esimerkkien kanssa löytyvät videolta.
Helikopterikoe ei kuitenkaan ollut aivan ensimmäinen kerta, kun ongelmaa tutkittiin kokeellisesti. New Journal of Physics -lehdessä julkaistiin jo vuonna 2013 tutkimus, jossa 2,08 metriä pitkää ja erittäin ohutta nailonkaapelia pidettiin ilmavirrassa tuulitunnelissa. Tutkijat kokeilivat sekä vapaana päättyvää kaapelia että kaapelia, jonka päässä oli kevyt tai raskas pallo. Vapaan kaapelin tapauksessa teoria ennustaa suoran, vinossa olevan kaapelin – siis juuri kilpailukysymyksen vaihtoehdon B kaltaisen muodon – ja tutkijat havaitsivat kaapelin olevan käytännössä lähes suora. Raskas kappale kaapelin päässä puolestaan muutti kaapelin muotoa selvästi.
Veritasium-kanavalla on esitelty ”mahdotonta tuuliautoa”, josta Tekniikan Maailmakin kirjoitti. Fysiikan kysymyksillä mielellään päätään vaivaavan kannattaakin seuraavaksi suunnata lukemaan tämä: Tämän ei pitäisi olla mahdollista: ”Tuuliauto” kulkee suoraan myötätuuleen 2,8 kertaa tuulta nopeammin – ”Tuntuu, kuin synnyttäisimme energiaa tyhjästä”
Artikkeli on julkaistu alun perin lokakuussa 2021. Sitä on täsmennetty ja laajennettu elokuussa 2026.