1. No category

Integroidut tunnit II
Tuntitehtävät
Ledeillä (LED = light emitting diode) toteutettu valaistus on huomattavasti hehkulanka- tai loisteputkivalaisimia parempi hyötysuhteeltaan. Valaisin perustuu puolijohdetekniikkaan, jossa sähkövirta muuttuu näkyvän aallonpituuden sähkömagneettiseksi säteilyksi.
Suunniteltaessa virtapiirejä, joissa käytetään ledejä täytyy huomioida ledien erityispiirteet. Ledit toimivat
aina tasavirralla, ja ledin yli tapahtuu jännitteenalenema, joka on melko vakio vaihdellen vain vähän lämpötilan ja virran mukaan. Käytännössä tämä jännitehukka voidaan ajatella kynnysjännitteenä, jonka suuruinen
jännite tarvitaan ledin yli, että virta alkaa kulkea. Lediä ei koskaan saa kytkeä suoraan virtalähteeseen, sillä
ledin sisäinen vastus on hyvin pieni ja virta voi kasvaa helposti hyvin suureksi tuhoten ledin.
Tehtävä 1
Kalle suunnittelee valaistusta mukaan korkeuksiin. Hänellä on käytössään kolme valkoista lediä, joiden kynnysjännite on 3,5 V ja suurin sallittu virta 50 mA. Lisäksi tarjolla on 12,5 V:n akkupaketti (2500 mAh) sekä
säätövastus 10 – 350 ohmia. Sähköstä on matkalla pulaa, joten Kallen kannattaa tarkasti miettiä tulisiko
ledit asentaa virtapiiriin rinnan vai sarjaan.Laske säätövastuksen sopiva arvo molemmilla kytkennöillä.
a) Laske säätövastuksen sopiva arvo molemmilla kytkennöillä.
b) Laske vastuksen lämmöntuoton tehot.
c) Vastuksen osuus koko virtapiirin tehosta molemmissa kytkennöissä.
d) Kuinka pitkäksi aikaa valoa voi riittää täydellä teholla?
e) Entäpä jos akkupakettiin kytketään 12V/4W merkinnällä varutettu hehkupolttimo. Kuinka pitkä
on paloaika? (Oletetaan että polttimo sietää hieman ylijännitettä ja akku pitää jännitteensä koko paloajan
Tehtävä 2
Yhdysvaltalaisen aurinkolasistandardin (ANSI Z80.3-2001) mukaan aurinkolasin linssi saa päästää UVB säteilyä(280-315 nm) lävitseen alle prosentin. Eurooppalaisen standardin mukaan UV400 merkityt lasit
pysäyttävät oleellisesti kaiken alle 400 nm säteily kriteerin ollessa < 5% <380 nm. Tavallisesti myydyt aurinkolasit toteuttavat molemmat standardit.
UV-säteily vaimenee väliaineeseen vaimenemislain mukaisesti:
,jossa I on linssistä läpi tulleen säteilyn intensiteetti, I0 linssiin kohdistetun säteilyn intensiteetti, α lineaarinen absorptiokerroin ja x linssin paksuus tai valon kulkema matka väliaineessa.
a) Mihin aurinkolasien polarisaatio perustuu?
b) Selvitä 2,2 mm paksun aurinkolasin absorptiokerroin UVB –säteilylle (oleta vakioksi koko aallonpituusalueelle).
c) Laske näiden lasien UVB-säteilyn puoliintumispaksuus.
d) Toisten silmälasien muovilinssien paksuus on 1,3 mm. Laske silmälasien UVB-suodatus, kun absorptiokertoimeksi tiedetään noin 500 1/m.
Huom: Silmälaseissa yleiset polykarbonaattilinssit suodattavat uvb-säteilyä lähes yhtä hyvin kuin aurinkolasit.
Tehtävä 3
Silmän rakenteet.
a) Nimeä oheisesta kuvasta mahdollisimman paljon tunnistamiasi silmän rakenteita?
b) Mitä tiedät niiden toiminnasta/ominaisuuksista?
Tehtävä 4
Mitä voit päätellä oheisista kuvaajista?
Kun ihminen hengittää, keuhkojen kautta siirtyy diffuusion avulla happea vereen ja hiilidioksidia hengitysilmaan. Kaasut eivät kuitenkaan matkaa veressä ”ilmakuplina”, vaan ne ovat liuenneena plasmaan. Henryn
lain avulla voidaan selvittää nesteeseen liuenneiden kaasumolekyylien pitoisuus, kun tunnetaan molekyylien osapaine kaasussa.
, missä
c = kaasun konsentraatio
H = Henryn vakio kyseisellä kaasulle vallitsevassa lämpötilassa
p0 = molekyylien osapaine kaasussa
Henryn laki ei suoraan kuvaa kaasujen kulkua elimistössä, koska pääosa hapesta kulkee sitoutuneena hemoglobiiniin ja suurin osa hiilidioksidista bikarbonaattina. Henryn laki kuvaa siis kyseisen kaasun fysikaalista
liukoisuutta nesteeseen eikä huomioi näitä ”kemiallisia” prosesseja, joiden ansiosta kaasumolekyylejä liukenee ”fysikaalista rajaa” huomattavasti enemmän.
Tehtävä 5
Onneksi lääkintäasema on hyvin varusteltu ja Kallella on mahdollisuus ottaa valtimoverikaasuanalyysi potilaasta. Potilaan arvot ovat seuraavat: pO2 10,2 kPa, pCO2 5,9 kPa, pH 7,37 ja HCO3- 25,5 mmol/l. Kalle ihmettelee hieman arvoja, jotka ovat kohtalaisen normaalit, mutta päättää sitten ottaa kaiken hyödyn irti
tilanteesta. Koska Kalle tietää, että hyperventiloimalla potilaan aivopainetta voidaan hieman helpottaa,
alkaa hän hyperventiloimaan potilasta tavoitteenaan laskea hiilidioksidin osapaine 4,5 kPa:iin. Hiilidioksidin
Henryn vakio on H = 0,40 (µmol l-1 Pa-1) lämpötilassa 20⁰C ja H = 0,25 (µmol l-1 Pa-1) lämpötilassa 37 ⁰C. Hapen Henryn vakio on H = 0,014 (µmol l-1 Pa-1) lämpötilassa 20⁰C ja H = 0,011 (µmol l-1 Pa-1) lämpötilassa 37
⁰C.
Mikä on potilaan valtimoveren pH hyperventilaation jälkeen? Hyödynnä alla olevaa yhdistelmäreaktioyhtälöä elimistön oloissa hiilidioksidi vetykarbonaattipuskurille.
Tehtävä 6
Asetatsoliamidi on diureettinen lääke, jota voidaan pääasiallisen käyttöaiheen glaukooman lisäksi käyttää
vuoristotaudin oireiden ehkäisyyn ja hoitoon. Asetatsoliamidi estää kárbanhydraasi-entsyymiä, joka katalysoi jo ennalta tuttua hiilihappo-bikarbonaattireaktiota (yllä). Kalle antaa potilaalle kaksi 250 mg asetatsoliamiditablettia. Potilaan veritilavuudeksi arvioidaan 5,9 litraa, josta plasmaa on 53 %. Hoidon tavoitteena
on, että plasman vapaan asetatsoliamidin pitoisuus ei laske alle 5,0 μmol/l:n. Plasmassa lääkeainemolekyyleistä 90% kulkee proteiineihin sitoutuneena.
a) Perustele, mistä asetatsoliamidin suotuisa vaikutus kallonsisäiseen paineeseen korkeassa ilmanalassa voisi johtua
b) Mikä on plasman vapaan asetatsoliamidin pitoisuus tunnin päästä lääkkeen otosta? Oletetaan, että
kaikki imeytyvä lääkeaine on jo plasmassa ja asetatsoliamidin erittyminen virtsaan alkaa vasta tunnin lääkkeen otosta.
c) Laske, milloin viimeistään tulisi ottaa seuraava tabletti, jotta plasman asetatsoliamidi pitoisuus pysyisi hoitotasolla. Ajatellaan, että uusi tabletti tulisi ottaa vähintään tuntia ennen kuin edellisen teho laskee alle hoidon tavoitetason. Oletetaan, että asetatsoliamidin puoliintumisaika plasmassa on
6 tuntia.
Kuivassa ilmassa on 78,08 % typpeä, 20,95 % happea, 0,93 % argonia ja 0,04 % hiilidioksidia. Ilmanpaine
laskee korkeuden myötä. Kussakin korkeudessa vallitseva ilmanpaine voidaan laskea oheisen kaavan avulla
(
, missä
)
p0 = merenpinnan tasolla vallitseva ilmanpaine pascaleina
h = korkeus metreissä
L = lämpötilan vajoamisnopeus 0,0065 K/m
T0 = merenpinnalla vallitseva lämpötila 288,15 K
g = maan vetovoima
M = kuivan ilman moolimassa yksikössä kg/mol
R = yleinen kaasuvakio 8,31 J/(mol x K)
HUOM! Kaavassa oletetaan ilman olevan kuivaa ja 15 °C lämmintä. Mikäli kyseessä ei ole kuiva ilma tai ilman lämpötila poikkeaa annetusta, tulee nämä erikseen vielä huomioida.
Lumivyöryairbag suojaa uhrin päätä ja niskaa iskuilta sekä tekee samalla uhrista isomman “kohteen”, jolloin
hän ei painu vyöryn pohjalle vaan jää pinnalle. Lumivyöryairbag toimii paineistetulla ilmalla varustetuilla
metallisylintereillä, jotka sijoitetaan lumivyöryreppuun. Sylinterejä on kahta mallia – kertakäyttöisiä ja uudelleen täytettäviä. Kertakäyttöinen toimii puhtaalla typpikaasulla, uudelleen täytettävä vuorostaan täytetään aina kuivalla ilmalla. Lumivyöryssä uhri vetää laukaisukahvasta, joka vapauttaa sylinterissä olevan paineilman ja repussa oleva kokoon taitettu airbag täyttyy.
Tehtävä 7
Kallella on käytössä kertakäyttöisellä sylinterillä toimiva 150 litran lumivyöryairbag. Sylinteri painaa tyhjänä
555,0 g. Kiivetessään 5900 metrin korkeudessa 40,0 asteen pakkasessa Kalle joutuu pahaksi onnekseen
lumivyöryyn. Hänen onnistuu kuitenkin laukaista airbag, joka täyttyy kolmessa sekunnissa. Kalle hautautuu
osin lumeen (ρ = 0,50 g/cm3).
a) Valmistaja lupaa airbagin täyttyvän aina yli 3500m korkeudella lämpötilan ollessa enemmän kuin 50 °C. Kuinka monta grammaa ilmaa sylinteriin on ainakin puristettu, kun paineeksi sylinterissä tiedetään 250 bar?
b) Mikä on täydessä airbagissa vallitseva paine?
Tehtävä 8
Kallen kiipeilyryhmä käyttää yhteydenpitoon perusleirin kanssa kannettavia radiolaitteita, jotka toimivat 80
MHz:n taajuudella. Yksinkertainen piiska-antenni toimii optimaalisesti, kun sen pituus on neljäsosa käytetyn
taajuuden aallonpituudesta. Antennin syöttöpiiriin on kytketty sarjaan signaalia tuottava jännitelähde, kondensaattori, käämi ja vastus. Tiedetään, että vastus on 365 ohmia ja kondensaattori 4,7 pF. Vaihtoehtoina
piiriin ovat käämit, joiden induktanssit ovat 900 nH 100nH ja 300 µH.
a) Laske antennin optimaalinen pituus.
b) Laske pienin mahdollinen impedanssi antennin piirille.
Vuorilla on myös oleellista huolehtia riittävästä ravitsemuksesta. Kalle on päättänyt panostaa kananmuniin.
Munien säilyvyys ei viileässä ilmanalassa (keskimäärin -15 °C) ole ongelma. Kalle käyttää munien valmistamiseen kattilaa ja retkikeitintä. Keittovettä riittää jään ja lumen muodossa yllin kyllin.
Kalle suosii 58 grammaisia kananmunia, joita hän kotioloissa keittää seitsemän minuuttia. Kalle laittaa kananmunat suoraan jääkaapista (4°C) kiehuvaan veteen. Munan keittoaika voidaan laskea seuraavalla kaavalla: (t on aika minuuteissa, m massa grammoissa)
T
 Tkeittovesi 

t  0,451  m 2 / 3  ln 0,76  muna _ alussa
Ttavoite  Tkeittovesi 

Tehtävä 9
Laske minuutin tarkkuudella aika, jonka Kallen tarvitsee keittää munia 6000 metrin korkeudessa, jotta munien keskustan lämpötila (T_tavoite) vastaisi kotioloja.
korkeus, m
0
1000
2000
4000
6000
8000
kiehumispiste, °C
100
96,8
93,3
87,3
81,3
75,5