Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta


Recent Submissions

  • Lähteenmäki, Tanja (2016)
    Suomen ensimmäinen kuparikaivos, Orijärven kaivos, joka sijaitsee Kiskon alueella Varsinais-Suomessa Salon seutukunnassa. Sulfidimalmeja (Cu, Pb ja Zn) hyödyntänyt kaivos toimi vuosina 1757–1956. Kaivos suljettiin tekemättä sen kaivosalueelle minkäänlaista varsinaista jälkihoitoa. Läheisen Orijärven sedimenteistä on aikaisemmin tehty raskasmetalli- ja piileväanalyysejä, joiden tulokset yltävät vuoteen 2000 asti. Aikaisemmat tutkimukset paljastavat Orijärvenkaivokselta peräisin olevan happaman kaivosvaluman vaikuttaneen haitallisesti Orijärveen kaivostoiminnan aikana ja etenkin sen jälkeen. Kielteisistä ympäristövaikutuksista huolimatta kaivosalueelle ei ole vieläkään tehty jälkihoitosuunnitelmaa tai merkittäviä kunnostustoimenpiteitä. Tutkimuksessa selvitettiin Orijärven kaivoksen rikastushiekka-alueen tämän hetkinen vaikutus Orijärveen ja sen piilevä yhdyskuntiin, kaivoksen historiallisten toimintojen fyysinen sijoittuminen, kaivokselta tulevat kuormitusväylät ja esitellään kunnostustoimenpiteitä alueen jälkihoidoksi. Orijärvestä nostettiin syksyllä 2014 sedimenttinäyte, josta tarkasteltiin piilevien esiintyvyyttä vuosien 2000–2014 aikana piileväanalyysi avulla. Orijärven vedenlaadun tarkastelussa käytettiin lisäksi aiempia tutkimuksia ja Hertta-tietojärjestelmästä kerättyjä vedenlaatutietoja. Tutkimuksessa selvitettiin myös rikastushiekka-aluetta osittain rajaavien turpeella vuorattujen patojen toimivuutta. Kuormitusväylät selvitettiin aiempien tutkimuksien, purojen piileväanalyysien ja valuma-aluemallinnuksen avulla. Tutkimuksen tulokset osoittavat kaivoksen vaikuttavan edelleen haitallisesti Orijärveen. Vedenlaatutietojen ja piileväanalyysin perusteella Orijärven biologinen tila on huono. Orijärven piilevästössä ei ole havaittavissa elpymisen merkkejä ja veden raskasmetallipitoisuudet ovat korkeat. Kaivosalueelta virtaa Orijärveen kaksi kuormitusväylää. Toinen väylä kuljettaa saasteita pohjoiselta kaivosalueelta ja toinen rikastushiekka-alueelta. Rikastushiekka-aluetta osittain rajaavien patojen toimivuutta ei voitu todistaa aukottomasti. Rikastushiekka-alueen lopullisiksi kunnostustoimiksi suositellaan In situ -puhdistusmenetelmiä ja passiivisia vedenpuhdistusmenetelmiä. Kunnostustoimet tulee ulottaa koko kaivosalueelle Orijärveen ja lähiympäristöön kohdistuvan merkittävän ympäristövaikutuksen vuoksi.
  • Veira Canle, Daniel (2016)
    Propeller inspection is mandatory for the safe operation of aircraft. Non-contact damage evaluation on rotating structures requires dedicated measurement techniques. We report on a non-contacting stroboscopic technique that allows inspection of rotating aluminum propellers. To excite Lamb waves we used a Q-switched Nd:YAG laser in synchrony with data acquisition by a Laser Doppler Vibrometer. We detected, sized, and imaged a surface breaking notch on a sample rotating at 415 rpm. The technique showed potential for automatic non-contacting damage detection on rotating structures such as helicopter blades and turbines. The samples, manufactured at the Department of Physics of the University of Helsinki were aluminum blades 130 mm x 76.10 mm x 4 mm in size. One of them was used as a baseline while the other one had a surface breaking rectangular defect that was 5 mm x 10 mm x 2.4 mm in size, situated 35.10 mm from the center of the propeller. The propeller was rotated by a 12 V DC motor connected to a pulse width modulation circuit based on a 555 timer integrated circuit. To detect the movement of the rotating blade, a custom made optical gate was built by using common electronics such as blue LED, a LM311 comparator and a blue enhanced photodiode. All electronics were built in the Electronics Research Laboratory of the Department of Physics. Using C++ programming language we designed an algorithm for scanning the moving target. The code was implemented into an Arduino Mega 2560 microcontroller that was connected to a computer. The user operated the computer which controlled the microcontroller via a Labview program. Two types of scans of the samples were performed. In one type the TX scanned the blade from edge to center while the LDV pickup spot was stationary at the center. From this experiment we were able to determine the distance from the notch to the center of the blade and the length of the defect from time-of-flight measurements. The second type of scan was done by situating the LDV pickup point close to the center of the blade and the excitation point at the far side of it, close to the edge. This time we did not scan with the lasers but we divided the arc path that they follow into even steps. From this experiment we were able to determine the width of the notch as well as its depth based on time-of-flight analysis. The results agree with the expected values. Finally, by doing data selection of the delayed Lamb waves with Matlab R2015 and Blender 2.77a, we were able to do image reconstruction of the notch in a 3D model of the aluminum propeller.
  • Kurppa, Mona (2016)
    This thesis is a case study of the impact of urban planning on local air quality along a planned city boulevard in western Helsinki. The aim of this study is to analyse ventilation and dispersion of traffic-related air pollutants inside street canyons and courtyards in four alternative city block design versions. In particular, whether the format and variation of building height can improve air quality in future planned neighbourhoods and as such, help improve the decision-making process in city planning. The study employs a large-eddy simulation (LES) model PALM with embedded Lagrangian stochastic particle and canopy models to simulate transport of pollutants (air parcels) and the aerodynamic impact of street trees and a surrounding forest on pollutant transport. The embedded models are revised by the author to take into account the horizontal heterogeneity of the particle sources and plant canopy. Furthermore, three-dimensional two-way self-nesting is used for the first time in PALM in this study. High-resolution simulations are conducted over a real urban topography under two contrasting meteorological conditions with neutral and stable stratification and south-western and eastern wind direction, respectively. The comparison of the different boulevard-design versions is based on analysing the temporal mean particle concentrations, the turbulent vertical particle flux densities and the particle dilution rate. Differences in flux densities between the versions show a strong dependence on urban morphology whereas the advection-related dilution rate depends on the volume of unblocked streamwise street canyons. A suggestive ranking of the versions is performed based on the horizontal mean values of the analysis measures (separately for the boulevard, the other street canyons, the courtyards and the surroundings). Considering both meteorological conditions, the design version with variable building height and short canyons along the boulevard outperforms the other design versions based on the ranking. This is especially pronounced in stable conditions. Surprisingly, variability in building shape did not induce clear improvements in ventilation. This is the first high-resolution LES study conducted over a real urban topography applying sophisticated measures to assess pollutant dispersion and ventilation inside street canyons and courtyards.
  • Lampilahti, Janne (2016)
    Atmospheric new-particle formation (NPF) is an important source of climatically relevant aerosol particles. Observations show that local scale variation in the number concentration of freshly formed particles is common inside the boundary layer. This variation remains poorly understood. The aim of this study was for the first time ever to identify, characterize and explain the dominant local scale spatial variation in the number concentration of nucleation mode particles over a rural boreal forest region by analyzing airborne and sufrace-based measurements. The airborne measurements utilized an instrumented Zeppelin NT airship and a light Cessna 172 airplane. The measurement flights took place around the SMEAR II field station in Hyytiälä, Finland between the years 2013–2015. Number-size distributions and number concentrations of aerosol particles were measured down to nucleation mode sizes and the meteorological conditions were surveyed. The most important inhomogeneities, in terms of increase in the number concentration and commonness, were found to be long, less than 10 km wide, boundary layer deep regions of nucleation mode particles that were roughly aligned with the mean flow. These regions were named NPF streets. The number concentration within the NPF streets could increase between 2...10 fold compared to the surroundings. At least one NPF street was observed over the measurement area on at least 43 % of the NPF event days measured. On May 8, 2013 the particle growth rate in the NPF street and in the concurrent regional NPF event was similar (~2 nm/h). Particle growth inside the small measurement area indicates that the particles were forming simultaneously along the length of the NPF street. The NPF streets were found to be linked to horizontal roll vortices due to roll-enhanced NPF. However, only some (adjacent) rolls were able to enhance NPF signifigantly. Because of the large horizontal scale of roll vortex systems and NPF events, coupled with the relatively large increase in number concentration and commonness, the NPF streets might be an important source of aerosol particles over the boreal forest.
  • Xue, Yu (2016)
    Short-chain amines are the most common amines in the atmosphere, which are emitted from various natural and anthropogenic sources. These compounds may cause health effects through inhalation and skin contact. Short-chain amines have been analyzed from food samples, air samples, and environmental aqueous and solid samples. A variety of analytical techniques have been used for the analysis of these amines. Gas chromatography-mass spectrometry is one of the most widely used techniques, with short analysis time, and high selectivity and sensitivity. A sampling and analysis method was developed for the determination of dimethylamine from air samples. Sampling methods based on needle trap device and solid-phase microextraction were compared. Portable gas chromatography-mass spectrometry was used for sample analysis. The method with needle trap device and portable gas chromatography-mass spectrometry was selected for field measurements. The linear range of this method was 5 – 1000 ng, with correlation coefficient over 0.99. The detection limit was 3.49 ng. In field measurements, the sum of dimethylamine and ethylamine was analyzed. The relative amount of dimethylamine and ethylamine was observed to fluctuate in positive correlation with air temperature and relative humidity and in negative correlation with ozone concentration. In addition, when the relative amount of dimethylamine and ethylamine was high, it correlated negatively with total aerosol concentration.
  • Mörsky, Saila (2016)
    Metateesireaktiossa muodostetaan katalyytin avulla uudet kaksoissidokset kahden kaksoissidoksen hiiliatomien välille. Katalyytin keskusatomina on siirtymäalkuaineista yleensä molybdeeni tai rutenium. Molybdeenikatalyytit ovat erittäin reaktiivisia, mutta herkkiä hapelle ja kosteudelle. Ruteniumkatalyyttejä voidaan käyttää veden, alkoholien, happojen tai ilman läsnä ollessa ja ne soveltuvat hyvin laajalle yhdistejoukolle, mutta eivät emäksisille yhdisteille. Yleisimmät heterosyklien muodostamisessa käytettävät reaktiotyypit ovat renkaansulkeva metateesi RCM, enyynimetateesi EM sekä renkaan uudelleenjärjestelymetateesi RRM, jossa tapahtuvat peräkkäin renkaanavaava metateesi ROM- ja RCM-rektiot. Metateesireaktio on termodynaamisesti kontrolloitu tasapainoreaktio. Sen kanssa kilpaileva reaktio on isomerisaatio. Metateesilla voidaan muodostaa ainakin happi-, typpi-, rikki-, fosfori-, boori- ja piiheterosyklejä. Lewisin emäkset eivät toimi käytettävien katalyyttien kanssa hyvin. Esimerkiksi amiinit reagoivat metateesissa huonosti, mutta niiden johdannaiset kuten amidit toimivat paremmin. Rikki puolestaan aiheuttaa helposti katalyyttimyrkytyksen, mutta sen johdannaiset kuten sulfonit, sulfonaatit, sulfonamidit sekä sulfamidit toimivat metateesireaktioissa. Viimeisen vuosikymmenen aikana metateesi on yleistynyt orgaanisessa syntetiikassa menetelmänä valmistaa heterosyklisiä yhdisteitä. Tämän on mahdollistanut helposti käytettävien reaktiivisten katalyyttien kehitys. Nykyisin saatavilla olevat katalyytit eivät kuitenkaan vielä täytä kaikkia vaatimuksia ja tämä rajoittaa reaktion käyttöä.
  • Dimitrova, Maria (2016)
    Ionic liquids are chemical compounds with low symmetry, which is manifested by the existence of the liquid phase below room temperature. A common class of ionic liquids is based on the imidazolium cation and an inorganic anion. The specific structure gives rise to some peculiar properties, including low vapour pressure, thermal and chemical stability, electrical conductivity, catalytic activity, and good solvation ability for both polar and non-polar compounds. The complex non-covalent interactions between the ions give rise to an internal structure with specific distribution of the polar and non-polar moieties. Of particular interest is the cage-like structure suggested by 129Xe NMR spectroscopy, and confirmed by molecular dynamics simulations, as small molecules or noble gas atoms can be embedded in these cavities. Computational studies on ionic liquids can be performed at different levels of theory using a multiscale approach. Molecular dynamics can give the distribution of ion pairs in the bulk structure. Density functional theory allows evaluations of the intermolecular interactions in small clusters. High-level ab initio methods are suitable for calculating thermodynamic properties and interaction energies. In this work, the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium chloride and its interactions with xenon have been investigated using density functional theory calculations. Studies on an isolated pair provided geometrical parameters, and revealed a favourable interaction with a xenon atom. The calculation on a system consisting of four ion pairs showed that the properties of ionic liquids have to be investigated on larger systems in order to avoid artificial interactions. A cluster consisting of 32 ion pairs was optimized at the PBEh-3c/def2-mSVP level of theory. The interaction energy with xenon was found to be 5.4 kcal/mol, which confirms the experimentally observed ability of imidazolium-based ionic liquids to dissolve the noble gas.
  • Haara, Riikka-Mari (2016)
    Capillary electrophoresis is a great option for analyzing metabolomics compounds since the analytes are often charged. The technique is simple and cost-efficient but it is not the most popular equipment because it lacks high concentration sensitivity. Therefore, on-line concentration techniques have been developed for capillary electrophoresis. The aim of this thesis is to give an introduction to the most common on-line concentration methods in capillary electrophoresis, and to demonstrate a novel on-line concentration technique termed electroextraction. Until now, the research of on-line concentration techniques in capillary electrophoresis is mainly focused on methods based on field amplification, transient isotachophoresis, titration incorporated methods or sweeping, which are presented in the literature section. In a two-phase electroextraction, the electrodes are placed in an aqueous acceptor phase and in an organic donor phase, in which the analytes are dissolved. When the voltage is applied, the conductivity difference in the two phases cause high local field strength on organic phase leading to fast migration of the cationic analytes towards the cathode. As soon as the analytes cross the solvent interface, their migration speed decrease and they are concentrated at the phase boundary. In these experiments, a normal capillary electrophoresis analyzer was used with a hanging aqueous phase droplet at the tip of the capillary inlet. The experimental part was carried out at Leiden University, Division of Analytical BioSciences in the Netherlands. An electroextraction-capillary electrophoresis system was built for the analysis of biological acylcarnitine compounds. After the method parameters were assessed with ultraviolet detection, the method was coupled with mass spectrometric detection, and the selectivity and repeatability were briefly tested. Sensitivity was enhanced with the electroextraction procedure but the extraction factors were not satisfactory yet. Selectivity of electroextraction was discovered when the extraction of acylcarnitines was performed using different solvents. All parameters affecting the electroextraction procedure were not tested, and therefore the instability of the method was not completely understood. Thus, the method should be further investigated and optimized. In fact, all on-line concentration methods ought to be optimized for the target analytes in their existing matrix.
  • Aikonen, Santeri (2016)
    Pehmeät Lewishapot, kulta ja platina, koordinoituvat hiili-hiili kolmoissidoksiin aktivoiden niitä nukleofiilien Markovnikovin säännön mukaiselle additiolle. Kyseisten katalyyttien aktiivisuus löydettiin vasta tämän vuosituhannen puolella, mutta tähän mennessä katalyyttien toimintaa homogeenisessa katalyysissä ja erityisesti alkyynien aktivaatiossa on tutkittu jo varsin kattavasti. Tässä työssä kiinnitettiin päähuomio lähdemolekyylien molekyylinsisäiseen uudelleenjärjestymiseen ja molekyylinsisäisten nukleofiilien reaktiivisuuden tutkimiseen. Tämän lisäksi tutkittiin kulta- ja platinakatalyyttien reaktiivisuuseroja. Kohdereaktioksi valittiin intramolekulaarinen hydridinsiirto siirtymämetalliaktivoituun kolmoissidokseen, koska epäreaktiivisten Csp3-H–sidoksien funktionalisointi on monin perinteisin menetelmin osoittautunut hankalaksi. Kultakatalyyttien havaittiin aktivoivan alkyyneja tertiäärisille ja sekundäärisille hydridin luovuttajille. Työssä pyrittiin parantamaan aktivoitujen alkyynien reaktiivisuutta primääristen hydridin luovuttajien kanssa ja haluttua reaktiivisuutta tavoiteltiin etupäässä kohdemolekyyliä muokkaamalla. Työssä suoritetun kattavan laskennallisen tarkastelun ja kirjallisuusvertailun perusteella vaikutti siltä, että on mahdollista saavuttaa selektiivisyyttä kahden kilpailevan reaktion, hydridinsiirron ja ynonien toisiintumisen, välillä oikealla lähtöaineen ja katalyytin valinnalla. Näillä keinoin tavoitellun hydridinsiirron katalysoimisessa ei kuitenkaan onnistuttu, sillä kilpaileva reaktiivisuus, ynonien toisiintuminen, oli vallitseva. Vastoin kirjallisuudessa esitettyä tietoa, ynonin toisiintuminen tapahtui huomattavan helposti, jolloin päätettiin kääntää huomio tämän reaktiomekanismin selvittämiseen. Reaktioita monitoroitiin 1H NMR avulla ja mittaustuloksille tehtiin reaktiokinetiikka-analyysi ja mittauksia tukeva laskennallinen tarkastelu. Kokeellisten ja laskennallisten tulosten (aktivointienergioiden) vastaavuus sekä leimauskokeen antamat tulokset varmistivat reaktiomekanismin olevan bimolekulaarinen molekyylinsisäisen toisiintumisen sijaan.
  • Pääkkö, Teemu (2016)
    Tämä kirjoitus on tarkoitettu Helsingin Yliopiston Tietojenkäsittelytieteen laitokselle tehtäväksi Pro gradu- tutkielmaksi. Tavoitteena on selvittää, mitä käsitteitä sähköisestä potilastiedosta on käytetty sekä miten käsitteet eroavat toisistaan. Lisäksi tarkoitus on selvittää muiden käsitteiden suhdetta sähköisen potilaskertomuksen käsitteeseen. Sen jälkeen selvitetään sähköisen potilaskertomuksen käytöstä toivottuja sekä saatuja hyötyjä. Hyötyjen jälkeen selvitetään sähköiselle potilaskertomukselle asetettuja vaatimuksia. Vaatimusten jälkeen selvitetään sähköisen potilaskertomuksen käyttöön, käyttöönottoon ja vaatimuksiin liittyviä haasteita. Haasteista tarkastellaan läheisemmin yhteentoimivuuden haastetta ja sen ratkaisutapoja. Tarkastellut ratkaisutavat ovat viestipohjainen-, tietovarasto- ja yhteisarkkitehtuuri-ratkaisutavat. Seuraavaksi tarkastellaan korkealla tasolla sähköisen potilaskertomuksen kansainvälisiä standardeja. Loppuosassa työstä tarkastellaan sähköisen potilaskertomuksen openEHR-spesifikaatioita. openEHR-spesifikaatioiden tarkastelussa keskitytään kolmeen abstraktiin spesifikaatioon: viitemalliin, arkkityyppimalliin ja palvelumalliin. Suurin painoarvo on viitemallin ja arkkityyppimallin tarkastelulla. Nämä mallit määrittelevät sähköisen potilaskertomuksen rakenteen tietovarastossa sekä järjestelmässä ajon aikana. Lisäksi mallit määrittelevät menetelmät sähköisen potilaskertomuksen hakemiseksi tietovarastosta. openEHR-spesifikaatiot koetaan kansainvälisesti nykyhetken kattavimmaksi sähköisen potilaskertomuksen standardiksi. Spesifikaatiot huomioivat vuosikymmenten aikana eri projekteissa tehdyn tutkimustyön sekä IT-alan parhaat käytännöt. Ne kattavat sähköisen potilaskertomuksen ja sähköisen potilaskertomuksen vaatiman potilastietojärjestelmän toimintoineen huomioiden esimerkiksi tiedon versioinnin ja terveydenhuollon oikeusturvan vaatimukset. openEHR-spesifikaatioiden sekä openEHR yhteisön avoimen lähdekoodin ratkaisujen ja valmiiden kliinisten käsitteiden pohjalta on hyvä lähteä rakentamaan sähköistä potilaskertomusta ja sen käytön mahdollistavaa potilastietojärjestelmää. Täten tehty järjestelmä on kahden mallin arkkitehtuurin johdosta joustava mahdollistaen nopean reagoinnin terveydenhuollon alati kasvavaan ja muuttuvaan tarpeeseen. ACM Computing Classification System (CCS): Health care information systems Health informatics
  • Kangasaho, Mikko (2016)
    Legacy systems are software systems that hold great value to organizations, but which are difficult to maintain. Legacy systems can be wrapped with a REST wrapper in order to reuse their data and business logic. The motivation for the wrapping is to decouple new development from the legacy system so that the new development is not directly dependent on the legacy system's internals. The hypothesis I've seen in the software industry is that REST wrapping makes new development faster because the complexity of the legacy system does not slow new development down. Eventually the goal is that the legacy system can be incrementally replaced without changes to the clients that use its services via the REST API. This thesis examines REST wrapping by reviewing existing literature. REST wrapping as a concept is placed in the theoretical context of modernization techniques applied to systems in their post-delivery life cycle. In addition to conceptual clarification, two case studies found from the literature and the author's experiences in the software industry are examined to determine whether they support the theoretical models of REST wrapping as a modernization technique. The literature provided support for the notion that REST wrapping provides a low-cost way to reuse legacy systems functionality and data. It was also found to reduce the complexity of developing new functionality on top of a legacy system. The biggest shortcoming of REST wrapping is that it leaves the legacy system mostly unchanged. Like wrapping in general also REST wrapping is a short-term solution to legacy system's problems. It can be seen as a way to buy time to develop a long-term solution for the legacy system. ACM Computing Classification System (CCS): Software and its engineering → Software evolution Applied computing → Service-oriented architectures Information systems → RESTful web services
  • Saarikoski, Kasperi (2016)
    Network-intensive smartphone applications are becoming increasingly popular. Examples of such trending applications are social applications like Facebook that rely on always-on connectivity as well as multimedia streaming applications like YouTube. While the computing power of smartphones is constantly growing, the capacity of smartphone batteries is lagging behind. This imbalance has created an imperative for energy-efficient smartphone applications. One approach to increase the energy efficiency of smartphone applications is to optimize their network connections via traffic shaping. Many existing proposals for shaping smartphone network traffic depend on modifications on the smartphone OS, applications, or both. However, most modern smartphone OSes support establishing Virtual Private Networks (VPNs) from user-space applications. Our novel approach to traffic shaping takes advantage of this. We modified OpenVPN tunneling software to perform traffic shaping by altering TCP flow control on tunneled packets. Subjecting heterogenous network connections to traffic shaping without insight into traffic patterns causes serious problems to certain applications. One example of such applications are multimedia streaming applications. We developed a traffic identification feature which creates a mapping between Android applications and their network connections. We leverage this feature to selectively opt-out of shaping network traffic sensitive to traffic shaping. We demonstrate this by selectively shaping background traffic in the presence of multimedia traffic. The purpose of the developed traffic shaper is to enhance the energy efficiency of smartphone applications. We evaluate the traffic shaper by collecting network traffic traces and assessing them with an RRC simulator. The four performed experiments cover multimedia streaming traffic, simulated background traffic and concurrent multimedia and background traffic produced by simulation applications. We are able to enhance the energy efficiency of network transmissions across all experiments.
  • Savola, Piia (2016)
    Tässä tutkimuksessa käsitellään oppilaiden mekaniikan käsitteellistä osaamista. Tarkemmin osaamista tarkastellaan yläasteikäisten keskuudessa. Erityisesti tarkasteluun on otettu Newtonin liikelakien ymmärtäminen. Teoriaosuudessa tarkastellaan fysiikan opetuksen merkitystä, fysiikan tavoitteita kouluaineena, fysiikkaan liittyviä ennakkokokäsityksiä, fysiikan käsitteiden väärin ymmärryksiä, sekä oppimisvaikeuksia yleisesti. Perusopetuslaki ja opetussuunnitelma antavat fysiikan opetukselle raamit, joten edellä mainittuja asioita peilataan näiden kautta. Peruskoulun mekaniikkaan liittyviä käsitteitä ja termejä käsitellään sillä tasolla, kuin ne voidaan peruskoulussa ottaa esille. Tutkimuksen keskeinen osa on kyselytutkimus. Kysely suoritettiin kahdessa Uudenmaan koulussa syksyllä 2015. Kyselyyn osallistui 148 oppilasta, jotka olivat peruskoulun 7.-9. luokalla. oppilasryhmiä oli 15. Kysymykset liittyivät mekaniikan käsitteelliseen osaamiseen. Newtonin liikelait ovat koulufysiikassa mekaniikan opetuksessa keskeisessä osassa. Tästä syystä kysymyksissä on keskitytty nimenomaan Newtonin liikelakien ymmärtämiseen. Kyselyssä kysyttiin myös oppilaiden parhaaksi havaitsemiaan oppimistapoja, sekä tuen tarvetta fysiikan opiskelussa. Tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella oppilaat osaavat löytää monivalintatehtävistä helposti oikean ratkaisun. Avoimiin kysymyksiin vastaaminen on heikompaa. Oppilaat vastaavat näihin kysymyksiin vaillinaisesti, virheellisesti ja käyttävät oppimiaan fysiikan termejä väärissä yhteyksissä. Oppilaat nimesivät parhaiksi oppimismenetelmiksi kokeellisten töiden tekemisen sekä opettajan opetuksen kuuntelemisen. Tähän tutkimukseen osallistuvien oppilaiden tuen tarve oli kovin vähäistä.
  • Halonen, Roope (2016)
    The first order phase transition, the nucleation process, of a thermodynamic system is one of the basic physical phenomena and it has significant relevance on several scientific fields. Despite the importance of the nucleation process, the theoretical understanding is still imperfect. The emergence of a new phase, liquid or solid cluster, in the metastable gas phase is mainly treated with classical nucleation theory (CNT) by using known macroscopic thermodynamic properties of the studied substance, but the theory often fails in predicting the nucleation process adequately. The failure of describing the nucleation event by CNT has shifted the theoretical focus on molecular-level nucleation studies to improve the prediction and understanding of the origin of the failure. This thesis examines one of the key assumptions behind CNT, the constrained equilibrium hypothesis, by approaching it from statistical mechanics and thermodynamic point of view. The main tools in this work are computational: both Monte Carlo (MC) and molecular dynamics (MD) simulations have been used to simulate the homogeneous nucleation processes of Lennard-Jones argon. Two separate studies are presented: At first we compare the nucleation rates obtained by MC (based on thermodynamic equilibrium) and molecular dynamics simulations using the nonisothermal nucleation theory and then the constrained equilibrium hypothesis is invalidated by studying the kinetics of Lennad-Jones argon clusters from size of 4 up to 31 molecules at 50 K. In addition to the actual study, the thesis includes a systematic overview of the theoretical treatment of homogeneous nucleation from thermodynamic liquid drop model to applicable molecular-level simulation techniques.
  • Pekkarinen, Antti (2016)
    Kaksiulotteiseen harmaasävykuvaan eli B-kuvaan perustuvat ultraäänitutkimukset ovat kaikista lääketieteellisistä ultraäänitutkimuksista yleisimpiä. B-kuvan tutkimusten kuvanlaatua heikentävät laitteistoviat voivat pahimmillaan johtaa väärään diagnoosiin. Ultraäänilaitteistolle on perusteltua tehdä laadunvarmistusta, jotta laitteistoviat voitaisiin havaita ennen kuin ne heikentävät B-kuvanlaatua kliinisesti merkittävällä tavalla. B-kuvan laadunvarmistusmenettely voi perustua testikappalekuvien visuaaliseen analyysiin ja laitteiston mittaustyökaluilla manuaalisesti tehtyihin mittauksiin. Visuaaliseen analyysiin ja manuaalisiin mittauksiin liittyy kuitenkin merkittävää, mittaajasta riippuvaa epätarkkuutta, minkä lisäksi niihin kuluu runsaasti työ- ja laitteistoaikaa. Vaihtoehtona kuvien visuaaliselle analyysille on olemassa analyysiohjelmistoja, joita käyttämällä voidaan mahdollisesti parantaa menettelyn objektiivisuutta, nopeuttaa mittauksia ja kuvien analyysia sekä helpottaa tulosten visualisointia ja raportointia. Tämän työn tavoitteena on perehtyä ultraäänilaitteistojen B-kuvan laadunvarmistukseen ja koota tutkittua tietoa siitä, millainen optimaalisen laadunvarmistusmenettelyn tulisi olla. Kirjallisuuskatsauksen antamaa kuvaa aiheesta täydennetään kokeellisella osuudella, jonka tavoitteena on tutkia ohjelmistolliseen kuvien analyysiin perustuvan menettelyn soveltuvuutta suuren laitteistojoukon laadunvarmistukseen. B-kuvan visuaaliseen ja ohjelmistolliseen analyysiin perustuvia laadunvarmistusmenettelyjä vertailtiin analysoimalla yhteensä 32 eri laitteistoon kuuluvien 74 eri anturin vuosittaisten laadunvarmistusmittausten kuva-aineisto molemmilla menetelmillä ja vertailemalla tuloksia visualisointisyvyyden sekä aksiaalisen ja lateraalisen erotuskyvyn osalta. Ohjelmistolliseen analyysiin perustuvan menettelyn optimoimiseksi tutkittiin kuva-alan tasaisuuden määrittämiseen käytettävien testikappalekuvien määrän sekä analyysissa käytetyn keskiarvokuvan kuva-alueen rajauksen vaikutusta tasaisuustuloksiin. Mittauksiin sopivien laitteistoasetusten määrittämiseksi tutkittiin lisäksi vahvistuksen ja kuvatason fokusalueen syvyyden vaikutusta ohjelmistollisesti määritettyyn kuuden desibelin vaimennuksen syvyyteen. Rinnakkaisanalyysin visualisointisyvyys- ja resoluutiotuloksissa havaittiin runsaasti hajontaa saman anturimallin eri anturiyksilöiden välillä. Myös eri menetelmien samalle anturille antamissa tuloksissa oli eroja. Kuva-alan tasaisuuden ohjelmistoanalyysiä varten riittävä tasaisuuskuvien määrä oli tämän työn tulosten perusteella 10 kuvaa. Sopiva suhteellinen kuva-alan rajaus oli anturityypistä riippuen joko 5 % tai 10 %. Kuuden desibelin vaimennussyvyys riippui voimakkaasti käytetyn vahvistuksen arvosta, kun käytetty vahvistus oli pieni. Suurilla vahvistuksen arvoilla vaimennussyvyys pysyi lähes vakiona. Fokussyvyyden tapauksessa kuuden desibelin vaimennussyvyys oli lähes vakio suurilla fokussyvyyden arvoilla ja muuttui jonkin verran fokussyvyyden pienemmillä arvoilla. Johtopäätöksenä todetaan, että saman anturimallin eri anturiyksilöille mitatut visualisointisyvyyden ja aksiaalisen sekä lateraalisen erotuskyvyn arvot eivät ole suoraan vertailukelpoisia keskenään. Myöskään samalle anturille eri menetelmillä mitatut tulokset eivät olleet keskenään vertailukelpoisia. Näin ollen mittaustuloksia kannattaa verrata samalle anturille samalla menetelmällä aiemmin tehtyjen mittausten tuloksiin. Kuvien ohjelmistolliseen analyysiin perustuva menettely on toistettavuudeltaan, objektiivisuudeltaan ja tehokkuudeltaan parempi kuin visuaaliseen analyysiin perustuva menettely. Tulosten pohjalta ehdotan ohjelmistolliseen analyysiin perustuvaa laadunvarmistusmenettelyä.