Joulujen matematiikkaa

Joulun kunniaksi lasken optimaalisen joulun.

Peruskansalaistahan kiinnostaa joulussa ennen muuta se, kuinka monta vapaapäivää silloin saa.

Virallisesti jouluaatto ja uudenvuoden aatto eivät ole vapaapäiviä, mutta kaikki kynnelle kykenevät käytännössä pitävät ne vapaapäivinä. Jotta lasku olisi reilu niitä kohtaan jotka silloin töihin joutuvat, en laske jokaista päivää suoraan vapaapäiväksi.  Käytän viidelle potentiaaliselle vapaapäivälle vapaudellisuuskertoimia V1-V5. Ne kertovat, kuinka suuri osa palkkatyötä tekevistä saa varmasti vapaata kyseisenä päivänä

Tilastokeskuksen työvoimatutkimus 2012 kolmannelle neljännekselle kertoo seuraavaa: työllisiä on yhteensä 2,529,000. Katson, että jatkuvassa riskivyöhykkeessä koko ajan on ennen muuta väkivallan vastainen koneisto (poliisi, palokunta, sairaalat, osa sosiaalitoimea). Tähän kuuluu mm: poliiseja (alle 9,000), päätoimisia palomiehiä (noin 3,000), sosiaalipuolen väkeä (91,000 joista kuitenkin vain hyvin pieni osa joulunpyhinä töissä) ja osa terveyspalveluista (pieni osa 198,000:sta työntekijästä). Teollisuuden 373,000 työntekijästä vain pieni osa tekee keskeytymätöntä vuorotyötä. Voidaan katsoa, että joulunpyhinä työriskiä on todennäköisesti alle 100,000:lla palkkatyötä tekevällä ihmisellä.

Aattoina joutuvat huomattavan suurella todennäköisyydellä töihin vähittäiskaupan 173,000 työntekijää ja majoitus-ja ravitsemistoiminnan 91,000 työntekijää. Viimeksimainituista osa on työssä myös uudenvuodenpäivänä.

Hyvin karkeasti riskivyöhykkeellä on siis
*Jouluaatto  >250,000   (>10% työvoimasta)
*Joulupäivä  <100,000   (<5% työvoimasta)
*Tapaninpäivä  <100,000  (<5% työvoimasta)
*Uudenvuodenaatto  >250,000  (>10% työvoimasta)
*Uudenvuodenpäivä  <200,000  (<10% työvoimasta)

Arvioidaan siis,  että molempina aattoina 80% ihmisistä voi ottaa vapaapäivän, uudenvuodenpäivänä 90%, ja joulu- ja tapaninpäivänä 95%. Jos pyöristetään lähimpään desimaaliin, V1=0.8, V2=1.0, V3=1.0, V4=0.8, V5=0.9.

Kokonaisvapaudellisuusaste VK riippuu nyt siitä, mitkä pyhistä osuvat keskelle viikkoa. Lasketaan VK sen mukaan, mille viikonpäivälle jouluaatto osuu.

*Ma: VK = V1+V2+V3+V4+V5  ~4.5
*Ti:  VK =  V1+V2+V3+V4+V5   ~4.5
*Ke: VK = V1+V2+V3+V4+V5  ~4.5
*To: VK = V1+V2      +V4+V5   ~3.5
*Pe: VK = V1            +V4          ~1.6
*La: VK =               V3               ~1.0
*Su: VK =      V2+V3      +V5    ~2.9

Keskimääräinen kokonaisvapaudellisuusaste on 2.8 (joulun 2012 VK on maksimi eli 4.5).

Vaihtelu on siis suurta: jos jouluaatto osuu lauantaille, vapaudellisuusaste on vain kolmasosan normaalista, ja viidenneksen siitä mitä se voisi olla. Karkausvuosien takia nämä kauhuvuodet eivät toistu aivan säännöllisesti. Seuraavat ovat vuosina 2016, 2022, ja 2033. Myös perjantaille osuva jouluaatto jää kolmannekseen maksimista; näitä ovat 2021, 2027, ja 2032.

Näinä vuosina kannattaakin pyrkiä järjestämään vapaudellisuus muilla taktisilla keinoilla. Itse suosittelisin esimerkiksi äitiyslomaa (helppo pohjustaa edellisenä talvena), lonkkamurtumaa (helppo implementoida liukkaalla kelillä), tai vankilatuomiota (raskas polku, mutta joskus välttämätön).

Toivotan maksimaalista joulua ja optimoitua uutta vuotta.

Bonuskysymys

Jouluaaton osuminen perjantaiksi on epäonnista. Kuinka usein saavutetaan maksimaalinen epäonni, eli tämä on vieläpä perjantai 13. päivä?

Mikäli onnistut ratkaisemaan tehtävän alle kymmenen minuutin, onnittelen. Olet minua viisaampi. Itse lähdin ratkaisemaan tehtävää liian raskaalla matemaattisella formalismilla, ennen kuin huomasin oikotien.

Mummeleiden matematiikkaa

“Oletetaan ensin mummeli möykyksi, joka on kiinni kahdessa vipuvarressa.”

[English version: click here]

Venäytin kesällä polveni nivelsiteet — kosmisessa skaalassa yhdentekevää, mutta johti mielenkiintoiseen vektorianalyysiin, ja ymmärtämään paremmin mummeleita portaissa.

Tasaisella käveleminen alkoi sujua nopeastikin. Portaita nouseminen sen sijaan vaati todellista kuntoutusta. Samalla aloin kiinnittää huomiota siihen, että vanhat mummelit puhisevat tuskaisesti kun kiipeävät ylös portaita. Miksi?

Vastaus löytyy lukiofysiikasta. Mummeli voidaan mallintaa usealla eri tavalla. Mielestäni kuva 1 on yksinkertaisin. Oletetaan ensin mummeli möykyksi, joka on kiinni kahdessa vipuvarressa (vasemmalla). Reisi ja sääri oletetaan tässä yhtä pitkiksi (pienet erot eivät muuta olennaista lopputulosta).

Pienellä miettimisellä huomaa, että jos oletetaan nilkka liikkumattomaksi, mummeli voidaan yhtä hyvin mallintaa väkipyörästönä (oikealla).  Mummeli on möykky, joka roikkuu köydessä väkipyörän (lonkka) alla. Köysi kulkee toisen väkipyörän (polvi) kautta kolmanteen väkipyörään (nilkka).  Nilkasta roikkuu taas mummelin painoinen möykky, jolloin systeemi on tasapainossa. Polveen kohdistuu tällöin voima F, joka pitää laskea.


Kuva 1. Mummelin mallinnus väkipyörästönä

Laskenta vaatii hieman vektorilaskentaa ja trigonometriaa (Kuva 2). Pystysuorat voimat kohdistuvat vastakkaisiin suuntiin, eli voima Fp=mg*(cosa-cosb). Vaakasuorat voimat taas summautuvat, eli Fv=mg*(sina+sinb).

Kuva 2. Vektorilaskenta

Voimavektorin magnitudi (pituus) on F= sqrt(Fp²+Fv²), josta muutaman välivaiheen kautta saadaan  F=2*m*g*(1- cos(a+b)). Voima on pienin eli nolla silloin kun a+b=0. Tämä on tilanne esim suoraan seistessä tai selällään (tai vatsallaan) maatessa. Se on suurin eli 4*m*g silloin kun a+b on 180 astetta.

Vektorisummat voi piirtää graafisesti. Kuvassa 3 on kolme esimerkkitapausta. (Voima on normalisoitu pituuteen 1, eli vektorin pituus 1 tarkoittaa voimaa 2*m*g). Jos kävellessä jalat heiluvat 30 astetta, polveen kohdistuva kokonaisvoima on noin 0.5 yksikköä eli m*g. Polvi joutuu siis kannattelemaan suunnilleen mummelin oman painon.

Kuva 3. Vektorit graafisesti

Portaissa voima nouseekin äkkiä lähelle arvoa 1.5 eli 3*m*g. Voima on siis suurempi kuin mummelin oma paino. Tämä tuntuu ensin oudolta, mutta pitää muistaa että mummeli joutuu nostamaan itsensä ylöspäin oman reitensä pituisen vipuvarren päästä.

Kyykystä ylös nouseminen vaatii jo voiman 4*m*g; tosin tässä vaiheessa mallinnus ei enää välttämättä ole täysin luotettava.

Toisin sanottuna: portaissa mummelin polvi voi vipuvoimien takia joutua hetken kestämään kolme kertaa mummelin oman painon. Tämä on aika rajua, kenelle tahansa.

Kun seuraavan kerran näet mummelin mönkimässä tuskaisesti ylös portaita, muista F=2*m*g*(1- cos(a+b)). Ja pysähdy auttamaan mummelia.

 

Translate »