Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


1 kommentar

Bildefredag: En termisk titt bak Munchs bilder i Universitetets Aula

aul15_050

På PGP har vi et dyrt og fint kamera som tar bilder av varmestråling istedenfor synlig lys, et såkalt termisk kamera. For noen år siden ble vi kontaktet av en gruppe konservatorer som skulle gå i gang med å redde Munch sine bilder i Universitetets Aula. De ville gjerne bruke kameraet vårt til å finne ut noe om hvordan bildene var hengt opp og om striper av støv som hadde dukket opp på bildene kunne ha noe med opphenget å gjøre. Heldig som jeg var så fikk jeg bli med til Aulaen og ta varmebilder.

På bildet over er det termiske bildet lagt oppå bildet av Munchs «Solen», som henger over scenen i Aulaen. Blå farger betyr kaldt, mens gult og rødt betyr varmt. Når vi begynte å se i varmekameraet kunne vi med en gang se rammeverket bak bildene. Rammeverket gir kontakt mellom lerretet og den kalde utsiden av bygningen, mens det er varmere der lerretet bare har luft bak seg. Steinsøylene i hjørnene er enda kaldere fordi de leder varme bedre enn tre. Vi kan også se at det er varmest øverst på bildet og kaldere nederst. Varm luft stiger opp, kald luft detter ned. Stripene av støv hadde satt seg akkurat der hvor det var kaldt på grunn av rammeverket.


Legg igjen en kommentar

Har bølgene som endene lager alltid samme vinkel?

Da baby og jeg slappet av i sola ved vannet i går ble jeg sittende og se på ender. Når det er stille på vannet lager endene så fine mønstre bak seg. Og så begynte jeg å lure: Hva er det som bestemmer vinkelen til kjølvannsbølgene? Er det hvor fort anda svømmer? Formen på anda, kanskje? Eller er det egentlig sånn at alle kjølvannsbølgene har den samme vinkelen – og hvorfor, isåfall?

ender

Her måtte et Google-søk til, og det viser seg at disse V-formede kjølvannene kalles for Kelvin-kjølvann. De er oppkalt etter Lord Kelvin (han med temperaturskalaen, og mye annet) som beskrev fenomenet i 1887. Dette går altså definitivt i kategorien Gammel Forskning. Det er ikke bare ender som lager slike kjølvann, man kan også se dem etter båter på stille hav.

Jeg tok faktisk feil med alle mine grublerier. I bunn og grunn er bare en ting som bestemmer vinkelen på kjølvannet, og det er den fysiske loven for tyngdekraft. Denne loven gjør at bølger på dypt vann beveger seg fortere jo større bølgelengde de har, i motsetning til for eksempel lydbølger i luft som går like fort uansett om lyden er lys (kort bølgelengde) eller mørk (lang bølgelengde).

Når anda svømmer lager den hele tiden bølger med mange forskjellige bølgelengder. Disse beveger seg som sirkler ut i fra det punktet der de ble dannet. Kjølvannstripene vi ser er et område der veldig mange bølgetopper fra forskjellige bølger havner på samme sted til samme tid, og forsterker hverandre til noe som ser ut som en stor bølge. Det er bølger andre steder på vannet også, men de er så spredt utover at vi knapt kan se dem.

Vinkelen på den linja som blir dannet av de ytterste av de forsterkede bølgene er omtrent 19 grader i forhold til linja som anda følger. Hvorfor det er akkurat denne vinkelen er man dessverre nødt til å bruke ganske komplisert matematikk for å forstå. Det morsomme er at vinkelen er så grunnleggende. På en annen planet, der et romvesen hadde svømt på en sjø av noe helt annet enn vann, ville kjølvannet ha fått den samme vinkelen så lenge loven for gravitasjon var den samme på denne planeten som på jorda.

Bildene under har jeg lånt fra denne boka for å vise at man kan beskrive hele det vakre Kelvin-mønsteret matematisk uten å si noe som helst om fart eller form på båten (eller anda) eller egenskaper til vannet, annet enn at det er flytende.

Kelvin_sammenligning


4 kommentarer

Stephen Taber og telehivmysteriet

Det skjer hvert år: Våren kommer, og avisene skriver om nye veiprosjekter som er ødelagt av telehiv.

Når vann fryser til is nede i bakken blir noen gang overflaten presset oppover, og det er dette vi kaller telehiv. Gjengs oppfatning er at dette skjer fordi at vann utvider seg når det fryser, sånn som vi kan oppleve om vi legger en full flaske i fryseboksen og den sprekker.

Men, hold dere fast: Dette er (nesten aldri) årsaken til telehiv! Flaska i fryseboksen sprenger ikke om du ikke har satt på korken. Vannet nede i jorda er heller ikke spesielt innestengt. Når det fryser og utvider seg, kan det vannet som blir til overs dyttes nedover i jorda. Dessuten så utvider vannet seg med ni prosent når det fryser, mens «hivet» som forårsakes av telen kan bli mye større enn dette skulle tilsi.

For å rette opp i denne misforståelsen kommer nå et innlegg i kategorien Gammel Forskning.

Stephen Taber II

Stephen Taber II

For 101 år siden, i 1912, fikk den unge Dr. Stephen Taber II stillingen som professor ved institutt for geologi og mineralogi ved universitetet i South Carolina. Siden han var eneste professor ved instituttet kunne han gjøre omtrent som han ville.

Stephen Taber hadde lagt merke til tidligere forskning som så ut til å vise at is var i stand til å løfte opp overflaten mye mer enn de ni prosentene utvidelse skulle tilsi. Han var forbløffet over at dette ikke hadde vagt mer oppsikt, og fikk lyst til å studere dette i mer detalj. De første, lovende eksperimentene fikk han gjort noen kalde netter vinteren 1914-1915. Det var imidlertid vanskelig å være avhengig av været for å gjøre eksperimenter, så han la studiet på hylla for noen år. Gjennombruddet kom i 1927. Som han skriver i artikkelen sin:

«In March, 1927, a suitable low-temperature apparatus was placed at my disposal by Mr. E.W. Allen,  district manager of the Frigidaire Corporation, and I began an investigation to determine the factors involved in excessive and differential frost heaving.»

Professoren lagde sylindere av papp, som han dyttet fulle av leire. På innsiden av pappen hadde han smurt parafin så de skulle være vanntette. De var åpne i bunn, og han plasserte dem på et lag med sand nederst i fryseboksen. Så helte han på vann så både leiren av sanda ble helt gjennomvåte. Plassen mellom sylindrene fylte han med tørr sand. Siden kjøleelementene i fryseboksen var på toppen, ville dette være ganske likt sånn som det er i virkeligheten når jord fryser. Da er det jo også kaldest øverst.

Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.

Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.

Øverst på sylindrene plasserte han forskjellige lodd: av tre, av jern eller begge deler. Det gjorde han fordi han lurte på både hvor mye vekten på toppen ville ha å si, og hva som ville være effekten av temperaturen på toppen av sylinderen. Treloddet er selvfølgelig lettest, mens metall leder varme bedre, så sylinderen med bare jernloddet vil være kaldest oppå.

Hva skjedde?

Alle loddene ble løftet oppover. Det som ble løftet aller mest var ikke det lette treloddet, men det tunge jernloddet! Det betyr at det ikke er vekten, men temperaturen som har mest å si. Jernet klarer å flytte bort mer av varmen fra vannet, så det greier å danne mer is. Med et trelodd oppå får varmen mye motstand for å komme seg bort, og det bremser på frysingen. Det som løftet seg minst var kombinasjonen tre + jern. Her er det vanskelig å få bort varmen, og i tillegg er det en stor vekt som må løftes opp. Det betyr altså at vekten også har noe å si.

Taber noterte også hvor mye loddene ble løftet i forhold til hvor langt ned sylindrene hadde fryst (ratio of uplift to depth of freezing). Om det bare var vannet som satt der fra før som hadde blitt til is, så burde dette bli omtrent ni prosent, eller 0,09. Det han målte var mye mer, rundt 40 prosent.

Det betyr at vann har flyttet seg fra et annet sted og til der hvor isen ble dannet. Det eneste vannet som var tilgjengelig var i den varmere delen av sylinderen under isen, og i sanden nedenfor. Fryseprosessen har altså trukket vannet oppover!

Det minner vel litt om disse trærne jeg snakket om? Helt riktig, vi er tilbake til kapillærkrefter og overflater. Leire (og silt, som bare er litt mer grovkornet) består av bittesmå mineralkorn, med overflater som elsker vann. Siden plassen mellom kornene er så liten, er det vanskelig for vannet både å lage bobler og å fryse til is. Derfor kan temperaturen komme godt under null før vannet begynner å fryse.

Selv om noe av vannet har frosset til is, er ikke mineraloverflatene spesielt lystne på å gi slipp på det flytende vannet sitt. Frosset is og mineraloverflater går nemlig ikke spesielt godt overens. Derfor vil det fortsette å være flytende vann mellom iskrystallen og leirkornene. Når en iskrystall først er dannet, vil det oppstå en liten konflikt: Vannet på isen vil fryse, men isen vil ha et flytende lag rundt seg. Dette gjør at når litt av vannet rundt isen fryser til, skapes et undertrykk som suger vann opp til der hvor det fryser.

Ganske likt det som skjer i trærne. Der brukes litt av vannet opp til fordampning, og nytt vann må suges opp. I jorda brukes noe av vannet opp til å lage is, og nytt vann må suges opp nedenifra.

Dette er også grunnen til at isen ikke er gjevnt fordelt i leira, men legger seg lagvis nedover. Har man først begynt å lage is ett sted er det nemlig mye lettere å fortsette å fryse på den enn å lage ny is et annet sted. Derfor suges vann opp til en islinse til det har blitt kaldt nok et stykke lengre ned til å starte en ny linse der. Taber viser fram et stykke frossen vei han har fått av en kamerat i veibransjen, for å demonstrere at det er det samme som skjer i virkelig telehiv:

Frossen veibit, 1929.

Frossen veibit, 1929.

Noen ganger kan sugekreftene i vann som fryser føre til ganske enorme formasjoner, som disse pingoene.

(om noen vil lese mer, ligger Tabers originale artikkel her)


Legg igjen en kommentar

Bildefredag

Jeg har mye bilder fra forskningen som jeg bruker til å finne ut av ting, men noen ganger får jeg bilder som bare er veldig fine. Jeg har tenkt å dele noen av disse fremover.

Dette bildet er fra et eksperiment der jeg smeltet et magnesiumsalt og lot det bli kaldt mellom to glassflater. Så tilsatte jeg vann sånn at det kom i kontakt med kanten av saltet. Der vann og salt kommer i kontakt løser saltet seg først opp før det felles ut igjen og danner krystaller. Det er det man ser i venstre side av bildet. Etterhvert som reaksjonsfronten trenger seg lengre inn i saltet blir er krystallene mye mindre og de ordner seg på rekker på en eller annen måte.

Til høyre ser vi saltet: Det som er helt svart her salt som har blitt kaldt, men ikke rukket å krystallisere ennå. Atomene sitter hulter til bulter og det er helt gjennomsiktig, som et glass. Det som ser ut som snøkrystaller er krystaller som har oppstått i salt-glasset. Siden atomene i saltglasset beveger seg, littegrann, vil det etterhvert være noen som klarer å strukturere seg og lage en krystall. Der noen først har begynt å bygge krystall blir det lettere for naboene å sette seg fast. Slik gror de utover fra ett startpunkt. Det samme vil faktisk skje i vanlig vindusglass om man bare venter lenge nok. Glass er på en måte en underkjølt væske, som skulle ha blitt til krystaller men ikke har greid det enda.

Jeg har en polarisator på hver side av prøven. Det gjør at krystallene ser lyse eller mørke ut ut i fra hvilken retning atomene inni sitter. Vann og glass blir svart fordi atomene ikke sitter i noen bestemt retning.

Bildet er tatt med mikroskop, og den virkelige størrelsen på det dere ser er ca 5 millimeter.

God helg!


Legg igjen en kommentar

Mamma, hvordan klarer lufta å holde meg oppe?

sykkelhjulNoe av det morsomste med å ha barn er at de stiller så gode spørsmål.

Lufta det var spørsmål om befant seg selvfølgelig inne i en sykkelslange (jeg måtte tenke meg om et øyeblikk før jeg skjønte hva det egentlig gjaldt) og oppå sykkelen befant det seg en observant seksåring.

«Lufta kan holde deg oppe fordi alle de små atomene i lufta fyker rundt kræsjer i veggene i sykkelslangen. Hvert gang de kræsjer så dytter de litt ned på bakken og opp på sykkelen. Vi fyller slangen så full av luft at all den dyttingen er nok til å holde deg oppe.»

«Men hvorfor kjenner ikke jeg det, da, at de dytter?»

«Det er fordi de er så veldig veldig små. Hvert dytt er bittebittelite.»

«Er det fordi de er så mange, da?»

«Ja det stemmer. Helt utrolig mange bittesmå dytt blir ganske mye til sammen.»

«Men når vinden blåser på meg, da kjenner jeg det?»

«Når vinden blåser så er det veldig mange små atomer som beveger seg samme vei på en gang. Da kjenner du det.»

….

«Du vet, du består av sånne små atomer du også.»

«Mamma, hvorfor begynner du bare å snakke om noe annet? Nå snakket vi jo om luft og så begynner du bare å snakke om kroppen».

Ja ok da. Typisk meg.


6 kommentarer

Overflater som elsker vann. Å drives oppover av kjærlighet

Etter gårsdagens innlegg om trær fikk jeg dette spørsmålet:

«Hvordan får Redwoodtreet sugd vannet helt opp på toppen da? Har de det bare helt grusomt de molekylene på toppen? »

Jeg skulle vel ha sett det komme. Jeg tok det ikke med i gårsdagens historie fordi jeg ikke greide å finne en god måte å forklare det på. Men nå skal jeg gjøre et forsøk.

Det er med stoffer som med mennesker – noen går godt overens, og noen gjør det absolutt ikke.

Vannet er en sånn type som andre har sterke meninger om. Det finnes noen overflater som hater vann, og noen som elsker det.

Glass er en av dem som elsker vann. Har du noen gang tatt en blodprøve der de har brukt et lite glassrør til å suge opp blodet med? Selv om røret peker oppover, så forsvinner blodet (som stort sett består av vann) inn i røret helt av seg selv.

Dette er det som skjer: Den nederste biten av røret kommer i kontakt med bloddråpen, og vannmolekylene kommer i kontakt med glasset.

«Dette var jammen flott», sier glasset der nederst. «Se her, dere. Vi får sitte her inntil vannet istedenfor å bare ha den kjedelige lufta å henge med.»

Vannmolekylene virrer litt rundt, som molekyler gjør. Noen ganger tar et av molekylene som sitter øverst oppe på glasset et ekstra stort skritt oppover. Da holder glasset så godt fast på det at vannet ikke kommer seg ned igjen. Sånn kryper vannet i gjevnt tempo oppover glassflaten.

På utsiden av røret blir det etterhvert veldig tungt å krype oppover, fordi vannet må dra hele den store vannoverflaten etter seg – som å klatre opp en fjellside samtidig som man løfter et enormt teppe opp fra bakken. Derfor kommer ikke vannflaten så veldig langt opp før det blir nødt til å stoppe. Inni det lille røret, derimot, hjelper glasset på alle kantene med på å dra det lille runde overflateteppet oppover. Jo mindre røret er, jo lettere er det å komme høyt opp.

Inne i bladene på et tre er det noen bitte, bitte små rør. Det er her de lange sugerørene i trestammen ender opp. Disse små rørene er så trangeat de bare har plass til noen få vannmolekyler i bredden. Innsiden av røret elsker vann minst like mye som det glass gjør, og siden nesten alle vannmolekylene inne røret får sitte og kose med røroverflaten, er det nesten ingen grenser for hvor høyt de kan greie å klatre. Selv strevet med å trekke 100 meter vann opp bak seg er det verdt.

Dette bildet har jeg stjålet fra hydrologie.org. Et fint eksempel på at vann i trange rør kryper høyest.

Dette bildet har jeg stjålet fra hydrologie.org. Et fint eksempel på at vann i trange rør kryper høyest.

(om dette hørtes i overkant fjasete ut, så kan jeg forsikre om at det er vitenskapelig fundert. Riktig fagterminologi for disse overflatene er hydrofile, vann-elskende, og hydrofobe, vann-hatende.)