Anja Røyne

Fysiker

Stikkordarkiv: overflater


av 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)


av 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.)


av 10 kommentarer

Det bruser i kaffekjelen min

Babyen sovnet (ja jeg har mammapermisjon for tiden), og jeg gikk sporenstreks på kjøkkenet for å lage meg en kopp kaffe før jeg skulle sette meg ned og jobbe.

Da jeg stod der og ventet på at kaffekjelen skulle lage akkurat den lyden som forteller at vannet er passe varmt, tenkte jeg

nå kunne det jo passe fint å skrive litt om underkjølt koking.

Ja! Vi kjenner vel alle det: Man skrur på kjelen eller vannkokeren. Først skjer det ingen ting, så begynner det å bruse, og til slutt koker det skikkelig. Brusefasen er det vi kan kalle underkjølt koking.

Vann koker som kjent ved 100 grader Celsius (om du ikke er alt for høyt til fjells). Det som skjer da er at vannmolekylene har fått så mye fart på seg at de ikke orker å bry seg om nabomolekylene sine lengre. De vil fyke omkring for seg selv, og da trenger de mye mer plass. Det flytende vannet går over til gass, altså vanndamp.

Når vi skal koke opp vannet, så varmer vi opp kjelen. Eller varmeelementet i vannkokeren. Så går varmen videre fra denne metallflaten og over i vannet der vi vil ha den. Den eneste måten vi kan få varme til å flytte på seg er å få den til å trille nedoverbakke – altså strømme fra et sted med høy temperatur, til et sted med lavere temperatur. Derfor må det være sånn at varmeelementet er varmere enn vannet. Det blir da også sånn at vannet som er like inntil varmeelementet er varmere enn vannet litt lengre unna. I mitt tilfelle: Vannet på bunn er varmere enn vannet lengre opp i kjelen.

Så stiger varmt vann opp, kaldt vann detter ned, og varmen flyttes fra høy til lav temperatur sånn at alt vannet blir varmere og varmere. Vannet som blir 100 grader først, kommer opp i den temperaturen når det ligger helt nederst i kjelen.

Da skal vannet bli til gass. Men det er ikke gjort uten videre! For at vannet nederst i kjelen skal få lov til å bli til vanndamp må man nemlig også danne en overflate mellom damp og vann. Nå er det nesten alltid sånn at atomer og molekyler ikke liker å være en del av en overflate. De vil aller helst være omringet av sine brødre og søstre inne i gassen eller væsken. Derfor krever det littegrann ekstra varme for å danne en boble. Boblen oppstår når den totale gleden til vannmolekylene som har fått lov til å bli gass inne i boblen er større en den totale misnøyen til dem som må sitte ytterst og være overflate.

Inne i den nye boblen har hvert molekyl mye mer plass enn i vannet rundt. Dette gir den oppdrift og den begynner å stige oppover.

Men hva skjer når den har kommet et stykke oppover i vannet? Her er det ikke så varmt lengre! Det var jo bare nederst i kjelen vi hadde rukket å komme over 100 grader. På et eller annet tidspunkt blir det kaldt og ikke så attraktivt å være gass allikevel.

Popp – boblen sprekker. Lyden av mange bobler som sprekker blir til brusing i kaffekjelen.

Når alt vannet har rukket å bli så varmt at boblene kommer seg helt opp uten å sprekke, koker vannet på ordentlig.

Grunnen til at det kalles underkjølt koking er selvfølgelig det at du har koking nederst i kaffekjelen selv du ikke ville ha lest av 100 grader om du hadde stukket et termometer ned i kjelen.

Kaffekjele og ferdig kaffe. Den ble dessverre drukket opp i løpet av blogginnlegget. Nå har jeg ikke kaffe til dataanalysen. Søren heller.

Kaffekjele og ferdig kaffe. Den ble dessverre drukket opp i løpet av blogginnlegget. Nå har jeg ikke kaffe til dataanalysen. Søren heller.


av Legg igjen en kommentar

Når jeg består av nesten bare tomrom, hva er det jeg kjenner når jeg dytter på noe med fingeren min?

Jeg kan huske at etter å ha lært om atomkjerner og elektroner så lurte jeg veldig på dette. Elektronene er jo bare som noen forsvinnende små prikker som svirrer rundt en atomkjerne langt, langt borte. Om vi kunne krympe til elementærpartikkel-størrelse og reist inn i et fast stoff ville vi nesten ikke ha sett noen ting. Allikevel er altså ting veldig så harde og følbare.

Og så er det ganske kult da, at 20? 25? år senere, har jeg vært og jobbet hos en professor (jeg skal fortelle mer om selve forskningsoppholdet senere) som har viet livet sitt til akkurat dette: å måle krefter mellom overflater. Han har også skrevet en av de beste bøkene om temaet.

Selvfølgelig er det elektronene og atomkjernene som gjør at ting er harde – hva skulle det ellers ha vært? Som vi har lært på skolen så er elektronene negativt ladet og kjernen er positiv. Kjernen sitter i midten som en litt kjedelig klump, mens elektronene har ganske mye frihet til å svirre omkring. Noen ganger, for eksempel i vannmolekylet, har elektronene en tendens til å klumpe seg sammen litt på siden av molekylet sånn at det er mer negativt på den ene siden og mer positivt på den andre siden. Andre ganger er et molekyl så glad i elektroner at det stjeler ett eller flere fra et annet, sånn at man ender opp med noen positivt ladde og noen negativt ladde molekyler.

Når man så prøver å dytte to flater sammen, så begynner ladningene på overflatene, og i det som måtte befinne seg imellom (vann, eller kanskje svette på fingeren) å påvirke hverandre. Veldig nær en overflate pleier molekyler å være litt mer organiserte enn det de vanligvis er når de er en del av en væske eller en gass. Når de er i nærheten av to overflater, istedenfor bare en, blir de nødt til å reorganisere seg. Denne reorganiseringen blir til en kraft mellom overflatene – de dytter eller drar på hverandre – som vi kan måle, eller kjenne. Om man dytter veldig hardt, kan molekylene komme så nær hverandre at kraften mellom de negative elektronene i nabomolekyler blir stor. Litt som når man prøver å sette sammen to briotogvogner og har snudd den ene feil vei: de dytter på hverandre før de faktisk er i kontakt.

Og sånn er det altså at flater kjennes harde ut.