Anja Røyne

Fysiker

Stikkordarkiv: vann


av Legg igjen en kommentar

Hvordan kan vann fordampe uten å koke?

Den hvite jula lar vente på seg her i hovedstaden. I stedet testes tålmodigheten vår med regn og søledammer som slett ikke hører desember til. Jeg håper de tørker opp før kuldegradene kommer, så ikke alt blir dekket av is. Vannet kan heldigvis fordampe fra bakken selv om det er kaldt og mørkt ute.

Men hvordan fungerer det, egentlig?

Dette er også desember. Eget bilde.

Full fart i vannet

Vi vet jo at flytende vann omdannes til damp når det når 100 grader celsius. Om kjelen blir stående på kok lenge nok, forsvinner alt vannet ut i lufta. Samtidig har vi alle erfaring med at vann kan fordampe ved langt lavere temperaturer. Svetten som fordamper fra huden vår er livsviktig for å kjøle oss ned når det er varmt i været, og klesvasken kan tørke ute selv om vinteren, bare vi venter lenge nok.

For å forstå dette, kan det hjelpe å tenke på at vann består av små partikler, nemlig vannmolekylene (som igjen består av et oksygen og to hydrogenatomer, men det trenger vi ikke å tenke på akkurat nå). Selv om vannet i søledammen ligger i ro, er vannmolekylene hele tiden i bevegelse. De fyker rundt hverandre og kolliderer med hverandre, omtrent som en flokk med barnehagebarn som blir sluppet løs på en fotballbane.

Denne simuleringen av hvordan vannmolekylene beveger seg har jeg fått fra min kollega Henrik Sveinsson, som har brukt molekyldynamikk til å lage den.

Jo høyere temperatur vannet har, desto mer er det av denne mikroskopiske bevegelsen. Faktisk er temperatur et direkte mål på gjennomsnittstemperaturen til atomene og molekylene som et stoff består av. Dersom vi kunne fått alt til å stå i ro, hadde vi kommet oss helt ned til det absolutte nullpunkt på minus 273,15 grader celsius. Kaldere går det ikke an å få det.

Molekyler som stikker av

Nå lurer du kanskje på når vi skal komme til fordampingen? Vel, det krever en viss fart for at et molekyl skal kunne forlate sine venner i vannet og fare ut i lufta. Og i bunn og grunn er det akkurat det som er fordamping. I det flytende vannet beveger molekylene seg rundt i vannet, men de holder seg hele tiden litt fast i molekylene de har rundt seg. Et molekyl som beveger seg i retning opp mot vannoverflaten klarer bare å fortsette ut i lufta dersom det har tilstrekkelig stor fart til å kunne rive seg løs fra de andre molekylene.

I vannet vil det alltid være noen molekyler som beveger seg ekstra fort, og andre som beveger seg ganske treigt. Det er de raskeste molekylene som har mulighet for å frigjøre seg fra vannet under. Jo høyere temperatur vannet har, desto flere raske molekyler og desto raskere kan vannet fordampe.

Fordamping gjør vannet kaldere

Når et ekstra raskt molekyl stikker ut i lufta, blir gjennomsnittsfarten til molekylene som er igjen, lavere enn den var før. Det er som om Norges rikeste person skulle flyttet til Sveits (et hypotetisk eksempel) – da ville den gjennomsnittlige formuen til Norges innbyggere blitt litt mindre. Lavere gjennomsnittsfart er det samme som lavere temperatur. Det betyr at fordampingen får vannet til å kjøle seg ned.

Når vannet i sølepytten får lavere temperatur, vil det gjøre at det flyter varme fra bakken under, og opp i vannet. Varme flyter nemlig alltid fra høy mot lav temperatur. I den mikroskopiske verdenen skjer det ved at molekyler kolliderer med hverandre slik at raske molekyler overfører noe av sin fart til dem som beveget seg langsommere. Denne varmestrømmen gjør at det fortsetter å være noen raske molekyler som kan fyke opp fra vannflaten, og om det bare går lang nok tid før neste regnskur, vil til slutt hele pytten fordampe.

Det er den samme mekanismen som gjør svetten så effektiv i å kjøle oss ned. De raskeste vannmolekylene forlater svetten og blir til vanndamp, slik at gjennomsnittsfarten i svettelaget på huden reduseres og temperaturforskjellen mellom svetten og huden under får det til å strømme varme fra huden og ut i svetten. Slik ledes varme vekk fra kroppen og hindrer oss i å overopphetes.

Fordamping, kondensering og sublimering

Noen ganger virker det som om vannet på overflatene aldri forsvinner, og at svetten bare blir liggende på huden som et seigt lag. Det skjer når det er for mye fuktighet i lufta. Mens de raskeste vannmolekylene forsvinner ut i lufta, vil noen av molekylene som allerede er i lufta ha fått så lav fart gjennom sine kollisjoner at de fester seg til vannflaten og blir en del av vannet. Dette er det motsatte av fordamping, altså kondensering. Dersom det kondenseres like mye vann som det som fordamper, blir ingenting tørt. Kondenseres mer enn det som fordampes blir bakken dekket av dugg.

Når det er kuldegrader ute, som vi forhåpentligvis får snart her jeg bor, virker alt veldig stille. Men selv i iskrystallene som glimter i vintersola er vannmolekylene i bevegelse. Også fra dem kan de raskeste løsne fra overflaten og forsvinne ut i den kalde lufta. Det heter sublimering og gjør at også is kan forsvinne, bare lufta er tørr nok.

Vakkert rim, så lenge det varer. Eget bilde fra en kaldere vinter.


av Legg igjen en kommentar

Hvordan man får vekk nitrogen fra kloakken

Oslofjorden er i krise! Kanskje har den vært det en god stund, men nå har Oslofjordens økologiske tilstand fått mye oppmerksomhet fra både medier og politikere. Artsmangfoldet går nedover, det er mer av den slimaktige lurven og mindre frodig tareskog, og nå er det ikke en gang lov å fiske i Oslofjordden lenger.

Årsakene til krisen er mangfoldige og sammensatte, slik det så ofte er med økosystemer. Både klimaendringer, miljøgifter og overfiske kan være viktige faktorer.

Problemer fra do

Ikke alt som havner i kloakken hører til der. Fra Veas. Foto: Kari Margrethe Sabro.

En annen forurensing som har fått mye oppmerksomhet i det siste er nitrogen. Nitrogen i seg selv er ikke farlig, tross alt utgjør nitrogengass mesteparten av lufta vi puster inn og ut. Problemet er når nitrogenet er kjemisk koblet sammen med oksygen eller hydrogen slik at det er lett for planter og alger å nyttegjøre seg det. Når det er mye av dette nitrogenet i vannet i fjorden, fungerer det som gjødsel for de algene som er flinke til å vokse veldig fort, sånn som de trådalgene vi kaller lurv. Da kan lurven begynne å dominere over mer nøysomme arter av tang og tare. Og når høsten kommer, og de hurtigvoksende algene dør og synker til bunns, blir de mat for bakterier som kan bruke så mye oksygen til å bryte dem ned at det ikke blir nok oksygen igjen i bunnvannet til fisk og andre organismer som hører til der nede.

Kloakken vår er en viktig kilde til dette problematiske nitrogenet, for kroppen vår kvitter seg med nitrogen hver gang vi er på do. Heldigvis slippes det vanligvis ikke urenset kloakk ut i Oslofjorden. Den tar en tur innom et renseanlegg først. Men ofte er ikke renseanlegget nok til å fjerne nitrogenet, for det krever faktisk ganske mye innsats for å få det vekk.

Hjelpsomme bakterier

Det problematiske nitrogenet er løst opp i vann, slik salt er løst opp i saltvann. Det kan man ikke fjerne med en sil eller andre mekaniske metoder. Den beste metoden som er tilgjengelig for å fjerne nitrogen er å få hjelp fra bakterier, og det skjer i to steg.

I det første steget brukes det kraftige vifter til å blåse massevis av luft inn i vannet. Det gir oksygen til bakterier som er i stand til å bruke ammonium, altså nitrogen som er koblet sammen med hydrogen, som energikilde. Disse bakteriene kan skaffe seg energi ved å forbrenne ammonium omtrent som vi får energi av å forbrenne sukker inne i cellene våre, så lenge de har nok oksygen tilgjengelig.

Dette gjør imidlertid ikke at nitrogenet blir borte eller at det blir mindre problematisk, det omdanner bare en form for nitrogen, ammonium, til en annen form, nitrat. I nitrat henger nitrogenet sammen med oksygen.

Nitrogenbobler stiger opp mot overflaten og unngår å skape problemer i Oslofjorden. Fra renseanlegget Veas på Slemmestad. Foto: Kari Margrethe Sabro.

Nitrat kan ikke forbrennes for å få tak i energi, men det kan være nyttig for en annen type bakterier, noen som har lært seg å leve uten oksygen. Derfor tilføres vannet i neste rensesteg en form for energikilde som er populær blant slike bakterier, for eksempel glykol, og så får det ligge helt i ro. I det stille vannet blir oksygenet raskt brukt opp, og da er det bare de bakteriene som klarer å lirke løs oksygen fra nitrat for å kunne forbrenne glykol, som klarer å leve videre.

I denne prosessen ender nitrogenet opp uten hverken oksygen eller hydrogen, og kan forlate vannet i par: molekyler som består av to nitrogenatomer tett bundet sammen, den samme nitrogengassen som mesteparten av lufta rundt oss består av. Da har det problematiske nitrogenet blitt fjernet fra vannet, som så kan sendes ut i Oslofjorden uten å bidra til mer lurv og mindre artsmangfold.

Tenk at naturen kan hjelpe oss på denne måten!

Bedre løsninger?

Riktignok gjør ikke bakteriene dette for oss helt av seg selv. Det krever mye energi å drive pumpene som blander luft inn i vannet. Faktisk er mengden med elektrisk energi som går med til denne rensingen på størrelse med energien som trengs for å rive fra hverandre nitrogenmolekyler fra lufta og lage nitrogengjødsel – nitrogen på den samme formen som det som fjernes i renseprosessen.

Om bare nitrogenet fra kloakken kunne ha blitt levert direkte ut på jordene for å dyrke mat, så kunne samfunnet ha spart seg for en god del energi. Her er vi ikke i dag, og det har mange årsaker. En ting er at det finnes sykdomsfremkallende bakterier og virus i kloakken som vi ikke ønsker å ha i nærheten av matproduksjonen vår. Dette kan håndteres, men i tillegg kommer legemidler og miljøgifter som fra produkter som vi har i husene og på kroppene våre som kan være vanskelige å bli kvitt. I tillegg er fabrikkprodusert nitrogengjødsel så billig og enkelt tilgjengelig at det er vanskelig å produsere noe fra kloakk som kan konkurrere på både kvalitet og pris. Fremtiden vil vise hvordan dette kan ordnes på en mindre sløsete måte enn i dag.

Vil du lese mer?

Boka Fra nattmann til renholdsverk. Avfall og reno­vasjon i Oslo gjennom tusen år av Inge Torstenson (1997) gir en fascinerende og engasjerende, detaljert fremstilling av hvordan Oslo by har håndtert sitt avfall (inkludert kloakk) gjennom tusen år. Anbefales på det varmeste.

I et internasjonalt perspektiv gir boka med den fantastiske tittelen The other dark matter. The science and busi­ness of turning waste into wealth and health av Lina Zeldovich (2021) massevis av gode og utrolige eksempler på hvordan folk har løst kloakkproblemene både før og nå.

Og så er både kloakk og gjødsel og Oslofjorden sentrale tema i min egen bok om nitrogen (2025).


av Legg igjen en kommentar

Rapport fra det Døde Havet

img_6642

Her er geologien i ferd med å vinne over badestrukturene.

Denne gangen har forskertilværelsen tatt meg til et sted jeg aldri egentlig hadde trodd jeg skulle reise til, nemlig Israel. Anledningen er forskernettverket vårt, NanoHeal, og vår Israelske partner har bestemt at samlingen denne gangen skulle holdes på et hotell ved Dødehavet.

Forskningen i nettverket handler om mineraler: Hvordan vokser krystaller, og hvordan løser de seg opp, når de befinner seg inneklemt mellom korn av andre materialer? Kan vi lage sterkere, bedre, mer miljøvennlige og mer holdbare materialer enn dem vi bruker i dag ved å studere hvordan biologiske organismer lager mineralene sine, som i skall og bein? Kan materialer som er laget av mineraler, sånn som betong, holde seg stabile i lang tid, sånn at vi kan bruke dem til å lagre radioaktivt avfall?
Egentlig er dette et ganske passende sted å holde et slikt møte. Her er det nemlig fullt av mineraler, som felles ut når dødehavsvannet fordamper:

img_6661

Geologi vinner over biologi. Om fem år vil dette være en del av det flere kilometer tykke saltlaget under vannoverflaten.

Egentlig stemmer det ikke helt at dette hotellet ligger ved Dødehavet. Stedet vi befinner oss på, Ein Bokek, ligger ved fordampningsdammene i den sørlige enden av sjøen. Dette var en del Dødehavet så sent som i 1972, men siden den gang har vannstanden falt med over 20 meter, og den sørlige delen ville ha vært et tørt lag med salt om det ikke hadde vært for pumpene som flytter vann fra nord til sør.
Vanlig havvann er fullt av stoffer som kan være nyttige for oss mennesker, men siden det er såpass lite av dem i hver liter vann er det for kostbart å utvinne dem. Her i Dødehavet er konsentrasjonene høyere, og ved å pumpe vannet inn i grunne bassenger, der sollyset får vann til å fordampe og de nyttige stoffene til å bli enda mer konsentrert, kan man utvinne elementer som kalium (til kunstgjødsel), magnesium og andre stoffer i form av salter.
Det er ganske overveldende å se hvordan sjøen her er fullstendig kontrollert av menneskelig aktivitet. I den ene enden, i sør, dannes et 20 cm tykt lag med salt i bunnen av fordampingsdammene hvert år. Dette gjør at hotellene må bygge strendene sine oppover, og at ved de eldste hotellene må man nå gå opp en trapp for å komme ut på stranden fra bassengområdene utendørs.

img_6647

Dette utebassenget har mistet havutsikten sin.

I nordenden er situasjonen enda mer dramatisk. Ikke bare pumpes vannet ut av sjøen for å fordampe, det har heller ikke kommet nevneverdige mengder av nytt vann inn i sjøen siden Jordanelven ble demmet opp for å brukes i jordbruket, på 60-tallet. I dag synker vannstanden i Dødehavet med over en meter i året. Dette har ikke bare ført til at det har blitt langt å gå til stranden fra hotellene i nord. Det lille regnvannet som renner over de tørrlagte breddene av sjøen, løser opp saltlagene i undergrunnen og får tusenvis av synkehull til å åpne seg og ødelegge veier og bygninger. Erosjon er et kjempeproblem, og de økologiske konsekvensene er selvfølgelig enorme.

img_6628

Erosjon på slettene ned mot den nordlige delen av Dødehavet. Utsikt fra Massada.

For å bøte på problemet med uttørring av Dødehavet, er det planer om et system av rør og kanaler som skal flytte vann fra Rødehavet og inn i Dødehavet. Underveis skal deler av vannet avsaltes og brukes som drikkevann. Dette er et stort prosjekt med mange potensielt negative konsekvenser for miljøet, i og rundt både Rødehavet og Dødehavet. Om du vil lese mer om dette prosjektet kan Wikipedia-siden være et greit sted å starte.


av Legg igjen en kommentar

Menthos og cola!

På torsdag hadde jeg gleden av å snakke om fysikk for 200 videregående-elever på besøk på Blindern. Siden jeg fikk lov til å snakke om hva jeg ville, sørget jeg for et tema som passet til å gjøre menthos i cola-trikset. For det er gøy.

Siden jeg ikke har gjort dette så ofte, måtte vi trene hjemme kvelden før. Da jeg foreslo at jeg skulle bruke hele menthospakken løp barna og gjemte seg. Det viste seg i ettertid at de hadde gjort noe litt mer heftig i barnehagen – nemlig å helle en hel menthospakke i colaflasken, sette på lokket, og deretter se flaska eksplodere – så det var ikke så rart at de var skeptiske til å gjøre dette hjemme. Vi ble enige om å bruke fire menthos, og det gav en gøyal men lett å tørke opp colavulkan.

Screenshot 2016-02-13 09.18.44

Hva er det som skjer?

Når man lager brus, tilsetter man CO2 under høyt trykk. Desto høyere trykket er, desto flere CO2-molekyler er det plass til i vannet. Når flasken åpnes, faller trykket plutselig og gassmolekylene får veldig lyst til å unslippe. Men det er ikke så lett. De kan slippe unna ved luftoverflaten i toppen, men veien dit er evig lang for molekylene langt nede i flaska. Den andre rømningsveien er gjennom bobler, men disse boblene er det ganske vanskelig å lage. Derfor befinner colaen i den åpnede flasken seg i en metastabil tilstand. Det betyr at den ikke trives sånn som den har det, men at den ikke greier å ta steget over i en mer stabil tilværelse.

Menthosene jeg slipper i flaska har en ru overflate av et stoff som vannet ikke liker. Her har gassmolekylene en glimrende anledning til å samle seg og danne bobler. så stiger boblene opp til overflaten, drar med seg vann og sukker oppover og lager en skumfontene. Det er sukkeret og fargen og andre stoffer i menthosene og colaen som gir det morsomme skummet – det samme skjer om du heller sand i farris, men med en mye mindre og kjedeligere fontene.

Google har forresten fortalt meg at det blir enda bedre om du bruker lettbrus. Og hvis du vil gjøre det skikkelig profesjonelt kan du kjøpe spesialdesignede menthosholdere fra Andreas Wahl.

 

Hva med gravitasjonsbølgene?

Jada, det var viktigere ting som skjedde på torsdag. Helt revolusjonerende fantastisk, faktisk. Det kan du lese om på Maria Hammerstrøm sin blogg.


av Legg igjen en kommentar

Ørkenbillen og det forsinkede flyet

I den namibiske ørkenen, der ingen skulle tru at nokon kunne bu, lever en bille ved navn Stenocara gracilipes. Om morgenen, når tåken ruller inn fra havet, klatrer billen opp på toppen av en sanddyne og stiller seg med rumpa opp. Etterhvert danner det seg vanndråper på ryggen til billen. Når dråpene har blitt store nok, løsner de og triller nedover til billens munn. Slik blir den stående til den har fått nok vann til å klare seg resten av dagen.

5727784378_89665f9f1c_z

Namibisk ørkenbille. Denne heter Onymacris unguicularis, men fungerer på samme måte som vår venn stenocara. Bilde: James Anderson/Flickr/CC license

Det som får dråpene til å vokse er at ryggen til billen er dekket av et mønster med hydrofile, vannelskende, humper på en hyrofob, vannhatende, bakgrunn. Vannet i tåken fester seg til de hydrofile humpene og bygger seg opp til større og større dråper, som ikke vil spre seg utover på det hydrofobe underlaget. Siden de har en relativt liten overflate å henge seg fast i, løsner de når de har kommet over en viss størrelse, og kan trille fritt nedover som en dråpe på et marikåpeblad.

Denne geniale billeteknologien har forskere en god stund brukt som utgangspunkt for overflater som kan høste drikkevann fra luftfuktighet i tørre områder. Men det er mer. Som vi kjenner godt til, kan fuktig luft fryse på overflater. Dette kan skape forsinkelser i flytrafikken fordi flyene må stå i kø for å komme bort til den sci-fi aktige avisningsmaskinen. Her sprayes gufne eller mindre gufne kjemikalier på flyvingene for å senke frysepunktet, slik at det blir mindre sjanse for nedising. Kanskje ørkenbillen kan gi oss et hint om hvordan dette kan gjøres bedre?

Svaret er selvfølgelig ja, og her kommer oppdagelsene på løpende bånd. I desember i fjor ble det publisert en artikkel der man viser hvordan avisingen kan gjøres bedre ved å spraye på frostvæsken som små dråper istedenfor en sammenhengende hinne. De små dråpene av frostvæske er nemlig slik at de gjerne vil ha mer vann i seg. Når vanndampen kommer i nærheten av disse dråpene, og får valget mellom å starte en ny liten dråpe på underlaget ved siden av eller å hoppe inn i frostvæskedråpen, velger de helst det siste. Om  disse dråpene legges med passe stort mellomrom, vil de dermed holde overflaten tørr mellom seg. Vannet som har havnet i frostvæsken blandes fort med resten av dråpen, slik at frysepunktet holdes lavt. Om man legger frostvæsken jevnt utover hele flyvingen, skjer blandeprosessen treigere, og det vil lettere kunne dannes et lag med nesten rent vann på toppen av hinnen, som kan fryse til is. Derfor er dråpemetoden mer effektiv.

Det neste forslaget, som ble publisert i Nature nå i januar, er å kle flyvingen i en ørkenbille-drakt. Da vil vannet samle seg på de vannelskende flekkene, med tørre områder imellom, som i eksempelet over. I dette tilfellet fryser vanndråpene ganske kjapt til is. Men, siden flekkene sitter forholdsvis langt fra hverandre, utvikler ikke dette seg til et sammenhengende ispanser. Kan det være bedre å få litt is på flyvingen, på en kontrollert måte, enn plutselig og ukontrollert isvekst? Isåfall kan dette være veien å gå.

 


av 2 kommentarer

Lukten av regn

Det har regnet litt for mye de siste dagene, men du vet hva jeg mener: Lukten som oppstår etter en ettermiddagsskur på en ellers solfylt dag. Det lukter sommer og varm asfalt. Kan dette forklares vitenskapelig?[/caption]

Nyheten dukket opp en dag i januar, men jeg ville spare historien til det ble sommer. Nå passer det bra.

Eksperimentet er nydelig, av den typen som alltid gir meg lyst til å jobbe med dråper og høyhastighetskameraer. To forskere ved MIT har sluppet vanndråper ned på tørre overflater som ikke er helt glatte, men er fulle av ørsmå hull eller porer, sånn som jord er. I studiet har de brukt både tørr jord og enklere porøse materialer.

Når dråpen treffer overflaten, er det en del luft som ikke rekker å unnslippe til sidene. Den blir fanget under dråpen, der den deler seg opp i flere små bobler. Boblene sitter fast i underlaget. Når vannet i dråpen trenger nedover i jorda, presses luft opp fra jorda til boblene, slik at disse vokser. I mellomtiden kommer overflaten på dråpen lengre og lengre ned, siden vannet forsvinner ned i underlaget. Når toppen av en boble er på høyde med overflaten av dråpen, sprekker boblen, og på samme måte som mye energi frigjøres når en ballong sprekker (BANG!) så fører boblesprekkingen til at ørsmå vanndråper slynges opp i lufta. Disse dråpene er så små at de ikke faller ned, men blir hengende i lufta.

Disse bittesmå vanndråpene består ikke bare av det vannet som falt ned på jorda i utgangspunktet. Luktstoffer som svevde rundt i lufta inne i jorda kan klistre seg fast på vanndråpene og bli med dem på ferden. Når du får en eller flere av disse mikrodråpene i nesa, merker du tilstedeværelsen av oljen petrichor, som lukter som regn på en solvarm bakke.

I artikkelen sin påpeker MIT-forskerne at denne prosessen, der regn får materiale fra bakken til å bli slynget opp i lufta, der det blir hengende en god stund, også kan få virus til å spre seg i lufta (ikke så hyggelig). Det har frem til nå ikke vært så lett å forklare hvorfor man ofte finner slike aerosoler, altså små partikler i atmosfæren, som inneholder mikroorganismer eller andre saker som hører til i jorda. Nå viser det seg at disse kan ha bli dannet i regnvær.

Forskerne jobbet seg systematisk gjennom en rekke forskjellige overflater og dråpehastigheter, og konkluderte med at aerosoler kan dannes i «lett til moderat regnvær» på jord som er mer finkornet enn sand og dessuten ganske hardpakket. MIT har laget en fin film om eksperimentet, bare se her:


av Legg igjen en kommentar

Etter regnet

Etter regnet glitrer det i tusenvis av vanndråper. De ligger som perler på de superhydrofobe bladene. Kløver, marikåpe og gress er blant de beste. Disse bladene er dekket av ørsmå hår, dekket av et stoff som vannet ikke kan fordra. Derfor blir vanndråpene liggende og balansere som klinkekuler oppe på toppen av hårståene.  

Neste vindpust vil få dem til å trille av. Støv og rusk på bladene vil klistre seg fast i dråpene og bli med på veien. Vips, så er bladene tørre og rene igjen. 

20140525-182658.jpg


av 2 kommentarer

Frossenfiskfysikk

Jeg ville egentlig skrive om våren, men jeg får det ikke til. Våren er biologiens tid. Hva kan jeg si om knopper, trekkfugler eller følelsen av å løpe på tørre stier uten lue og ullsokker?

Jeg nøyer meg for øyeblikket med å nyte våren, og flytter fokus til dagens middag.

Som mange andre har vi et lager av frosne fiskefilleter i fryseren, som vi bruker til å tilberede den sedvanlige småbarnsfamiliematen. Supertrikset er å ta fisken ut av fryseren og legge den i kjøleskapet om morgenen. Da er den tint og klar til middag, samtidig som man sparer strøm fordi frossenfisken hjelper til med å kjøle ned kjøleskapet. Men, sløve som vi er, hender det ofte at vi må starte middagslagingen med helt frossen fisk.

Triks B er da å legge fisken i kaldt vann, og gjerne la vannet renne for å få det til å gå enda fortere. Varmt vann er fristende men dumt, for da kan man ende opp med fisk som er ferdig tilberedt utenpå og fortsatt frossen inni (jeg har prøvd). Men nok om det. Når jeg tiner fisken i kaldt vann skjer det alltid noe rart.

Først er fisken kald og helt hard.

20140330-210012.jpgEtter å ha ligget en stund i vann er den blitt litt mykere, men den er dekket med et ganske tykt lag med is.

20140330-210030.jpgJeg har altså tint fisken, men laget ny is? Hvorfor i all verden? Vannet som er brukt er jo langt over frysepunktet. Jeg synes dette er like rart hver gang.

Det skyldes selvfølgelig ikke magi, og her er min hypotese for hva som skjer:

1. Fisken kommer fra fryseren, der temperaturen holder ned mot -20 grader. Der er alt vannet inne i fisken frossent.

2. Vannet inne i fisken inneholder mye salt og andre stoffer. Derfor er frysepunktet et godt stykke under null grader, akkurat som isen på veien smelter i kuldegrader når man strør på salt.

3. Når den kalde fisken kommer ned i det forholdsvis varme vannet, kjøler den ned vannet som ligger inntil overflaten. Siden fisken er langt under null grader kan det nærmeste vannet fryse til is.

4. Etterhvert blir fisken varmet opp så mye at den når smeltetemperaturen for vannet inne i fisken. Jeg vet ikke hva det er. La oss si det er minus fem grader. Nå vil temperaturen holde seg på minus fem inne i fisken helt til den er helt tint. Varmen som strømmer til fisken fra vannet omkring blir ikke brukt til å heve temperaturen, men til å smelte saltvann.

5. Rett utenfor fisken strømmer varmen fra det rene vannet of inn til fisken. Temperaturen kryper under null. Vannet på utsiden fryser til is, mens isen på innsiden smelter. Først når fisken er helt tint vil temperaturen inne i fisken komme over null grader, fisken vil slutte å stjele varme fra vannet på utsiden, og isen rundt fisken kan smelte.

Laget med is vil gjøre det vanskelig for varmen å komme seg inn i fisken. Derfor er det et godt triks å la vannet renne. Da vil man hele tiden tilføre nytt varmt vann, og islaget rundt fisken blir ikke så tykt.

Nå fikk jeg litt lyst til å stikke et termometer inn i fisken neste gang jeg skal tine fisk. Eller kanskje noen andre vil prøve? Hva er egentlig frysetemperaturen for laksefilleter?

 

 


av Legg igjen en kommentar

Kakaoeffekten

20140302-104055.jpgDu har sikkert prøvd å lage kakao, eller kanskje kaffe, ved å blande pulver og varmt vann i en kopp. Om du rører ut pulveret med en metallskje og lar den dunker mot siden av koppen mens du rører, kan du noen ganger høre at tonen i dunkelyden stiger mens du rører.

Hvorfor er det sånn?

Dette har selvfølgelig blitt besvart på skikkelig vis av en fysiker. Frank Crawford publiserte en artikkel i 1982 i American Journal of Physics med navnet «The hot chocolate effect». Effekten har også fått sin egen side på engelskspråklig Wikipedia, men ikke på norsk ennå, dessverre.

Kakaomusikk

Koppen med kakao oppfører seg som et musikkinstrument med en bestemt egenfrekvens. Egenfrekvensen til koppen avhenger av hva som er i den, og hvor mye som er i den. Om du dunker på koppen mens du heller vann oppi, vil tonen bli dypere desto fullere koppen blir. På samme måte lager en stor tromme dypere lyd enn en liten tromme, og kontrabassen har mye lengre strenger enn den lyse fiolinen.

Egenfrekvensen avhenger altså av hvor langt lyden må reise, men også av hvor lang tid den bruker på å reise. Om lyden går raskere, blir egenfrekvensen høyere og tonen lysere.

Hva som skjer i koppen

Når du skal lage kakao fra pulver, starter du med å varme opp vann. De fleste gasser liker seg ikke like godt i varmt som i kaldt vann. Det betyr at når du varmer opp vann som har vært kaldt, begynner den oppløste luften i vannet å få lyst til å komme seg ut. For å klare dette, må den lage bobler, og det er ikke gjort i en håndvending. Den vil helst ha noen passende overflater å begynne å  bygge boblene sine på.

Dette får den, først når du heller vannet ned i din ikke helt perfekt glatte kopp, og dernest i massevis når du tilsetter kakaopulveret. Vips blir koppen fylt av ørsmå, glade bobler. Når du rører hjelper du boblene med å finne veien opp til overflaten og over i lufta.

Lydens hastighet i vann og luft

Hva har dette med lyden å gjøre? Lydens hastighet avhenger av hva den må reise gjennom. Lyd er trykkbølger. En forstyrrelse et sted forplanter seg gjennom systemet ved at molekyler dytter på hverandre.

Se for deg en stor idrettsplass som er rigget til for konsert med et kjent band. I begynnelsen står og går folk spredt rundt omkring på plassen. Om en snubler og faller, dytter han kanskje til en annen, som kanskje vakler litt før han treffer en til, og en til… men forstyrrelsen beveger seg ikke spesielt fort. Etterhvert kommer flere folk til, og når konserten er i gang, står tilhørerne trengt tett i tett sammen foran scenen. Når noen faller over hverandre bak, går det en bølge gjennom forsamlingen og de som står forrerst blir ganske raskt dyttet inn mot gjerdet.

Det siste er en lydbølge i vann. Det første er en lydbølge i luft. Lyden går raskere jo tettere og mer ordnet molekylene i stoffet sitter.

Kakaoeffekten

Når koppen nettopp har blitt fylt med varmt vann og pulver, blir lydbølgene bremset av alle de små boblene, noe som gir en lav tone. Etterhvert som boblene stiger opp og forsvinner blir det mindre luft og dermed høyere tone på dunkingen.

Du er forresten ikke nødt til å bruke pulver, det bør klare seg med varmt vann. Men materialet på både koppen og skjeen kan ha noe å si. Om vannet har kokt en stund, eller vært varmt lenge, kan det hende at mye av luften har unsluppet slik at effekten blir mindre. Prøv selv!


av 4 kommentarer

Curlingfysikk

Her er det norske curlinglaget i aksjon under OL i Vancouver. Foto: Bjarte Hetland/Wikimedia Commons

Her er det norske curlinglaget i aksjon under OL i Vancouver. Foto: Bjarte Hetland/Wikimedia Commons

Curling. For en sport! Om jeg var fysikklærer skulle jeg ha tatt med meg elevene mine på curlingbanen for å oppleve Newtons lover på nært hold. Men det som virkelig gjør curlingen fascinerende, friksjonen, er så lite forstått at man må studere fysikk i flere år for å få noe særlig tak på det. Her kommer et lite innblikk i lovene som styrer curlingsteinens ferd over isen.

Minst mulig kontakt

Curlingsteinene – som er av granitt og mellom 17 og 20 kg tunge – er ikke flate under. De er uthulte, omtrent som en flaskebunn, slik at det bare er et ringformet område som er i kontakt med isen.

Heller ikke isen er flat. Curlingbanene sprayes av en dusj med vanndråper så de blir fulle av bittesmå ishumper.

Til sammen gjør dette at 20 kg granitt hviler på bare noen få topper av is. Intuitivt er det lett å se for seg at en helt plan overflate er glattere enn en ru flate, men når to veldig harde stoffer – som is og stein – skal gli mot hverandre, lønner det seg at den ene flaten er ru for å skape minst mulig kontakt.

Det smelter på toppene

Alle som har fulgt denne bloggen en stund bør vite at is stort sett er dekket av en tynn film med vann. Det er denne filmen som bestemmer hvordan steinen beveger seg. Desto tykkere film, desto mindre friksjon. Tykkelsen på filmen kontrolleres av to faktorer: Trykk og temperatur.

Smelting #1: Temperatur

Etter at steinen er satt i bevegelse, løper to mann foran og koster. Heftig kosting får steinen til å bremse mindre. Det er fordi kostingen øker temperaturen i isen, omtrent som når du gnir hendene fort mot hverandre. Høyere temperatur gir tykkere vannfim gir mindre friksjon gir mindre bremsing av steinen, og den går lengre. Om det kostes mer på den ene siden av steinen vil det få den til å svinge mot den andre siden, der friksjonen er større.

Smelting #2: Trykk

I curling kan man også få steinen til å svinge ved å få den til å rotere mens man skyver den fremover. Om steinen roterer med klokka, beveger fronten av steinen seg mot høyre, og friksjonen virker i motsatt retning, mot venstre. I bakkant virker friksjonen på mot høyre. Siden steinen ble satt i gang med et dytt på oversiden, der håndtaket sitter, bikker den hele tiden ørlite grann fremover. Det gjør at trykket fra steinen mot istoppene er større på fremsiden enn på baksiden. Høyt trykk gjør vannfilmen tykkere, og det gir mindre friksjon på forsiden av steinen enn på baksiden. Derfor er friksjonen som virker mot venstre mindre enn den som virker mot høyre. Summen blir en liten kraft mot høyre, som får steinen til å svinge.

Dette er avansert fysikk

I de fleste kurs i fysikk, både på videregående og på universitetet, er friksjon enten noe vi bestemmer oss for å se bort i fra, eller vi får oppgitt en enkel formel der friksjonenskraften er like stor som en bestemt andel av kraften fra tingen som beveger seg mot underlaget. I motsetning til Newtons lover har vi ingen universell naturlov som kan beskrive friksjon. Friksjon avhenger av mange forskjellige fenomener på mange forskjellige skalaer, og det foregår mye spennende forskning på dette rundt om i verden, også hos oss i Oslo. Senest i fjor ble det publisert flere artikler om nettopp curlingfysikk. Her er det mye å ta tak i.