Fysikk og Fascinasjon

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


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.


6 kommentarer

OL spesial: Skøyteis

Jeg har brukt en del tid på å se på skøyteløp i dag, og siden det ikke var uhyre spennende hele tiden ble jeg sittende og tenke på selve skøytebanen. Hva er det egentlig som skal til for å lage skøyteis i OL-klasse?

Den glatte isen

Is er et fast stoff, men det er mye glattere enn de andre faste stoffene vi omgir oss med. Imidlertid er faste overflater gjerne glatte når de er våte, og det er også flytende vann som er årsaken til at skøytene glir så lett over isen.

Siden det kan virke rart at isens overflate ikke er frossen selv om temperaturen er godt under null grader, har det vært foreslått at trykket fra skøyten på isen senker frysepunktet, eller at friksjonen mellom skøyten og isen genererer nok varme til å smelte det øverste laget med is. Om friksjonen hadde vært årsaken, hadde det vært vanskelig å få skøytene til å begynne å gli. Vi vet jo alle at is er glatt selv når man står helt stille. Trykket fra skøytene er i høyden nok til å senke frysepunktet med omtrent en grad, og skøyter glir fortsatt på isen når temperaturen er godt under tjue minusgrader.

Det viser seg at is nesten alltid har et lag av flytende vann på overflaten. Isoverflaten blir ikke skikkelig tørr før temperaturen nærmer seg tretti minus. Dette gir opphav til andre morsomme effekter som telehiv og sammensveising av snøkrystaller. Vannfilmen på isen blir tynnere desto kaldere det blir. Betyr det at isen er glattest når den er like ved å smelte? Hva er egentlig den optimale skøyteistemperaturen?

Fart versus kontroll 

Under OL foregår en rekke idretter på is: Lengdeløp, kortbaneløp og kunstløp, ishockey, curling, bob, aking og skeleton. Alle har sine spesielle egenskaper, og jeg skal holde meg til dem som foregår med skøyter.

I is-spesifikasjonene fra OL i Vancouver, 2010, oppgis optimal istemperatur for lengdeløp til å være mellom -9 og -5, for kortbaneløp -5.5, for kunstløp -3.3 grader og for hockey rundt -6 grader. Desto høyere temperatur, desto tykkere skal også isen være (fra 5 cm ned til 2.5 cm). Isen kjøles ved hjelp av en kjølevæske som sirkulerer i betongsålen under banen, og jeg er usikker på om det er sånn at tykkere is nødvendigvis er mindre kald fordi den kommer høyere opp fra det kaldere underlaget, eller om temperaturen på kjølevæska endres og det er andre grunner til å ha tykkere is.

Kald is er hard og gir fart, men om den er alt for kald blir laget av overflatesmelte så tynt at det ikke gir god smøreeffekt. Varm is er mykere og gir kontroll. Når isen er nærmere smeltepunktet er det enklere for kunstløperne å få tak med skøytene i isen før de skal gjøre hopp, eller eller gjøre krappe vendinger. Siden lengdeløperne ikke svinger så mye, får de den kaldeste isen som er best for fart.

Myk is og hard is 

Men hvorfor er det egentlig sånn at varm is er mykere? Isbiter som er i ferd med å smelte er da slett ikke myke. De er harde helt til de forsvinner. Hadde skøytebanen vært en stor, flat isbit, ville bare laget med overflatesmelte bli tykkere og tykkere oppå den harde isen.

Jeg tror svaret må ligge i at skøytebanen ikke er en stor isbit, men at den består av mange små iskrystaller. Når is ligger mot is har den det ganske fint, og det behøver ikke være flytende vann mellom alle iskrystallene. Men i kantene og hjørnene av krystallene har vannmolekylene det fortsatt litt ugreit, og der vil de smelte. Derfor har slike store blokker med is et nettverk av små vannårer i seg. Når temperaturen stiger, blir det mer og mer av dette vannet, helt til iskrystallene begynner å løsne fra hverandre rundt null grader. Dette opplever vi som sørpe om våren.

Størrelsen på iskrystallene avhenger for en stor del av hvor fort isen fryser. Ved å variere hvor mye vann man heller på banen, hvor kaldt underlaget er under innfrysningen, og hvor kald isen er når den brukes, kan man derfor variere isens egenskaper ganske mye.

Vedlikehold av isen

Jeg har ofte lurt på hva som egentlig skjer når skøyteløperne tar pause og isen vannes. For lengdeløp dusjes isen med vann som er 65 grader varmt. I tillegg har vannemaskinen en skarp, over to meter lang skrape som den bruker til å få isen helt plan. Siden isen hele tiden kjøles fra undersiden, gjør dette at isoverflaten blir flat og fin.

Om luftfuktigheten over isen blir for høy, kan det dannes rim. Da vokser små busker av is opp fra isoverflaten. Disse gjør isen ru og øker friksjonen. Derfor må OL-arenaene ha et godt anlegg for å holde luftfuktigheten lav.

Sånn, da vet vi det. Derimot er curlingis ikke som skøyteis, av interessante årsaker, og jeg blir kanskje nødt til å skrive noe om det senere.
Bilde: "Skate like the wind" av Joshua Mayer/Flickr

Bilde: «Skate like the wind» av Joshua Mayer/Flickr (CC lisens)


3 kommentarer

Snø. Magi.

Tenk at vi bor et sted der nedbøren ikke bare kommer i form av regn, men at lufta over oss noen ganger er så kald at vannmolekylene klamrer seg fast i hverandre når de møtes, og danner millioner av fjærlette iskrystaller med overflater som er så flate og små at lyset spres i alle retninger og alt rundt oss blir hvitt.

Tenk at de aller ytterste vannmolekylene ofrer seg for fellesskapet og danner et flytende lag på utsiden av iskrystallen, selv om det egentlig er alt for kaldt, for at resten av krystallen skal slippe å være naken mot vinteren.

Tenk at når to snøfnugg møtes, og is ligger kinn mot kinn, får vannet mellom dem endelig lov til å fryse. Så henger de sammen, og to små har blitt ett litt større.

Tenk at millioner av snøfnugg samles på bakken og forenes til et skjørt, luftig byggverk. Da er de ikke fnugg lengre, men snø.

Om natten kjører løypemaskinen gjennom den stille skogen. Under den blir snøen presset sammen, gamle kontakter brytes, og nye, større, kraftigere dannes. Snøen blir fast og solid.

Neste dag spenner du på deg skiene. På millioner av overflater ofrer vannmolekylene seg for sine venner. Skiene glir på vannet, på snøen. Fort, stille.

IMG_1017


21 kommentarer

Fryser varmtvann fortere enn kaldtvann?

20140108-204445.jpgDu setter to glass med vann inn i fryseren. Til å begynne med er temperaturen i det ene glasset ti grader, og femti grader i det andre. I hvilket glass blir vannet først til is?

Dette høres ut som et dustete spørsmål. Vannet som starter ved femti grader er jo nødt til å passere ti grader før det kan nå null. Når det kommer til ti, er det ti grader varmt vann, akkurat som det andre vannet var da det startet. Det er ingenting som tilsier at vannet som en gang var varmere, skal komme seg fortere fra ti til null enn det andre glasset. Vann er vann. Det kalde vannet fryser vel først?

Mpemba-effekten

Det varme vannet fryser først.

Denne effekten har vært kjent i tusenvis av år. Aristoteles skrev om den 350 før Kristus, det samme gjorde Francis Bacon og René Descartes.

I dag er fenomenet kjent under navnet Mpemba-effekten, og er således et av de få naturfenomener med afrikanskklingende navn. Ernesto Mpemba var en skoleelev i Tanzania som i 1963 oppdaget at melkeblandingen hans ble til iskrem fortere dersom den var varm når han satte den i fryseren. Han ble gjort til latter av lærere og medelever, men fikk, flere år senere, observasjonen sin bekreftet av en universitetsfysiker, Denis Osborne, som besøkte skolen. Denne fysikeren hadde lært at man aldri skulle gjøre narr av elevers spørsmål. Historien og resultatene ble publisert av Mpemba og Osborne i en nydelig artikkel i 1969. Jeg anbefaler alle å lese den.

Sirkulasjonsforklaringen

Man skulle kanskje ikke tro det, men frysing av vann er en komplisert sak. Det er alt for mye som kan varieres: Formen og størrelsen på beholderen, temperaturen på fryseren, luftstrømmene inne i fryseren, mengden av gass og salter som er oppløst i vannet… og lista kan gjøres mye lengre. Det er imidlertid vanskelig å tro at ti grader varmt vann som var femti grader for litt siden, skal være anderledes enn ti grader varmt vann som har vært ti grader lenge. Vann er vann. Derfor er den mest populære forklaringen på Mpemba-effekten basert på forskjellige sirkulasjonsmønstere som oppstår i beholderen med vann.

Når et glass med vann settes inn i fryseren, mister det varme fra sidene, bunnen og toppen. Vannet i midten av glasset holder seg forholdsvis varmt. Kaldt vann er tyngre enn varmt vann. Vann som kjøles ned langs kantene av glasset vil derfor synke ned til bunnen av glasset, mens varmt vann stiger opp. Denne sirkulasjonen gjør nedkjølingen mye raskere enn om vannet hadde ligget helt i ro. I varmt vann blir temperaturforskjellen mellom midten og kantene av glasset større, slik at sirkulasjonen blir raskere. Når den gjennomsnittlige temperaturen i glasset har nådd ti grader, er fortsatt en god del av vannet varmere, og fortsetter å drive de kraftige strømmene. Slik kan vannet i glasset fortsette å kjøles raskere enn det som ble satt inn ved ti grader.

Mpemba utenfor fryseboksen

Det fantes ingen frysebokser på Aristoteles tid, så Mpemba-effekten kan ikke være et rent fryseboksfenomen. Her i Norge har mange fått erfare at det er varmtvannsrørene som fryser først i sprengkulde. Mpemba-effekten får mye oppmerksomhet i USA for tiden, men ikke fordi amerikanerne har blitt veldig opptatt av å sette vann i fryseboksen, men fordi folk går ut i sprengkulda og kaster kokende vann opp i lufta. Vannet blir til en sky av is. Det samme skjer ikke med kaldtvann.

Screenshot 2014-01-08 20.42.55

Når vann fryser i rør, og ikke minst når en vanndråpe blir til is i brøkdelen av et sekund, er det vanskelig å bruke sirkulasjonsmønstrene fra glasset i fryseboksen som forklaring. Er vann – bare vann?

Vannvittig rart

Vannmolekylet består av ett oksygenatom og to små hydrogenatomer som er bundet tett sammen. Hydrogenene og oksygenet ligger ikke pent på linje, men danner en slags V, med oksygenet i bunnen av vinkelen. Dette gjør at vannmolekylet er har negativ ladning på den ene siden og positiv ladning på den andre siden, som igjen gjør at vannmolekyler har en tendens til å klistre seg sammen, hydrogen mot oksygen.

I fjor kom en gruppe kinesiske forskere med en temmelig dristig forklaring på Mpemba-effekten. De mener å ha beregnet at når vann varmes opp og utvides, beveger vannmolekylene seg fra hverandre, men dette får samtidig hydrogenene til å dyttes nærmere oksygenet inne i hvert enkelt molekyl. Den svake bindingen blir lengre, men den sterke blir kortere. Den sterke bindingen er omtrent som en fjær som blir dyttet sammen. Når vannet kjøles ned, må molekylene komme nærmere hverandre igjen. Den komprimerte fjæra inne i molekylet virker da som et slags ekstra batteri som hjelper molekylene til å komme sammen og temperaturen til å gå ned. Det finurlige med denne modellen er at det skal ta ganske lang tid, flere minutter, for disse fjærene å utvides igjen. Derfor er ikke nødvendigvis vannet som var femti grader og har blitt ti akkurat det samme som vannet som startet ved ti grader. Det trenger litt tid på å nå den avslappede vanntilstanden igjen.

Dette var fryktelig vanskelig, så jeg tar det igjen. Ola, Halvor og Odd står på rekke. Ola og Halvor er oksygen og hydrogen i molekyl nummer en, og er sterkt knyttet til hverandre. Odd er oksygenet i molekyl nummer to. Halvor og Odd henger løselig sammen. Når det blir varmt i været, vil Odd og Halvor stå lengre fra hverandre, men spillets regler er sånn at dette gjør at Ola og Halvor blir dyttet nærmere hverandre, mot sin vilje. Når temperaturen går ned igjen, synes Odd og Halvor det er greit å gå litt nærmere hverandre, mens Ola dytter og dytter på Halvor for å få ham nærmere Odd. Det er denne vedvarende dyttingen fra Ola som lar vannet forandre seg raskere når det har vært varmt.

Hva er rett svar?

Vann er både spesielt og viktig, og har blitt tillagt mange ekstraordinære egenskaper opp gjennom årene, som stort sett har vist seg å være feil. Jeg er skeptisk til forklaringen over, men åpen for at den kan ha noe for seg. Det er ikke sikkert at Mpemba-effekten noen gang vil få sin endelige forklaring, og kanskje kan ikke den samme forklaringen brukes på alle situasjonene der effekten oppstår. Det er helt greit.


Legg igjen en kommentar

Skytterfisk og mannlig urinering

En veldig tynn stråle av vann har en tendens til å brytes opp til en rekke av dråper. Dette fenomenet, som skyldes at vannstrålen vil minimere overflatearealet sitt, kan du se om du prøver å få vannstrålen i springen til å bli så liten som mulig. Nå vil jeg fortelle om hvordandette fenomenet, med det gode navnet Plateau-Rayleigh ustabiliteten, spiller hovedrollen i to av årets mer fascinerende fysikkstudier.

Spyttefisken

Skytterfisken. Bilde: Wikimedia Commons

Skytterfisken. Bilde: Wikimedia Commons

Skytterfisken lever i brakkvannsområder i tropene, der den bruker en ganske spesiell taktikk for å fange mat.

Den svømmer omkring like under vannflaten mens den ser etter insekter som sitter på gress og kvister over vannet. Når den ser et passende bytte, stikker den hodet opp og skyter ut en vannstråle. Vannet treffer insektet, som faller ned og inn i gapet til fisken, som i mellomtiden har plassert seg på riktig sted.

Forskere har undret seg over hvordan den lille fisken har kunnet spytte hardt nok til å få insektene til å falle ned, og nå har de brukt høyhastighetskamera til å finne svaret.

På vei fra fisken til insektet brytes vannstrålen opp i dråper, på grunn av den nevnte ustabiliteten. Da fisken spyttet, økte den trykket på spyttinga mot slutten. Dette gjør at det bakerste vannet går fortere enn det forrerste. Det som nærmer seg insektet er en rekke med dråper, der de bakerste hele tiden tar igjen dråpene foran og gir dem et ekstra dytt. Vannet blir mer og mer samlet og går fortere og fortere, helt til en kanonkule av vann treffer insektet med kjempekraft og sender det i munnen til den ventende jegeren.

Ikke bare ett, men to hydrodynamiske triks. For en fisk!

Urinalsøl

Når vi først er i gang med Plateau-Rayleigh ustabiliteten, er vi nødt til å ta med et annet studie som har vakt oppsikt i år. Denne gangen er det urinaldynamikk som har blitt studert med høyhastighetskamera.

En urinstråle vil, akkurat som hos spyttefisken, brytes opp i dråper etter en viss avstand. Du har kanskje lagt merke til at herretoaletter lukter verre enn dem som damene bruker? Studien viser at når strålen treffer en overflate etter at ustabiliteten har inntruffet, er det så godt som umulig å unngå søl. Moralen: Sitt og tiss? Stå veldig nær urinalet? Eller vask ofte på guttedoen. Her har forskerne samlet noen andre, vitenskapelig begrunnede råd.


1 kommentar

Isnåler

20131121-151553.jpg
Nå er det virkelig tiden for å se fantastiske isformasjoner ute i skogen.

I dag traff jeg ispelsens tjukke slektninger, isnålene. De oppstår på samme måte som ispels, men ikke fra greiner. Jord som er våt kan også inneholde såpass små hulrom at vannet ikke greier å fryse til is før det kommer seg ut i friluft. Siden hulrommene i jorda er større enn dem i greinene, blir resultatet et sett med tjukke, klare isnåler istedenfor den fine ispelsen.

20131121-151929.jpg


4 kommentarer

Ispels

November er kanskje trist og grå, men den også noe helt spesielt å by på: De første frostnettene. Enkelte morgener kan man våkne opp og se at magiske ting har skjedd i løpet av natten. Ett av de aller vakreste fenomenene har jeg ikke klart å finne et navn for på norsk, så jeg kaller det ispels (svensk: håris, tysk: haareis).

Se etter ispelsen morgenen etter en frostnatt. Det bør ha vært plussgrader vått i været de siste dagene, og nattetemperaturen skal ikke ha gått alt for langt under null. Det er døde greiner med rifter eller andre skader som kan gro ispels en slik natt.

På avstand ser ispelsen ut som noe hvitt og pusete på greina. Nesten som en slags sopp. Går du nærmere vil du se at den består av mange små ishår. Noen ganger er de krøllet i fine former. Om du tar på dem, vil fingervarmen få dem til å smelte.

Forrige mandag rakk jeg ikke T-banen fordi jeg var så opptatt med å krype rundt i buskene og ta bilder av pels.

Forrige mandag rakk jeg ikke T-banen fordi jeg var så opptatt med å krype rundt i buskene og ta bilder av pels.

Dette har skjedd: Greina var full av vann. Jeg har tidligere skrevet om at vann inne i trær ikke begynner å koke, fordi det ikke er plass til å danne bobler i de tynne rørene som vannet befinner seg i. Av samme grunn skal det mye til at vann inne i trær fryser til is. Hadde det ikke vært sånn, hadde det nok vært vanskelig å være tre på våre breddegrader.

Når greina har en skade, munner en del av de vannfylte rørene ut i friluft. Her har vannet plutselig plass til å bli til is, så det begynner å gro en liten iskrystall på tuppen av røret. Det vannet som sitter nærmest åpningen har hele tiden mest lyst til å bli en del av iskrystallen. Derfor bygges det mer og mer på krystallen i åpningen, og isen vokser som et tynt hår ut fra greina mens vannet suges ut til overflaten.

Tror du meg ikke? Heldigvis har noen filmet prosessen, og du kan se det i fortfilm her. Lykke til på pelsjakt.