Fysik LIBER SPEKTRUM
Lennart Undvall
Anders Karlsson
Fysik
Lennart Undvall
Anders Karlsson LIBER
Välkommen till Liber Spektrum Fysik 8
Den femte upplagan av Spektrum Fysik möter det centrala innehållet i Lgr22 med uppdaterat stoff och nya kapitel. De tre långsiktiga målen är i fokus i olika inslag i hela Spektrum Fysik.
I KAPITELINGRESSERNA lyfts de tre långsiktiga målen fram med bilder och frågor, målbeskrivningar samt ett urval av begrepp. Ett nytt inslag i avsnitten är FRÅGOR TILL TEXTEN, nertill på varje sida. De hjälper läsaren att snabbt repetera viktigt innehåll, och ger en paus i läsandet. FÖRDJUPNINGSRUTOR förstärker biologins mångsidighet.
TESTA DIG SJÄLV erbjuder begreppsträning och uppgifter som ger träning på innehållet, informationssökning och faktagranskning samt mer utmanande uppgifter. PERSPEKTIVEN lockar till diskussion och ställningstaganden. Här tränas förmågan att skilja värderingar från fakta och att utveckla ett kritiskt tänkande. Varje kapitel avslutas med en SAMMANFATTNING följd av FINALEN med uppgifter som förankrar kunskaperna och ger träning inför de nationella proven.
Fysiken i naturen och samhället lyfts i kursplanen och utgör grunden i Spektrum Fysik. Ämnets historiska utveckling synliggörs, samtidigt som fokus läggs på aktuella frågor som till exempel det nya elsamhället, klimatförändringar, energiförsörjning och hållbar utveckling. Kunskaper i fysik ger förutsättningar att följa, förstå och påverka samhällsutvecklingen. Spektrum Fysik tar upp aktuell forskning inom relevanta områden och vad den betyder för oss och den framtida utvecklingen.
Författare till Spektrum Fysik är Lennart Undvall och Anders Karlsson. Lennart Undvall har lång lärarerfarenhet och är läromedelsförfattare i fysik och matematik. Han har fått Ingvar Lindqvist-priset för sin pedagogiska kompetens och sitt starka engagemang inom det naturvetenskapliga området. Anders Karlsson är läromedelsförfattare i fysik, teknik och matematik. Han är fysiker och lärarutbildad i fysik och matematik. Anders har också arbetat som redaktör på Forskning & Framsteg.
Liber Spektrum Fysik finns även som heldigitalt läromedel.
1 Informationssökning
. Utmaningar
7.3_vaxthuse ekt
Innehåll
6.1
8.1 Ljusets utbredning och reflektion
Ljusets
7.1 Värme sprids på tre olika sätt
7.2 Växthuseffekten påverkar vädret
7.3 Vädret och klimatet
Här mäts trycket i en vätska, det vill säga i blodet. Varför inte ta en titt på själva mätinstrumentet nästa gång ditt blodtryck mäts!
Tryck
En fråga om liv eller död
Högt blodtryck ligger bakom många vanliga sjukdomar. Därför är kontroll av blodtrycket det första som sker när man kommer till ett sjukhus eller en vårdcentral. Det är hjärtmuskeln som skapar trycket när den pumpar ut blodet i kroppen. Tryck är en egenskap som alla vätskor och gaser har. Begreppet tryck används även när fasta material utsätts för en kraft. Det är kunskaper om tryck som gör det möjligt att flyga, klättra uppför världens högsta berg och dyka djupt ner i haven.
Här skapas lyftkraft i luften, det vill säga i en gas. Propellrarna pressar luften neråt. Trycket ökar under vingarna samtidigt som det minskar ovanför, vilket gör att drönaren lyfter.
Skidor eller snöskor spelar ingen roll, båda minskar trycket på snön. Utan dem skulle man sjunka ner i snön och inte kunna tas sig fram.
HÄR FÅR DU LÄRA DIG
• vad tryck är för något och hur tryck varierar beroende på kraft och area
• hur man mäter tryck
• om tryck på fasta material, tryck i vatten och i gaser
• hur kunskaper om tryck gjort att vi kunnat utveckla nya maskiner, redskap och sjukvårdsutrustning och hur det påverkat våra liv
• hur historiska upptäckter kring tryck banat väg för förståelsen av till exempel lufttryck, och varför flygplan kan flyga
• samtala om och argumentera för problematiken med olika enheter för tryck inom sjukvården, och hur det kan påverka patienterna
NÅGRA VIKTIGA BEGREPP
tryck pascal hektopascal densitet Arkimedes princip lyftkraft kommunicerande kärl atmosfär lufttryck barometer övertryck undertryck vakuum Vilka begrepp känner du igen?
När tyngden fördelas på en stor yta blir trycket på snön inte lika stort. Det gör att skidorna inte sjunker ner i snön.
Kraften är 30 N
och stenens area
är 200 cm2
Trycket är 0,15 N/cm2 (30 / 200 = 0,15).
Tryck på fasta material
När jorden packas av tunga traktorer och skördetröskor växer grödorna sämre. Eftersom det är svårt att tillverka större däck, har tillverkarna hittat nya sätt att minska trycket. De byter hjulen mot långa, breda band. Därför ser vi fler och fler bandtraktorer på fälten.
Vad är tryck?
Hanna och Molly är ute på ett stort fält som är täckt av snö. Hanna åker skidor och Molly går. Molly sjunker ner i snön men inte Hanna, trots att de båda väger lika mycket. Hur kommer det sig?
Förklaringen är att de skapar olika stort tryck på snön. Hannas skidor har större area än Mollys kängor. Därför skapar Hanna ett lägre tryck på snön än Molly. Principen gäller för alla sorters skidor. Under Mollys kängor blir trycket så högt att snön inte klarar av att stå emot. Hon sjunker ner i snön.
Samma kraft, olika area
Låt oss titta närmare på hur en och samma kraft kan skapa olika tryck. Vi placerar en sten på en tvättsvamp. Stenen har massan 3 kg. Det betyder att stenen trycker på svampen med kraften 30 N. Kraften fördelar sig jämnt över hela svampen. Trycket blir därmed inte så högt och svampen trycks knappt ihop alls.
Vad händer om vi vrider på stenen och låter den minsta sidoytan vara vänd mot svampen? Jo, svampen trycks ihop mer, på grund av ett högre tryck. Eftersom det fortfarande är samma sten är kraften lika stor. Förklaringen till det högre trycket är att kraften nu fördelar sig på en mindre yta.
Kraften är 30 N och stenens area
är nu 50 cm2
Trycket är 0,6 N/cm2 (30 / 50 = 0,6).
Ju mindre yta, desto högre tryck – och tvärtom.
Tyngden av 100 g är 1 N.
Tyngden av 1 kg är 10 N.
tryck= kraft area p F A =
Hanna Molly
Grundenheten för tryck
Enheten för tryck bygger på grundenheten för kraft, newton (N) och grundenheten för area, kvadratmeter (m2).
Tryck är kraft fördelad på en yta. Grundenheten inom naturvetenskapen är därför newton per kvadratmeter (N/m2). Enheten kallas även pascal, efter den franske matematikern och fysikern Blaise Pascal. Han är bland annat känd för sitt enastående arbete inom både matematik och fysik på 1600-talet.
Men 1 pascal är ett mycket lågt tryck. Ett vanligt papper som ligger på ett bord ger ungefär trycket 1 pascal. Eftersom man i praktiken sällan har så låga tryck, används oftast enheterna hektopascal (1 hPa = 100 Pa) och kilopascal (1 kPa = 1 000 Pa).
Wille står i snön. Han väger 30 kg och hans båda pjäxor har tillsammans arean 5 dm2. Hur högt är trycket mot snön?
Willes tyngd är 300 N. Arean är 5 dm2.
p F A =
p = 300 5 N/dm2 = 60 N/dm2
SVAR: Trycket är 60 N/dm2
ENHETER
TRYCK
1 N/m2 = 1 Pa
1 hPa = 100 Pa
1 kPa = 1 000 Pa
EXEMPEL 1
Vilken tyngd
Genom att ha band istället för hjul så trycks inte jorden ihop lika hårt.
Några böcker ligger i en trave på ett bord. Böckerna väger sammanlagt 1 800 g. Den understa bokens omslag har måtten 18 cm x 25 cm. Beräkna böckernas tryck mot bordet. Svara med enheten kilopascal.
Böckernas vikt är 1,8 kg, vilket ger tyngden 18 N. Kraften mot bordet är alltså 18 N.
Omslagets area är 18 · 25 cm2 = 450 cm2 = 4,5 dm2
p F A =
p = 18 4, 5 N/dm2 = 4 N/dm2 = 400 N/m2 = 400 Pa = 0,4 kPa
SVAR: Trycket är 0,4 kPa.
Stor kraft på liten yta skapar högt tryck. Därför fungerar en yxa bäst när den är vass.
Ligg ner om isen är svag!
Då ökar kroppsytans area mot isen och trycket minskar.
Liten area ger högt tryck
I många sammanhang vill man ha en liten yta för att få ett så högt tryck som möjligt. Knivar, yxor, spikar och nålar har en yta med väldigt liten area för att de lätt ska kunna tränga in i olika material.
Den lilla ytan på en spik, i kombination med en stor kraft från hammaren, gör att trycket blir mycket högt. Spiken går lätt in i träbiten.
Stor area ger lågt tryck
I vissa situationer är det livsviktigt att tänka på hur arean påverkar trycket. Det gäller till exempel när man åker långfärdsskridskor på en sjö. En smal skridskoskena ger ett högt tryck på isen och kan leda till att den brister.
Ska man hjälpa någon som har gått genom isen gäller det att minska sitt eget tryck på den svaga isen. Det kan man göra genom att lägga sig ner på isen och åla sig fram. På så sätt fördelas kroppens tyngd över en större yta, vilket gör att trycket blir lägre.
TESTA DIG SJÄLV
FÖRKLARA BEGREPPEN
kraft tryck
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 a) Förklara vad som menas med en pascal (1 Pa).
b) Ibland anges tryck i enheterna hektopascal eller kilopascal. Vad menas med de här enheterna?
2 Ge exempel på tillfällen då vi vill
a) minska arean på en yta för att få ett högt tryck.
b) öka arean på en yta för att få ett lågt tryck.
3 Förklara varför det är farligare att vara ute på svag is om du åker skridskor, jämfört med om du går.
4 Hur högt är trycket om kraften är 100 N och arean 10 cm2?
5 Hur högt är trycket i pascal om kraften är 100 N och arean 2 m2?
6 Ett akvarium som väger 200 kg står på en bänk. Akvariets bottenyta har arean 1 m2.
a) Hur stor är kraften mot bänken?
b) Hur högt är trycket mot bänken? Svara med enheten pascal.
7 Hur gör man för att minska trycket från jordbruksmaskiner på åkermarken?
8 En läskflaska som väger 600 g står på ett bord.
a) Hur stor är kraften mot bordet?
b) Hur stor är kraften mot bordet om flaskan vänds upp och ner?
c) När är trycket högst, när flaskan är rättvänd eller står upp och ner?
d) Hur högt är trycket när flaskan är rättvänd, om bottenytans area är 30 cm2? Svara i både N/cm2 och kPa.
e) Vänder vi på flaskan blir ytan mot bordet sex gånger mindre. Hur högt blir trycket då?
9 Hur stor är kraften mot ett underlag om bottenytans area är 2 m2 och trycket 4,5 kPa?
10 Väg din fysikbok och mät omslagets längd och bredd. Räkna sedan ut hur högt trycket är när boken ligger på bordet? Svara i kilopascal. Avrunda till tiondelar.
11 En dam väger 60 kg och vilar tyngden på två klackar som vardera har arean 2 cm2. En elefant som väger 5 ton står på sina fyra fötter bredvid damen. Varje elefantfot har arean 200 cm2. Vem utsätter golvet för högst tryck, elefanten eller damen?
12 På vintern förekommer det att man plogar upp bilvägar på frusna sjöar. Hur tjock måste isen vara för att den ska vara godkänd för biltrafik?
Vattnets tryck påverkar dykaren lika mycket från alla håll. Ju djupare ner dykaren dyker, desto högre blir trycket. Till sist blir trycket så högt att dykaren inte orkar andas.
6.2
Tryck i vätskor
Att veta vilket djup man dyker på är lika viktigt som att veta hur mycket syre som finns kvar i gastuben på ryggen. Men hur mäter man djupet? I början använde man rep med knutar på för att mäta hur djupt man dök. Men så snart fysikerna kom på att man kan mäta tryck i vatten ändrades det. Idag används tryckmätare som djupmätare, eftersom trycket ökar i jämn takt ju längre ner man kommer.
Tryck i vatten
När man dyker ner ett par meter under vattenytan börjar man känna att det gör ont i öronen. Det som händer är att trumhinnan utsätts för ett tryck från vattnet. Trycket skapas av vattnets tyngd. Ju djupare man dyker, desto högre blir trycket.
När en dykare simmar ner till 10 meters djup, blir trycket 10 N/cm2. Det är lika högt som om varje kvadratcentimeter på kroppen skulle belastas med 1 kg. Trycket är lika högt i alla riktningar. Därför utsätts dykaren för lika stort tryck på magen som på ryggen.
Trycket beror även på hur hög densitet vattnet har. Saltvatten har något högre densitet än sötvatten. Det gör att 1 liter saltvatten väger mer än 1 liter sötvatten. Därför utsätts en dykare för ett något högre tryck i havet än i en insjö.
Varför känner man sig lätt i badet?
Varför är det lättare att hoppa jämfota i en pool än att hoppa jämfota på en gräsmatta?
Den frågan fick sin förklaring redan för 2 000 år sedan, av en man som hette Arkimedes. Förklaringen kom därför att kallas Arkimedes princip. Låt oss titta närmare på vad den principen innebär.
När man hoppar ner i en pool tränger kroppen undan en viss mängd vatten. Det är det undanträngda vattnet som gör att man känner sig lättare.
I fysiken säger man att det undanträngda vattnet skapar en lyftkraft. Den lyftkraften är lika stor som tyngden av vattnet som kroppen tränger undan. Ju högre densitet vätskan har, desto större blir lyftkraften. Eftersom saltvatten har högre densitet än sötvatten, är lyftkraften större i saltvatten än i sötvatten. Det förklarar varför vi flyter bättre i saltvatten än i sötvatten.
Nu kan vi också förklara varför en båt flyter. Tänk dig att du sitter i en eka på sjön. Vattnet skapar en lyftkraft som är precis så stor som tyngden av det vatten som ekan tränger undan. Eftersom ekan flyter, så är lyftkraften lika stor som din och båtens sammanlagda tyngd.
Vad är kommunicerande kärl?
Med en genomskinlig slang kan vi upptäcka något intressant. Om vi håller slangens båda ändar uppåt och häller i vatten, kommer de två vattenytorna i slangen att hamna på samma nivå. Det spelar ingen roll om vi håller ena änden högre än den andra. Att en vätska beter sig så här utnyttjas i kommunicerande kärl
Ett exempel är rostfria tankar som används i livsmedelsindustrin. På utsidan av tanken finns ett tunt, lodrätt glasrör. Upptill och nertill står röret i förbindelse med tanken. Vätskenivån i tanken ligger därför på precis samma höjd som nivån i glasröret. Det gör att man kan läsa av vätskenivån i tanken genom att titta på glasröret.
Det var när Arkimedes låg i badet som han kom på det som idag kallas Arkimedes princip. Lyftkraften från vattnet är lika stor som tyngden av det vatten man tränger undan.
ARKIMEDES PRINCIP
Lyftkraften på ett föremål som sänks ner i vätska, är lika stor som den undanträngda vätskans tyngd.
Vätskenivån ställer alltid in sig på samma höjd i kärl som står i förbindelse med varandra. Därför är nivån i det smala röret på samma höjd som nivån i den stora tanken.
FAKTA
En sten har tyngden 250 N och volymen 10 dm3. Stenen släpps ner i vatten.
a) Hur stor är lyftkraften?
b) Förklara varför stenen sjunker.
a) Stenen tränger undan 10 dm3 vatten. 1 dm3 vatten väger 1 kg, så det undanträngda vattnet väger 10 kg. Tyngden av det undanträngda vattnet är då 100 N, vilket är lika med vattnets lyftkraft.
b) Stenen sjunker eftersom lyftkraften (100 N) är mindre än stenens tyngd (250 N).
SVAR: a) 100 N
b) För att lyftkraften är mindre än stenens tyngd.
Ett vattentorn och alla vattenledningar i husen är sammankopplade till ett kommunicerande kärl. Det gör att det skapas ett tryck i ledningarna i huset. Vattnet vill stiga upp till samma nivå som i vattentornet.
EXEMPEL
Vattentorn skapar tryck i våra kranar
Principen med kommunicerande kärl utnyttjas också för att få fram vatten till våra bostäder. Genom att placera ett vattentorn fyllt med stora mängder vatten på en höjd skapas ett tryck i alla vattenledningsrör. Vattennivån i husens rör ligger lägre än vattennivån i vattentornet. Trycket uppkommer eftersom vattnet i alla rör strävar efter att nå samma höjd som vattenytan i vattentornet.
Bygger man hus som ligger högre än vattentornet blir det problem.
Då måste man ta hjälp av pumpar som förstärker vattentrycket i ledningarna. Vattnet kan då rinna ur kranarna även hos de som bor på de översta våningarna.
TESTA DIG SJÄLV
FÖRKLARA BEGREPPEN
densitet lyftkraft Arkimedes princip kommunicerande kärl
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Hur förändras trycket när du dyker allt djupare ner i en bassäng?
2 En dykare står på botten av en sjö. Var är trycket på dykaren högst, på näsan eller öronen?
3 Ge två exempel på kommunicerande kärl i verkligheten.
4 Förklara varför du flyter bättre i havet än i en insjö.
5 När du badar i Döda havet flyter du bra. Det beror på att vattnet har så hög densitet.
a) Vilka två krafter påverkas du av när du flyter?
b) Vilken av de två krafterna är störst?
6 a) Hur mycket väger föremålet som hänger i dynamometern?
b) Varför minskar dynamometerns utslag när föremålet sänks ner i vatten?
c) Hur stor är lyftkraften? 6.14 1,40 N 1,15 N
7 Förklara hur ett vattentorn kan göra så att du får vatten i din kökskran.
8 Ett föremål hänger i en dynamometer som visar 1,2 N. När föremålet sänks ner i en bägare med vatten stiger vattenytan från 60 ml till 90 ml.
a) Beräkna föremålets densitet.
b) Hur stor är lyftkraften?
9 Isberg flyter på vatten. Men 90 % av isberget finns alltid under vattenytan. Varför är så stor andel av isberget under vattenytan?
10 I kommunicerande kärl står vattenytorna lika högt. Men om rören är riktigt tunna så gäller inte detta, på grund av en kraft som kallas kapillärkraft. Denna kraft utnyttjas av många växter. På vilket sätt då?
6.2
TRYCKET I KROPPEN
Trycket i kroppen
Hjärtat skapar tryck i blodet. Lungorna och omkringliggande muskler påverkar trycket hos luften vi andas. När vi kissar skapar urinblåsan ett tryck som pressar ut urinen. Tryck av olika slag är alltså nödvändigt i våra kroppar för att vi ska fungera och må bra. Grundenheten för tryck är pascal (Pa), men den enheten används nästan aldrig inom sjukvården.
120 GENOM 60
Blodtrycket är 120/60 mm Hg, säger läkaren till den som är ung och frisk. Enheten uttalas millimeter kvicksilver. Det första talet anger trycket som skapas i blodet när hjärtmuskeln pumpar ut blodet. Det andra talet anger trycket då hjärtat vilar.
Vi andas med ett visst tryck
Lungornas sätt att fungera mäts på olika sätt. Man kan bland annat mäta vilket lufttryck vi klarar att skapa när vi andas ut respektive andas in. På sjukhus mäts det här trycket i enheten cm H2O. Det uttalas ”centimeter vatten”. Det är en liknande enhet som millimeter kvicksilver, men här används vatten istället för kvicksilver. När en patient måste få hjälp att andas med en så kallad respirator, ställer personalen in trycket i cm H2O.
1
2
3
Har du hört talas om enheten pascal tidigare? I vilket sammahang?
Känner du till något annat sammanhang där enheten mm Hg används?
Varför tror du att enheten mm Hg används istället för grundheten pascal (Pa)?
4
5
Varför mäts inte andningstryck på samma sätt som blodtryck, det vill säga i enheten mm Hg?
Försök hitta bakgrunden till tryckenheten PSI.
Mäta tryck för bättre hjälpmedel?
Bättre utformade skor, smartare proteser eller skonsammare rullstolar – det utvecklas allt fler hjälpmedel. Det är viktigt att hjälpmedlen utformas på bästa sätt för att inte vålla skada eller obehag hos patienterna. För att inte huden ska ta skada av högt tryck under för lång tid, använder man mätutrustning som mäter trycket på huden. En del mätutrustning använder enheten PSI istället för grundenheten pascal (Pa).
Vi kissar med tryck
Urinblåsan pressar vätskan ur blåsan med ett visst tryck. Den som är frisk och pressar på med all kraft skapar ett tryck på cirka 10–15 kilopascal (kPa). Får man besvär, och läkarna bestämmer sig för att mäta trycket i urinblåsan, använder de enheten cm H2O.
6
7
Varför tror du att man använder så många olika enheter för att mäta tryck i kroppen?
Vilka problem tror du läkare och patienter kan råka ut för när det finns många olika enheter?
8 Hur tycker du att man borde lösa problemen?
Luftpelaren är 10 mil hög
Normalt lufttryck vid havsytan är 1 013 hPa, vilket motsvarar ungefär 10 N/cm2. Det betyder att en 1 cm2 stor luftpelare från jordytan och ut till atmosfärens yttre gräns har tyngden 10 N.
Luften trycker på pappersskivan med en kraft uppåt som är större än vattnets tyngd.
Tryck i gaser
”Vi lever på botten av ett hav av luft som experimenten visar har en vikt!” Så skrev italienaren Evangelista Torricelli i förtroende till en god vän i mitten av 1600-talet. Han vågade inte berätta för andra om sina experiment. Han var rädd för att råka ut för samma öde som Galilei, nämligen att bli anklagad av katolska kyrkan för att fara med osanningar. I Torricellis experiment uppstod vakuum i ett glasrör och på den tiden ansåg man att vakuum var onaturligt. Idag vet vi bättre, tack vare Torricelli.
Lufttrycket är högst vid jordens yta
Luftlagret runt jorden är ungefär 100 km tjockt och kallas atmosfären. Eftersom vi inte kan se luften är det lätt att tro att den inte väger någonting. Men det 100 km tjocka lagret av luft har en mycket stor massa. Luftens massa skapar den tyngd som åstadkommer lufttrycket som Torricelli upptäckte.
Ju högre upp i atmosfären man kommer, desto mindre luft finns det ovanför. Därför är lufttrycket lägre på hög höjd. Just den här egenskapen använder flygplan. De flyger på hög höjd för att möta så litet luftmotstånd som möjligt.
Precis som i en vätska, är trycket i luft lika stort i alla riktningar. Det betyder att ovansidan av huvudet utsätts för lika stort lufttryck som kinderna och undersidan av hakan. Det förklarar exempelvis varför man kan hålla ett glas med vatten upp och ner utan att vattnet rinner ut, så länge det är täckt med en pappskiva.
Dragkamp med två sugproppar. När man pressar ihop sugpropparna försvinner nästan all luft mellan dem. Då går det nästan inte att dra isär dem igen. Förklaringen är att det omgivande lufttrycket pressar ihop dem.
FÖRDJUPNING
DEN FÖRSTA BAROMETERN
Torricelli skapade med sitt glasrör i själva verket den första mätaren av lufttryck − barometern. Experimentet gick till så att han fyllde ett glasrör med flytande kvicksilver. Sedan satte han fingret för den öppna änden och placerade den i en skål med kvicksilver. När han tog bort fingret sjönk kvicksilvret några centimeter i den övre delen av röret.
Ett utrymme med vakuum hade bildats. Avståndet från skålen upp till vätskenivån i glasröret var cirka 760 mm. Luftens tryck håller kvar resten av kvicksilvret i glasröret.
Detta är förklaringen till varför lufttryck under lång tid har angetts i millimeter kvicksilver (mm Hg).
Vid normalt lufttryck trycker luften på ytan med kvicksilver så att pelaren i glasröret blir 760 mm hög. Normalt lufttryck sägs därför vara 760 millimeter kvicksilver (mm Hg).
Så mäts lufttrycket
Lufttryck mäts med en barometer och anges i enheten hektopascal (hPa). Många barometrar är också graderade med de gamla enheterna millibar (mbar) och millimeter kvicksilver (mmHg). Hektopascal och millibar är samma sak.
Lufttrycket varierar från plats till plats och från dag till dag. Vi säger att normalt lufttryck vid havsytan är 1 013 hPa. Det motsvarar 760 mm Hg. När man kommer högre upp i atmosfären sjunker lufttrycket. Trycket sjunker med 1 hPa var åttonde meter. Det beror på att det blir mindre och mindre luft ovanför, ju högre upp man kommer.
Så här kan en barometer se ut idag. Ena dagen har vi ett typiskt lågtryck på 1 005 hPa, den andra dagen råder istället högtryck på 1 023 hPa. Den tunna grå visaren är inställd på normalt lufttryck 1 013 hPa.
Jättelika flygplan i luften
Det har tagit lång tid för människan att lära sig konsten att flyga. Under 1800-talet fick pionjärer sätta livet till i mer eller mindre genomtänkta farkoster. Den första kontrollerade flygturen gjordes år 1903 av amerikanen Orville Wright.
Idag finns det så många flygplan i luften att det börjar bli trångt. Världens största flygplan rymmer mer än 500 personer och väger drygt 500 ton. Hur kan ett så stort flygplan egentligen flyga?
En förklaring handlar om tryck. Det uppkommer alltid en skillnad i lufttryck mellan vingarnas ovansida och undersida. Tryckskillnaderna beror på att vingarna är formade så att luften rör sig fortare på ovansidan av vingarna än på undersidan. När luft rör sig snabbt sjunker trycket. Vingen trycks då uppåt av det högre trycket på vingens undersida. Ju snabbare luften rör sig i förhållande till den omgivande luften, desto lägre blir trycket på vingens ovansida och desto större blir lyftkraften.
Lyftkraft skapas också när vingen pressar luft snett neråt bakom sig. Även det ger ett högre tryck under vingen jämfört med ovanför vingen. Man kan uppleva fenomenet när man åker bil. Man kan sträcka ut handen och forma den till en vinge. När man gör det känner man hur handen trycks uppåt.
Hur kan ett sådant här vidunder egentligen flyga? Förklaringen handlar om tryck.
Det är tryckskillnaden mellan vingarnas ovanoch undersida som skapar en lyftkraft som får planet att lyfta.
Hur uppkommer tryck i en gas?
Inuti ett cykeldäck måste luftens tryck vara mycket högre än lufttrycket runt omkring däcket, för att det ska vara lätt att cykla. Men hur får man ett högt tryck inuti ett cykeldäck?
Inuti däcket rör sig luftens molekyler fritt omkring. De krockar hela tiden med däckets insida. Däcket utsätts då för ett tryck. Ju mer luft man pumpar in i däcket, desto fler molekyler finns som kan krocka med däcket och trycket ökar. När man får punktering pyser luften ut och det blir samma tryck inuti däcket som utanför.
Molekylernas hastighet påverkas av temperaturen. När temperaturen ökar rör sig molekylerna fortare. Det gör att trycket ökar. Om temperaturen sjunker minskar trycket. Det märker man genom att ett däck känns mindre pumpat när det är kallt än när det är varmt.
Punkterat däck
Högt tryck
Med en cykelpump trycks luftmolekyler in i däcket. Trycket inuti däcket blir då högre än utanför. Ju högre tryck i däcket, desto lättare rullar det. Men ett hårt pumpat däck blir stötigare, vilket brukar kännas i baken.
Helt däck
Den ena mätaren anger trycket i gastuben där syret finns och den andra anger djupet i meter. Men båda är manometrar.
Så mäter dykarna trycket
För en dykare som planerar att vara under vatten en längre tid behövs en hel del utrustning. Det handlar om cyklop, simfötter, gastub på ryggen och en manometer. Manometern är en tryckmätare som mäter trycket i gastuben. Högt tryck betyder att det finns mycket luft kvar. När dykaren har varit under vattnet en stund sjunker trycket. Då måste dykaren börja planera för att avsluta dyket innan andningsluften tar slut.
Dykaren har ytterligare en manometer med sig. Den mäter det omgivande vattentrycket. Men instrumentet visar inte tryck, utan det djup som dykaren befinner sig på. Trycket ökar nämligen med jämna steg ju längre ner man kommer.
Övertryck — högre tryck än lufttrycket
När trycket i en behållare är högre än lufttrycket säger man att det är ett övertryck i behållaren. Cykeldäck, ballonger och sprayflaskor är exempel på behållare med övertryck.
Under pandemin år 20202021 behövde många andas syrgas. Gasen lagras med högt tryck i speciella flaskor av stål.
Dykare använder gasflaskor fyllda med luft. Själva finessen med en gasflaska är att vi kan pressa samman gas, så att det får plats väldigt mycket gas i en liten flaska. Det kallas för att komprimera gasen. När vi komprimerar syrgas tvingas ett stort antal syremolekyler in i gasflaskan. Ju fler molekyler som tvingas in, desto högre blir trycket i flaskan.
Eftersom trycket ökar när temperaturen höjs är gasflaskor väldigt känsliga för temperaturhöjningar. De måste därför förvaras enligt särskilda regler. En gasflaska som utsätts för stark värme kan explodera med väldig kraft.
Undertryck — lägre tryck än lufttrycket
Ett nytt paket med kaffe är fast och hårt. När man klipper upp paketet så pyser det till och blir alldeles mjukt. Varför?
Jo, anledningen är att kaffet är vakuumförpackat. När kaffet paketeras, sugs nästan alla luftmolekyler ur kaffepaketet med en pump. Det uppstår då ett undertryck i paketet.
Ett undertryck är lägre än det omgivande lufttrycket. När i stort sett alla luftmolekyler har pumpats ut ur paketet blir paketet vakuumförpackat. I praktiken är det oerhört svårt att få ut alla molekyler. Man brukar därför säga att det är vakuum när trycket är mindre än en tusendel av lufttrycket, det vill säga under 1 hPa.
Eftersom trycket i ett kaffepaket är mycket lägre än lufttrycket, trycker luften ihop paketet så att det blir fast och hårt. Kaffet blir då lättare att frakta och drar inte till sig fukt.
Ett annat sätt att skapa undertryck i en behållare är att sänka gasens temperatur. Då rör sig molekylerna långsammare. Färre molekyler träffar behållarens väggar och trycket sjunker. Eftersom lufttrycket utanför behållaren är högre än innanför, kommer behållaren att pressas ihop om den inte är tillräckligt stark.
I en gastub råder övertryck. De här tuberna innehåller vanlig inandningsluft.
Frystorkad mat är lätt att bära med sig och håller länge tack vare att det inte finns någon luft i påsarna.
FÖRDJUPNING
DE MAGDEBURGSKA HALVKLOTEN
År 1654 demonstrerade Magdeburgs borgmästare Otto von Guericke en ny maskin – en luftpump. Han använde två ihåliga halvklot av koppar som var ett par decimeter i diameter. Med sin luftpump pumpade han ut luften mellan halvkloten så att det blev ett undertryck i ”klotet”. Det innebar att halvkloten pressades samman av lufttrycket. Till allas förvåning var det nätt och jämnt att 16 hästar förmådde dra isär halvkloten. Halvkloten har sedan blivit kända som de Magdeburgska halvkloten.
TESTA DIG SJÄLV
FÖRKLARA BEGREPPEN
atmosfär lufttryck vakuum barometer hektopascal manometer övertryck undertryck
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Nämn två äldre enheter för lufttryck som fortfarande används.
2 Hur tjock är atmosfären?
3 Vilket är det normala lufttrycket vid havsytan?
4 Hur förändras lufttrycket om du klättrar uppför ett högt berg?
5 Förklara vad som menas med övertryck.
6 En skyskrapa är 320 m hög. Hur stor är skillnaden i lufttryck mellan husets lägsta och högsta punkt?
7 Varför sjunker trycket i ett cykeldäck när det är kallt ute?
8 Använd dina kunskaper om tryck och förklara hur ett flygplan kan flyga.
9 Oscar har en barometer som är graderad i enheten mm Hg. En dag tar han den med sig upp på ett berg som är 1 200 m högt. Vad visar hans barometer om det den dagen är normalt lufttryck? Avrunda till heltal. Räkna med att 1 000 hPa = 750 mm Hg.
10 Läs texten om de Magdeburgska halvkloten ovan. Om varje halvklot hade en area på 4 000 cm2, med vilken kraft var då varje häst tvungen att dra för att halvkloten skulle gå isär?
11 När man duschar i en dusch med duschdraperi så händer det ofta att draperiet dras in mot kroppen. Vad kan det bero på?
12 Inom sjukvården används ibland en så kallad tryckkammare. Vad är det för något?
6.1
Tryck på fasta material
En liten kraft kan ge högt tryck och en stor kraft kan ge ett lågt tryck.
• Ett föremål som står på en yta påverkar ytan med en viss kraft. Kraften är lika stor som föremålets tyngd.
• Med tryck menas hur stor kraften är till exempel per kvadratcentimeter (cm2).
• Grundenheten för tryck är pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m2
• tryck= kraft area p F A =
6.2
Tryck
i vätskor
• Om kraften är fördelad på en yta med en liten area ger det ett högt tryck. Några exempel är knivar, yxor, spikar och nålar.
• Om kraften är fördelad på en yta med en stor area ger det ett lågt tryck. Ett exempel är skidor.
Trycket i en vätska beror på två saker – djupet och vilken vätska det är.
• Trycket i en vätska blir högre ju djupare man kommer i vätskan.
• Trycket i en vätska är lika högt i alla riktningar.
• Trycket är högre i en vätska med hög densitet än i en vätska med låg densitet.
• En sten känns lättare om man håller den i vatten jämfört med om man håller den i luft. Det beror på att stenen påverkas av en lyftkraft från vattnet.
• När ett föremål flyter på vatten är lyftkraften lika stor som föremålets tyngd.
• Kommunicerande kärl står i förbindelse med varandra och vätskeytorna ställer sig lika högt. Vattentorn med vattenledningar är ett exempel.
6.3
Tryck i gaser
Jorden är omgiven av ett lufthölje, atmosfären. Luftens tyngd ger upphov till ett lufttryck.
• Lufttryck mäts med en barometer i hektopascal (hPa). Normalt lufttryck vid havsytan är 1 013 hPa.
• När höjden över havet ökar blir lufttrycket lägre. Det sjunker med 1 hPa var åttonde meter.
• Trycket i en gas beror på hur fort gasens molekyler rör sig.
• När temperaturen hos en gas ökar blir molekylernas rörelser livligare och trycket ökar.
• Ett tryck som är högre än lufttrycket kallas för övertryck. Ett tryck som är lägre än lufttrycket kallas undertryck.
1 Para ihop begreppen till vänster med beskrivningarna till höger.
1 Pascal
2 Densitet
3 Lyftkraft
4 Undertryck
5 Vakuum
6 Barometer
7 Atmosfär
8 Tyngd
A Lufttomt
B Lägre tryck än lufttrycket
C Lufthölje runt jorden
D Enhet för tryck
E Beror på jordens dragningskraft
F Mäts i g/cm3
G Påverkas vi av i vatten
H Mäts lufttryck med
2 Hur kan det komma sig att ett fartyg av stål kan flyta på vatten, när en knappnål av stål inte gör det? Vem eller vilka ger ett korrekt svar?
Eftersom knappnålen är så vass blir lyftkraften för liten och den sjunker.
Knappnålens densitet är högre än båtens densitet.
Fartygets bo ttenyta är större än knappnålens, vilket ger ett lägre tryck. Därför flyter det.
Fartyget påverkas av en lyftkraft som är lika stor som fartygets tyngd.
3 En sten ligger på marken. En lika stor sten ligger på månens yta. Vilken av de båda stenarna utsätter marken för störst tryck? Förklara hur du tänker.
4 Vilket påstående är en fysikalisk beskrivning av tryck?
A Jag känner ett tryck över hjärtat idag.
B Om en timme går tidningen till tryck.
C Trycket på sadeln orsakas av din tyngd.
D Grupptrycket fick mig att börja röka.
5 ”Jag är rädd för sprutor eftersom dom är så vassa”, säger Isak. Vad kan du säga om det påståendet ur en fysikalisk synvinkel?
NOEL
MATS
AYLA
LINNEA
6 Några elever får i uppgift att ta reda på vilken av två träklossar som ger störst tryck på bordet, när båda klossarna står på den sidoyta som har minst area. Vilket av följande försök tror du ger bäst resultat? Förklara hur du tänker.
A Stina tar reda på tyngden av varje träkloss. Hon tänker att den kloss som är tyngst ger högst tryck på bordet.
B Johannes tar reda på tyngd och bottenytans area för båda klossarna. Han dividerar sedan tyngden med arean. Han tänker att den träkloss som ger störst kvot ger högst tryck på bordet.
C Maja räknar ut densiteten för de två klossarna. Eftersom båda klossarna har samma densitet tänker hon att båda klossarna ger samma tryck på bordet.
7 a) En ballong blåses upp till halva volymen. Ballongen placeras sedan inuti en behållare ur vilken man pumpar ut luft. Förklara vad som händer med ballongen och varför.
b) En ballong är uppblåst till bristningsgränsen och placeras i frysen. Förklara vad som händer med ballongen och varför.
8 En dag är lufttrycket i Åre by 975 hPa. Ungefär hur högt är lufttrycket samtidigt uppe på Åreskutans topp, som ligger 1 000 m högre upp än Åre by?
9 En ballong fylls med heliumgas och släpps. Ballongen stiger uppåt i luften.
a) Hur förändras ballongens massa när den stiger?
b) Vad händer med ballongens storlek när den stiger?
c) Vad händer med trycket inuti ballongen när den stiger? Motivera ditt svar.
10 Det är en varm sommardag och du pumpar upp en luftmadrass på stranden. När du tidigt nästa morgon kommer ner till stranden igen är madrassen mjukare. Förklara vad som har hänt. Vi förutsätter att det inte läckt ut någon luft ur madrassen.
11 En sten hänger i en dynamometer som visar 0,45 N. När stenen sänks ner helt i vatten minskar dynamometerns utslag till 0,30 N. Beräkna stenens densitet.
MINIAKTIVITET
12 Fyll en diskho med vatten. Håll ett dricksglas upp och ned ovanför vattenytan. För sakta ner glaset i vattnet utan att luta på det. Vad händer och varför?
Aabsoluta nollpunkten 50 absorbera 45, 75
Arkimedes princip 13 astronomisk kikare 69 atmosfären 18 attrahera 91
B
barometer 19 bländare 70 brytningsvinkel 63 brännpunkt 59, 66 brännvidd 59, 66
C
ccd-celler 70
D
densitet 12 dioptri 71
E
elektrisk motor 102 elektromagnet 96 elektromagnetisk strålning 76
F fiberoptik 64 fokus 59 fossila bränslen 43 foton 73 fotosyntes 82 frekvens 105 freoner 78 front 39 fältlinjer 93 förbränning 82 förstoringsglas 69
G
gammastrålning 76 gastroskopi 66 generator 105
H
hektopascal 19, 38 högtryck 38
I
induktion 104 infallsvinkel 58, 63 influens 93 infraröd strålning 33, 76
K
kallfront 39 kamera 70 kemisk energi 82 kikare 69 klimat 42 kommunicerande kärl 13 kompass 91 konkav lins 66 konkav spegel 58 konvex lins 66 konvex spegel 58
L
laser 79 ledning 30 likström 105 lins 66 ljuskälla 56 luftfuktighet 38 luftström 37 lufttryck 18, 38 lupp 69 lyftkraft 13 lågtryck 19, 38
M
magnetfält 93 magnetism 90 manometer 22 mikroskop 69 mikrovågor 77 millibar 19 millimeter kvicksilver 19 missvisning 92
N
nederbörd 38 negativ lins 66 nordpol 91 normal 58 normalt lufttryck 19 norrsken 94 närsynthet 71
O
objektiv 69, 70 okular 69 opolariserat ljus 78 ozonskiktet 78
P
parallella ljusstrålar 59 Parisavtalet 47 pascal 9 pellets 50 plan spegel 58 polariserat ljus 78 polaroidglasögon 79 positiv lins 66 primärspole 108 prismakikare 69
R
radiovågor 77 reflektera 56 reflektionsvinkel 58 regnbåge 74 relativ luftfuktighet 38 repellera 91 röntgenstrålning 76
S samlingslins 66 sekundärspole 108 sjöbris 40 skenbild 68 skugga 57 slutare 70 solceller 34 solfångare 33
spektrum 74 spole 96 spridningslins 66 strålning 30 strålningsenergi 82 strömning 30 sydpol 91
T
telegraf 98 temperatur 38 totalreflektion 63 transformator 108 transformera ner 108 transformera upp 108 transversell vågrörelse 73 tryck 8 turbin 109
U
ultraviolett strålning 76 undertryck 23
V
vakuum 23 varmfront 39 verklig bild 68 vind 38, 40 vindkraft 105 våglängd 73 vågrörelse 73 väder 36 värme 50 värmeenergi 50 värmestrålning 33, 76 växelström 105 växthuseffekten 37 växthusgaser 37
Ö
översynthet 71 övertryck 22
ISBN 978-91-47-15625-2
© 2024 Lennart Undvall, Anders Karlsson och Liber AB
PROJEKTLEDARE Stina Sturesson, Theres Lagerlöf, Stefanie Holmsved Thott och Sara Ramsfeldt/MeningsUtbytet AB
REDAKTÖR Marika Sahlin och Eva Lundström
FORMGIVARE Cecilia Frank/Frank Etc. AB, Lotta Rennéus
BILDREDAKTÖR Martina Mälarstedt/Sanna Bilder
OMSLAG Cecilia Frank
PRODUKTIONSSPECIALIST Eva Runeberg Påhlman
RÅDGIVARE OCH SPRÅKLIG GRANSKNING Karin Forsell, Begripsam
Första upplagan
1
Repro: Integra Software Services
Tryck: People Printing, Kina 2024
KOPIERINGSFÖRBUD
Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuspresskopia.se.
Liber AB, 113 98 Stockholm Tfn 08-690 92 00 www.liber.se
kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 e-post: kundservice.liber@liber.se
LIBER SPEKTRUM FYSIK ingår i en serie naturvetenskapliga läromedel för grundskolans årskurs 7–9. I serien finns även Liber Spektrum Biologi, Liber Spektrum Kemi och Spektrum Teknik.
I den femte upplagan hittar du:
• Centralt innehåll i linje med Lgr22
• Ett inledande kapitel som beskriver fysik utifrån de tre långsiktiga målen
• Kapitelingresser med målbeskrivningar, bilder med frågor och ett urval av begrepp
• Frågor till texten på varje sida, som stöd för läsaren
• Testa dig själv-uppgifter med begrepps- och sökträning samt utmaningar
• Perspektiv som uppmuntrar till att ta ställning och att granska information
• Fördjupningsrutor
• Sammanfattningar till varje kapitel
• Finaler som förstärker kunskaperna och ger träning inför de nationella proven Till varje ämne finns en digital lärarhandledning. Läromedlet finns också som en heldigital produkt.
Liber Spektrum Biologi, Kemi och Fysik tar vid efter Spektrum NO 4–6, som är uppbyggd efter samma struktur.