ingrid monthan ingrid monthan
ÖKA FÖRSTÅELSEN FÖR ETT HÅLLBART SAMHÄLLE
TITANO FYSIK
TITANO är ett komplett läromedel i NO för årskurs 7–9. Boken innehåller:
.
inledande diskussionssida med samhällsanknuten naturvetenskap till varje kapitel
.
bas- och lär mer-del i varje kapitel för ökad möjlighet till differentiering
.
kontinuerligt återkommande testa dig- och förklara och resonera-frågor
.
återkommande uppslag med temat Hållbar utveckling
TITANO FYSIK
ISBN 9789151108186
9 789151 108186
51108186.4.1_Omslag.indd Alla sidor
2022-02-08 13:40
INNEHÅLL NATURVETENSKAPLIGT ARBETSÄTT............. 7 MATERIA...................................................................................................................... 9
LÄR MER
Vad är materia?.................................................................................................. 10
Newtons lagar..................................................................................................... 55
Tät materia................................................................................................................ 13
Hävstång – en enkel maskin.......................................................... 56
Elektrisk laddning........................................................................................... 14
Centralrörelse...................................................................................................... 57
Hållbar utveckling: Ingenting försvinner .............. 16
Sammanfattning......................................................................................... 58
LÄR MER
Krafter kan ritas................................................................................................. 52
Materia hålls ihop av krafter......................................................... 18
TRYCK........................................................................................................................... 59
Idéer om materia ...........................................................................................19
Lagom tryck............................................................................................................ 60
Nanoforskning .................................................................................................. 20
Tryck mot yta......................................................................................................... 61
Sammanfattning ....................................................................................... 22
Luften trycker...................................................................................................... 63 Vatten lyfter........................................................................................................... 64
VÄRME OCH KLIMAT................................................................... 23
Vattennivå.................................................................................................................. 65
Temperatur och värme.......................................................................... 24
Hållbar utveckling: Hav i balans........................................ 66
Vatten – en underlig vätska........................................................... 27
LÄR MER
Värme sprider sig............................................................................................ 28
Tryck mäts på många sätt.................................................................. 68
Klimat................................................................................................................................. 29
Arkimedes.................................................................................................................. 70
Hållbar utveckling: Jordens klimat ................................ 32
Sammanfattning......................................................................................... 72
LÄR MER
Termometern reagerar på värme......................................... 34
ELEKTRICITET OCH MAGNETISM ................... 73
Värmespridning – både bra och dåligt......................... 36
Ett stark men stilla flöde..................................................................... 74
Extremväder........................................................................................................... 38
Batterier........................................................................................................................ 75
Sammanfattning ....................................................................................... 40
Spänning, ström och resistans................................................... 76 Elektriska kopplingar................................................................................. 78
KRAFT OCH RÖRELSE.............................................................. 41
El-säkerhet................................................................................................................ 80
Tyngdlöshet............................................................................................................. 42
Fyra grundkomponenter.................................................................... 84
Rörelse............................................................................................................................ 43
Magnetfält................................................................................................................. 88
Pendeln mäter tid.......................................................................................... 44
El ger magnetism............................................................................................ 90
Krafter påverkar materia.................................................................... 45
Magnetfält vill samverka..................................................................... 91
Friktion............................................................................................................................ 46
Magnetism ger el............................................................................................ 92
Hålla balansen...................................................................................................... 48
Hållbar utveckling: Batterier................................................... 94
Enkla maskiner.................................................................................................... 49 Hållbar utveckling: Trafik och frisk luft ................... 50 4
LÄR MER
Hur stor är resistansen?....................................................................... 96
INNEHÅLL
51108186.4.1_01_Materia_001-022.indd 4
2022-02-07 07:05
Kondensatorn har kapacitans...................................................... 98
ENERGI ................................................................................................................151
Halvledare.................................................................................................................. 99
Solen driver oss.............................................................................................152
Magnetism och säkerhet................................................................102
Energi och arbete......................................................................................153
Magnetism och människa..............................................................103
Energiformer.....................................................................................................155
Magnetism och rörelse.....................................................................104
Effekt – arbete på tid...........................................................................157
El under 200 år..............................................................................................106
Energikällor..........................................................................................................158
Sammanfattning ...................................................................................107
Hållbar utveckling: Vindkraft..................................................166
AKUSTIK..............................................................................................................109 Ljud och tryck..................................................................................................110
LÄR MER
Energin i Sverige..............................................................................................168 Sammanfattning ...................................................................................172
Ljud låter olika..................................................................................................112 Ljud som inte hörs.....................................................................................115
ATOM- OCH KÄRNFYSIK................................................173
Ljud som skadar.............................................................................................116
Atomen............................................................................................................................174
Hållbar utveckling: Buller och störande ljud .118
Radioaktivitet.........................................................................................................178
LÄR MER
Kärnklyvning upptäcks...........................................................................181
Dopplereffekt...................................................................................................120
Kärnenergi..................................................................................................................182
Ljud reflekteras..............................................................................................121
Militär användning.........................................................................................188
Ljud kan omvandlas till el................................................................122
Fusion..................................................................................................................................189
Sammanfattning ...................................................................................124
Hållbar utveckling: Säker strålmiljö...........................190
OPTIK.........................................................................................................................125
LÄR MER
Ljus från atomen..........................................................................................192
Synligt ljus...............................................................................................................126
Strålning från atomkärnan...........................................................195
Ljus som ögat inte ser.........................................................................129
MAX IV och ESS................................................................................................199
Ljus som strålar..............................................................................................133
Sönderfallsserier..............................................................................................200
Buktiga speglar...............................................................................................134
Upptäcka och mäta radioaktivitet.....................................202
Ljuset kan brytas..........................................................................................136
De fyra grundläggande krafterna......................................206
Linser..............................................................................................................................139
Byggstenar.................................................................................................................207
Hållbar utveckling: Ozonskiktet......................................142
Sammanfattning ...................................................................................209
LÄR MER
Ljus – våg eller partikel?...................................................................144 3D.......................................................................................................................................146 Avbildning i linser........................................................................................148 Sammanfattning ...................................................................................150
INNEHÅLL
51108186.4.1_01_Materia_001-022.indd 5
5
2022-02-07 07:05
UNIVERSUM...............................................................................................211
Fakta om planetsystemet.................................................................251
Solsystem.....................................................................................................................212
Rymdsteg.....................................................................................................................252
Solen är en stjärna........................................................................................216
Tabeller.............................................................................................................................253
Vintergatan – the Milky Way.......................................................218
Facit till Testa dig.............................................................................................254
Avstånd i rymden............................................................................................220
Register...........................................................................................................................261
Stjärnor föds och dör..............................................................................221
Bildförteckning...................................................................................................264
Stjärnhimlen.............................................................................................................225 Hållbar utveckling: Generationsmålet...................228 LÄR MER
Satelliter.........................................................................................................................230 Mars.......................................................................................................................................234 Venus och Merkurius................................................................................236 Gasplaneterna......................................................................................................238 Stjärnorna har olika färg.....................................................................240 Stjärnans spektrum berättar.......................................................242 Supernovor lyser starkt........................................................................244 Nebulosor....................................................................................................................245 Galaxer..............................................................................................................................246 Universums ålder............................................................................................248 Sammanfattning ...................................................................................249
6
INNEHÅLL
51108186.4.1_01_Materia_001-022.indd 6
2022-02-07 07:05
KRAFT OCH RÖRELSE Hur skyddas passagerare av bilbältet vid en kollision? Hur skyddas passagerare av en krockkudde? I vissa fall ska krockkudden vid passagerarsätet i en bil kopplas ur. I vilka fall?
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 41
2022-02-07 07:06
TYNGDLÖSHET
Vår förste svensk i rymden, Christer Fuglesang, fick frågan: Vad var det bästa under rymdfärden?” Det var två saker. Den ena var när motorerna stängdes av efter accelerationen till en fart på nära 8 km/s. Det blev tyst och han kände tyngdlösheten. Den andra var när han tittade på jorden under rymdpromenaden. Känslan av tyngdlöshet kan man ibland uppleva på nöjesfält. Om du åkt ”Fritt fall” har du nog upplevt att du svävat fritt under en kort stund. Det är nästan som att vara tyngdlös. Strax efter starten, då rymdfärjan accelererade kraftigt, kände Christer det som att hans tyngd var tre gånger så stor som på jorden. En liknande känsla kan du få i ett flygplan som ökar farten för att lyfta. Du känner dig lite tyngre. I själva startögonblicket när en hiss startar uppåt kan du också känna dig lite tyngre. Naturligtvis väger både du och Christer Fuglesang lika mycket var ni än är. Ni känner er bara tyngre eller lättare.
Tröghetslagen
Skydiving är en sport där hopparna under kort tid faller fritt. Under fallet ökar farten till ungefär 200 km/h. Sedan är luftmotståndet lika stort som tyngdkraften.
TRÖGHETSLAGEN: Alla föremål behåller sin rörelse eller stannar i vila om de inte påverkas av en kraft. Bara en kraft kan ändra fart eller riktning på något.
42
Dessa upplevelser följer en viktig lag som kallas tröghetslagen: Alla föremål behåller sin rörelse eller stannar i vila om de inte påverkas av en kraft. Bara en kraft kan ändra fart eller riktning på något. När rymdfärjan eller hissen accelererar från stillastående ändras rörelsen. Eftersom accelerationen är mycket kraftigare i rymdfärjan än i hissen blir känslan av ökad tyngd mycket större i rymdfärjan. När motorerna stängs av fortsätter färjan i sin bana i rymden med samma fart, liksom Christer och allt annat i kabinen. Han känner inte av någon kraft. Han känner sig tyngdlös. Till och med luften han andas ut stannar kvar runt hans ansikte. Därför måste det finnas fläktar i kabinen så att han får frisk luft att andas in när han sover. Tröghetslagen kan du själv uppleva i trafiken. Om du åker bil och föraren gör en häftig inbromsning fortsätter din kropp framåt. Det finns ingen kraft som stoppar den förrän du slår huvudet i vindrutan. Det är därför det finns bilbälten och krockkuddar. Även när ett fordon svänger märker du trögheten. Du har säkert någon gång stått i en buss som gjort en skarp sväng. Då har du känt att du kastats åt sidan. Det som händer är att när bussen svänger fortsätter du på grund av din tröghet i samma riktning som förut. Att det är så häftigt att åka berg- och dalbana beror också på tröghetslagen.
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 42
2022-02-07 07:06
RÖRELSE
En rörelse som går rakt fram i lika stora steg hela tiden kallas likformig rörelse. 1s
2s
3s
4s
5s
Egentligen är inte likformig rörelse särskilt vanlig. Vi ändrar farten hela tiden när vi går, cyklar eller kör bil. Det är vanligt att tala om marschfart och toppfart. Toppfart är en fart som bara kan presteras en kort tid. Marschfart är en fart som brukar hållas normalt.
6s
Toppfarter: människa hund häst gepard
När vi bara talar om fart menar vi oftast medelfart. Om du springer 1500 m på 300 s är medelfarten 1 500/300 m/s = 5 m/s. Omräknat till m/h är det 3 600 · 5 m/h = 18 000 m/h. 18 000 m/h = 18 km/h.
medelfart =
38 km/h 60 km/h 70 km/h 100 km/h sträcka tid
Rörelse som går fortare och fortare kallas acceleration. Det betyder att rörelsen går i större och större steg för varje sekund. 1s
2s
3s
4s
5s
6s
Det normala är nog att en rörelse till sist bromsas in. En rörelse som går långsammare och långsammare kallas retardation. Det betyder att rörelsen går i mindre och mindre steg för varje sekund. 1s
2s
3s
4s
5s 6s
Tröghetslagen säger att en kraft måste gripa in om något ska accelerera eller retardera. Utan en kraft har vi likformig rörelse eller vila.
TESTA DIG 3.1 Om du väger 53 kg på jorden, hur mycket väger du i rymden? 3.2 Varför behövs bilbälten och krockkuddar? 3.3 Vad säger tröghetslagen? 3.4 Hur beräknar man medelfarten?
FÖRKLARA & RESONERA 3.5 Christer Fuglesang förlorade
greppet om ett verktyg när han arbetade utanför rymdstationen. Förklara vad som händer med verktyget.
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 43
43
2022-02-07 07:06
PENDELN MÄTER TID
Den unge Galilei funderar på pendelns svängningstid. Målning av Luigi Sabatelli.
Pendelns svängningstid beror bara på pendelns längd. Svängningstiden är tiden för en hel svängning, alltså när pendeln svänger från ena sidan till den andra och tillbaka.
En dag på 1500-talet gick en munk omkring och tände ljusen i den höga katedralen i Pisa. När han kom till ljuskronan i taket drog han den till sig med en lång stång. När han tänt ljusen släppte han ljuskronan. Den började då svänga fram och tillbaka. Ljusskenet fladdrade på väggarna. Mässan tog lång tid och en ung student började titta på ljuskronans svängning. Han hade ingen klocka men började ta tiden genom att räkna sina pulsslag. Lampan rörde sig i mörkret och den unge Galilei tog tiden. Han hade fått en idé. Han tyckte att han såg att ljuskronan saktade farten men den svängde samtidigt ut i mindre och mindre bågar. Hans idé var att det tog lika lång tid för kronan att svänga från ena sidan till den andra, fram och tillbaka under hela mässan. I så fall hade han kommit på ett bra sätt att mäta tid. När han kom hem gjorde han några experiment. Han hängde upp en tyngd i ett snöre. Då fick han en enkel pendel. Sedan tog han pendelns svängningstid med hjälp av sin puls. Han gjorde om försöket många gånger och var till sist övertygad om att han hade rätt. Han gjorde experiment med olika tyngder på sin pendel. Det ändrade ingenting. Pendeln svängde ändå fram och tillbaka på samma tid. Pendeln svängde däremot långsammare om han gjorde den längre och snabbare om han gjorde den kortare. Galilei hade upptäckt lagen för den enkla pendeln. Galilei studerade medicin på den tiden. Han var 17 år och behövde pengar. Han gjorde en pendel som han kunde sälja till läkarna i Pisa. Han kallade den taktmätare. De använde den för att mäta om pulsen ändrades hos de sjuka.
Ett naturvetenskapligt arbetssätt Ännu viktigare än själva upptäckten var att han gjorde den med hjälp av experiment. Galilei har hedrats som den förste som använde ett naturvetenskapligt arbetssätt i sin forskning. Han gjorde experiment för att visa att hans teorier stämde. Varför tror du att en cirkusartist börjar med att balansera sin partner på en kort stång och avslutar med en lång. Vilket är lättast? När är han tröttast? Gör som Galilei, tänk ut ett experiment som visar om din hypotes stämmer. 44
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 44
2022-02-07 07:06
KRAFTER PÅVERKAR MATERIA Fritt fall En gång i tiden trodde man att tunga saker faller mot marken snabbare än lätta. När något bara får falla rakt ner mot marken kallas det fritt fall. På jorden blir det aldrig riktigt fritt fall eftersom vi alltid har luftmotstånd. Vissa experiment kan man göra ändå. Italienaren Galilei trodde inte att tunga saker faller snabbare än lätta. Han visade att två olika tunga kulor faller lika snabbt mot marken.
För att verkligen få fritt fall måste man pumpa ut luften. I ett lufttomt rör faller en fjäder och en kula lika fort.
Tyngdkraft Att saker faller neråt mot jordens centrum när vi släpper dem är så självklart att vi inte tänker på det. Vi säger att det är tyngd kraften som tar tag i saken och ökar farten på den. Vi kan också säga att det är jordens dragningskraft eller gravitationen. Vad kraften egentligen är vet vi inte, bara att den finns. Krafter är något • som håller ihop materia. • som kan ändra form på saker. • som kan ändra fart på saker. • som kan ändra rörelseriktning på saker.
TESTA DIG 3.6 Vad påverkar pendelns sväng-
ningstid?
3.7 Vad är fritt fall?
Newtons äpple En vetenskapsman, som funderade mycket på vad kraft är, var Isaac Newton . Han undrade varför t.ex. ett äpple faller rakt ner mot marken. Han kom fram till en av tidernas smartaste slutsatser: Samma kraft som drar äpplet till marken håller månen i en bana runt jorden.
Krafter kan mätas
Det finns olika starka krafter. Man använder en dynamometer för att mäta krafter (dynamo betyder kraft). Dynamometern är graderad i newton. Det är för att hedra Newton som hans namn används som enhet för kraft. Enheten för kraft är 1 newton (1 N). Jordens dragningskraft på ett äpple är ungefär en newton. Jordens dragningskraft på 1 kg är nära 10 N.
3.8 En kula som väger 5 kg
och en som väger 2 kg släpps samtidigt. Vilken når marken först?
3.9 Vilken är enheten för kraft? 3.10 Vad använder man för att
mäta krafter?
FÖRKLARA & RESONERA 3.11 Galilei använde ett naturveten-
skapligt arbetssätt i sin forskning. Vad innebär det?
3.12 Vad är det för kraft som håller
kvar månen i en bana runt jorden?
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 45
45
2022-02-07 07:06
FRIKTION
När en rymdfärja ska landa är det viktigt att den kommer in i atmosfären på rätt sätt. Den får inte komma för brant så att inbromsningen blir för häftig. Det blir väldigt varmt när luftmotståndet bromsar den. Gör ett experiment! Gnugga händerna mot varandra en stund! Du känner att det blir varmt. Det blir också varmt när rymdfärjan glider genom luften eller när sandpapper gnuggas mot trä. När två ytor dras mot varandra är det alltid litet trögt. En kraft bromsar. Den kraften kallas friktionskraft. Kraften gör att molekylerna i ytorna får mer fart. Det är ju det som vi kallar värme.
Minska friktionen
Kullagret minskar friktionen.
Friktionen kan minskas med: • kullager • smörjolja • slipning • magnetsvävare eller luftkudde
Friktionskraften finns alltid när två saker rör vid varandra, till och med om det är något av metall som rör vid luft. Friktionskraften gör att det blir trögt att dra något. Friktionen är mycket större om man släpar en låda än om den rullar på hjul. Rullfriktion är mindre än släpfriktion. Friktionen blir mindre om ytorna är jämna. I maskiner minskar man friktionen genom att ha smörjolja i rörliga delar. Tåg kan rulla på räls just för att den är så slät. Friktionen blir ännu mindre om tåget inte ens rör vid rälsen. De nya magnettågen svävar faktiskt en liten, liten bit ovanför rälsen. Man kan också blåsa ut luft neråt. Då svävar man på en luftkudde. Så fungerar båtar som kallas svävare. Många uppfinningar har gjorts för att minska friktionen. Hjulet var kanske den första. Kullagret är en viktig svensk uppfinning som t.ex. gör det mycket lättare att cykla. Det finns ett kullager i navet på cykelhjulet.
Öka friktionen Friktionen är för det mesta bra och nödvändig. Tänk dig att försöka gå utan friktion. Nästan som på is eller på små kulor! Omöjligt! Tänk dig att slå en knut på snören utan friktion eller att försöka öppna en dörr med ett superhalt handtag eller att sätta på smink som bara halkar av. Vi försöker faktiskt lika ofta öka friktionen som minska den. Vi sandar gångarna när det är is på dem. Vi sätter vinterdäck med djupa räfflor och dubbar på bilen. Vi måste ha trögt papper att skriva på, annars fastnar inte
46
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 46
2022-02-07 07:06
skriften. Vi talkar händerna när vi klättrar i berg och kritar kön när vi spelar biljard. Det är farligt att köra med blankslitna däck på bilen. Det bildas lätt en liten vattenkudde under hjulen när det regnar. Då minskar friktionen och bilen kan lätt börja glida på vägen. Det kallas vattenplaning. Mönstret på däcket behövs för att vattnet ska ha någonstans att ta vägen. Friktionen blir också större om man lastar mer. En tung bil håller sig bättre på vägen än en lätt. En lätt person halkar lättare än tung. Kanske är det därför som små barn trillar så ofta. På månen är tyngden bara en sjättedel av vad den är på jorden. Där är friktionen liten. Man kan se på filmer att det är svårt för astronauterna att gå.
Friktionen kan ökas med: • sand • vinterdäck • räfflor på handtag, burklock mm. • talk
TESTA DIG 3.13 Vad kallas den kraft som uppstår när två
ytor gnids eller släpas mot varandra?
3.14 Varför är det enklare att knuffa bort en
stol med hjul än en vanlig stol utan hjul?
3.15 Hur påverkas friktionen av stödytans
storlek när vi drar en kloss över ett bord?
3.16 Hur påverkas friktionen av ytornas
Friktionen blir stor om: • ytorna är skrovliga • tyngden är stor
utseende?
FÖRKLARA & RESONERA 3.17 Varför är plånet på en tändsticksask
strävt?
Om man ska klara klätterväggen bra måste man ha skor som ger stor friktion. Talk på händerna ökar också friktionen.
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 47
47
2022-02-07 07:06
HÅLLA BALANSEN
Gör ett experiment! Ställ dig med högerfoten mot väggen. Försök lyfta vänsterfoten utan att hålla i dig. Hur gick det? Stå nu mitt på golvet! Lägg märke till hur du ändrar kroppens läge när du lyfter ena foten. Om du ska hålla balansen måste tyngdpunkten vara ovanför stödytan. Du faller så fort tyngdpunkten ligger på en linje utanför stödytan.
Tyngdpunkt Tyngdpunkten är en punkt som är centrum för tyngden hos något. Det finns lika mycket till höger och vänster om tyngdpunkten eller ovanför och under den. Tyngdpunkten hos några olika saker. Tyngdpunkten kan ligga utanför saken. Tyngdpunkten kan ändras när man ändrar något, t.ex. när glasögonens bågar fälls ut.
Stödyta Du står stadigare när du står bredbent än när du står med fötterna ihop. Ytan mellan fötterna blir också stödyta. Stor stödyta
Liten stödyta
Stå stadigt Om något ska stå stadigt ska det ha stor stödyta och tyngdpunkten ska ligga lågt. Då stannar tyngdpunkten ovanför stödytan länge även om det tippar åt sidan.
En hög smal stol tippar lätt. När lodlinjen från tyngdpunkten hamnar utanför stolens stödyta faller den.
+
48
Den här stolen står stadigt. Den har stor stödyta och låg tyngdpunkt.
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 48
2022-02-07 07:06
ENKLA MASKINER
Många gånger behöver vi vinna kraft. Då använder vi ett verktyg. Sax, tång, nötknäckare, kapsylöppnare, dörrhandtag och vev bland många andra är sådana enkla verktyg. De kallas enkla maskiner. På din cykel finns flera enkla maskiner. Tänk på pedalerna. De sparar dina krafter men du får trampa runt i en stor cirkel. Cykelstyret sparar mycket kraft. Tänk dig att du ska göra en sväng och har handtagen längst in. Du skulle inte behöva vrida styret mycket men det skulle behövas stor kraft av dig. Det här är en lag i fysiken som kallas mekanikens gyllene regel: Det man vinner i kraft, förlorar man i väg.
Liten kraft men stor väg.
Lutande plan En vanlig trappa är också en enkel maskin. Det skulle behövas mycket mer kraft för att klättra rakt upp längs väggen. Det är ju faktiskt kortaste vägen upp. I och med att trappan lutar vinner du kraft men förlorar väg. Det skulle behövas mindre kraft för att gå upp för en rullstolsramp men då blir också vägen ännu längre. En skruv fungerar egentligen på samma sätt som en rullstolsramp. Titta i figuren. De här sakerna kallas lutande plan. Mekanikens gyllene regel gäller för dem också.
Stor kraft men liten väg.
En hoprullad papperstriangel visar att skruven är ett lutande plan.
Mekanikens gyllene regel: Det man vinner i kraft, förlorar man i väg.
TESTA DIG
FÖRKLARA & RESONERA
3.18 Vad kallas den punkt
3.21 Hur gör du för att hålla balansen om du
som är centrum för tyngden hos ett föremål?
3.19 Hur ska något vara
om det ska stå stadigt?
3.20 Hur lyder mekanikens
gyllene regel?
fjällvandrar med en stor tung ryggsäck?
3.22 Förklara vad som menas med enkla
maskiner.
3.23 Försök uppskatta var höjdhopparens
tyngdpunkt ligger? Är hon mest över eller under ribban?
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 49
49
2022-02-07 07:06
HÅLLBAR UTVECKLING Trafik och frisk luft Regeringen har fastställt tio preciseringar av miljökvalitetsmålet "Frisk luft". Det gäller hur hög halten i luften får vara av tio olika ämnen och partiklar. Det finns riktvärden som inte får överskridas. Risken för cancer och andra sjukdomar ska vara låg, liksom risken för påverkan på växter, djur och annat. Motortrafiken på vägarna ger mycket utsläpp av olika ämnen i avgaserna. Friktionen mellan hjul och vägbana sliter också loss partiklar som flyger kring i luften. I atmosfären transporteras föroreningar långa vägar med vindarna och då är det viktigt med internationellt samarbete. Ett förslag är att verka för att järnvägsnätet byggs ut och att de broar som byggs inom och mellan länder blir både vägtrafik- och järnvägsbroar.
En hängbro har ett par pyloner på varje sida om spannet, alltså själva brobanan. Mellan pylonerna är bärkablar fästa. Brobanan hänger i kablar eller stänger som hänger rakt neråt i huvudbärkablarna. Krafterna i pylonerna är i stort sett lodräta, så pylonerna behöver inte vara så tjocka. Hängbroar behövs där den segelbara höjden under bron måste vara stor eller om brospannet måste vara mer än en kilometer långt. Öresundsbron är en sorts hängbro som kallas snedkabelbro. Där går bärkablarna snett upp till pylonerna. Öresundsbron har både vägbana och dubbelspårig tågbana.
Broar Den tidigaste brotypen var balkbron. Det kunde helt enkelt vara en stock över en å. Balkbron består av raka balkar som vilar på bropelare, som bär upp tyngden. Kraften går lodrätt mot marken. Balkbroar är mycket vanliga som järnvägsbroar. Den längsta balkbron i Sverige är Ölandsbron, som dock är en vägtrafikbro. Ölandsbron.
Golden Gate-bron. Antagligen världens mest berömda hängbro.
Romarna började bygga valvbroar av sten. Många finns kvar ännu efter 2000 år. En utveckling av valvbron är bågbron. Brobanan bärs av bågar och har landfäste i båda ändarna. Kraften är riktad i bågarnas förlängning vid brofästena, där man kan ha berg som stöd. Svinesundsbron mellan Sverige och Norge är en bågbro. 50
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 50
2022-02-07 07:06
Svinesundsbron leder över Idefjorden som är en del av gränsen mellan Sverige och Norge.
1 Vad finns det för fördelar och nackdelar med tågtrafik jämfört med biltrafik? 2 Vilka ämnen släpps ut av motorfordon? Vad kan följden bli av utsläppen? 3 Varför har man valt att bygga Golden Gate-bron som en hängbro och inte som en balkbro eller valvbro?
MILJÖMÅL Frisk luft ”Luften ska vara så ren att människors hälsa samt djur, växter och kulturvärden inte skadas.”
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 51
51
2022-02-07 07:06
LÄR MER KRAFTER KAN RITAS
Man kan ju inte se en kraft. Ändå har man hittat på ett smart sätt att rita krafter. Man ritar kraftpilar. Pilen pekar åt det håll kraften drar. Pilen visar också var kraften tar tag, alltså kraftens angreppspunkt. Där börjar pilen. Lika stora krafter ritas med lika långa pilar.
Man brukar visa krafter genom att rita pilar. Pilens längd och riktning representerar kraftens storlek och riktning.
Krafter ritas med pilar som visar: • riktning • angreppspunkt • storlek
Resultant Den här cirkusartisten hänger i håret. Tyngdkraften drar henne neråt. Den verkar på varje liten del av henne, men det skulle bli otroligt många pilar i figuren. Man ritar i stället tyngdkraften med en enda pil som tar tag i hennes tyngdpunkt. Hon skulle ha fallit om det inte funnits en precis lika stor kraft, som drog henne uppåt. En liten kraft i varje hårstrå drar uppåt. Man ritar bara en kraft där också. Den är summan av alla små krafter uppåt. En sådan sammanlagd kraft kallas resultant.
52
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 52
2022-02-07 07:06
LÄR MER 400 N
700 N
300 N
Resultant A + B B
A
Två krafter drar åt samma håll. Resultanten är 400 N + 300 N = 700 N. Bilden nedan visar en låda som Amanda och Bertil hjälps åt att dra med jämn hastighet. Då kan man räkna ut att friktionskraften är 700 N. Om friktionskraften är större bromsar den så att lådan inte kan rubbas. Om dragkraften är större än friktionskraften skulle lådans fart öka hela tiden.
700 N Resultant A + B
700 N Friktionskraft
Amanda och Bertil drar inte alltid åt exakt samma håll. De drar kanske en båt i en kanal. Även då kan man rita ut resultanten. Man ritar alltid kraftpilarna så att 1 cm motsvarar en viss kraft. Sedan drar man linjer parallellt med krafterna (de streckade linjerna i figuren). Där de möts slutar resultanten. Man mäter till sist resultantens längd. Då kan man också beräkna resultantens storlek. Om nu båten rör sig med konstant hastighet måste vattnet göra motstånd med exakt lika stor kraft fast riktad bakåt.
400 N
A
500 N
Flera krafter kan ersättas av en resultant. När en sak är stilla eller rör sig med jämn hastighet är resultanten till alla krafter noll.
300 N
Resultant
B
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 53
53
2022-02-07 07:06
LÄR MER Reaktionskraft I filmer kan man se en gevärskula träffa ett offer som kastas bakåt med våldsam fart. Den som skjuter rör sig knappt alls. I verkligheten skulle den som skjuter också kastas baklänges. Det kallas rekyl. Man säger att reaktionskraften är lika stor som kraften och riktad åt motsatt håll. En rymdraket får sin acceleration av en reaktionskraft. Varma gaser pressas bakåt när bränslet brinner. Reaktionskraften ger då raketen en acceleration framåt. Astronauterna har en liten reaktionsmotor som säkerhet vid rymdpromenader. Med den kan de ändra riktning om de skulle råka knuffa sig bort från rymdstationen.
Studsmatta och normalkraft
Just nu verkar bara tyngdkraften (om vi bortser från luftmotståndet). Snart börjar bungyn bromsa. Resultanten är riktad uppåt.
Om du provar på bungyjump har du först nästan fritt fall. Tyngdkraften verkar och drar dig nedåt. Sedan sträcks bungyn och börjar bromsa fallet. En ännu större kraft verkar alltså uppåt. Då är resultanten en kraft uppåt. Det är samma sak om du hoppar på en studsmatta. Tyngdkraften drar dig neråt, studsmattan sträcks och en kraft från den trycker dig uppåt igen. Den här uppåtriktade kraften är lätt att upptäcka när det är en studsmatta men det är samma sak med ett vanligt bord. Tyngdkraften drar alltid nedåt. Om det inte är ett väldigt klent bord håller molekylerna i bordet mot så att du blir stående på bordet. Det finns alltså en kraft som drar dig nedåt och en kraft från bordet som håller emot uppåt. Du står stilla och resultanten är noll. Den där kraften i bordet som håller emot uppåt kallar vi normalkraften. Det är faktiskt det normala att bordet eller stolen eller golvet håller emot så att tyngdkraften inte lyckas få oss att falla.
TESTA DIG
FÖRKLARA & RESONERA
3.24 Hur ritar man krafter?
3.27 Om du kastar en boll rakt ut så kan banan
3.25 Vad händer om resultanten
till alla krafter är noll?
3.26 Vad kallas den kraft som
se ut som på bilden. Månens gravitationskraft är en sjättedel av jordens. Beskriv hur bollens bana skulle se ut där.
håller mot så att man inte faller rakt genom golvet?
54
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 54
2022-02-07 07:06
LÄR MER NEWTONS LAGAR
På 1960-talet började vi på allvar diskutera trafiksäkerhet för förare och passagerare. Nya bilar utrustades med säkerhetsbälten och så kom krockkudden. Trehundra år tidigare hade Newton formulerat tre lagar om krafter. Dessa lagar gäller för säkerheten i bilen. Kanske hade många människor räddats om vi hade tänkt på Newton i tid.
Newtons första lag
Newtons första lag kallas också tröghets lagen. Alla föremål behåller sin rörelse eller stannar i vila om de inte påverkas av en kraft. När bilen bromsas in häftigt behåller passageraren sin rörelse. Newtons första lag gäller. Om inget annat är det kraften från vindrutan som stoppar passageraren. I bästa fall är det bilbältet tillsammans med krockkudden.
Newtons andra lag
Newtons andra lag kallas kraftlagen. Den brukar enkelt skrivas F=m·a där F är kraften, m är massan och a är accelerationen. Med kraftlagen kan vi beräkna kraften när ett oskyddat huvud träffar en vindruta. Det är med en kraft på kanske 25 000 N. En fruktansvärd kraft. Då har vi tänkt oss ett tvärstopp i en kollision i hastigheten 90 km/h och stopptiden 0,005 s. Vi jämför med att en krockkudde stoppar ett huvud på 0,1 s. Det betyder att kraften är mycket mindre och fördelas på en större yta. Tycket är alltså mindre och skadan mycket mindre.
Newtons tredje lag
Newtons tredje lag kallas även lagen om kraft och motkraft. Man säger att reaktionskraften är lika stor som kraften och riktad åt motsatt håll. Det innebär att lika stor kraft som huvudet träffar vindrutan med, trycker vindrutan tillbaka med.
Krockkudden aktiveras av sensorer och fylls på under cirka 0,03 sekunder. Den uppblåsta krockkudden hindrar huvudet och bröstkorgen från att slå i ratten eller instrumentpanelen. Direkt efter uppblåsningen börjar krockkudden att tömmas. Detta för att kroppen ska bromsas upp lagom mjukt. Från uppblåsning till tömning tar det ca 0,1 sekunder.
TESTA DIG 3.28 Vilka är Newtons tre lagar? 3.29 Hur lyder tröghetslagen?
FÖRKLARA & RESONERA 3.30 Hur fungerar en krockkudde?
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 55
55
2022-02-07 07:06
LÄR MER HÄVSTÅNG — EN ENKEL MASKIN
Bland de enkla maskinerna är hävstängerna en stor grupp. Gungbrädan på lekplatsen är en hävstång. Nötknäckaren, kapsylöppnaren och cykelstyret är hävstänger. Förr användes ofta spett för att rubba t.ex. en tung sten på åkern.
Ett spett vinner kraft åt den som lyfter, men man förlorar väg. Man får trycka ner spettet en lång väg för att höja stenen en liten bit.
Det finns en regel som heter hävstångslagen. Den kan användas när man räknar på vinst av kraft och förlust av väg. Om storasyster och lillebror gungar kan de inte sitta lika långt ut på gungbrädan. Vi kan tänka oss att Amanda väger 60 kg och Bertil 20 kg. Amanda väger 3 gånger så mycket som Bertil. Då ska Bertil sitta 3 gånger så långt ut på gungbrädan.
1m
Amanda 60 kg
3m
Bertil 20 kg
Vi säger att Amanda har en kort hävarm på brädan och Bertil har en lång hävarm. Hävstångslagen: Vänster hävarm · vänster kraft = höger hävarm · höger kraft
56
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 56
2022-02-07 07:06
LÄR MER CENTRALRÖRELSE
Tröghetslagen säger att det måste finnas en kraft som påverkar något som ska ändra riktning. En del rörelser går runt som i en cirkel och riktningen ändras alltså hela tiden. En rörelse som går runt ett centrum kallas centralrörelse och kraften som driver rörelsen kallas centripetalkraft (kraft som pekar mot centrum). Tänk på en karusell! Hur skulle det gå om åkaren släpper taget när han är i punkten A? Det finns då inte längre någon kraft som ändrar personens riktning. Om det inte finns någon kraft som håller kvar personen i cirkelbanan fortsätter han i riktningen som han har när kraften släpper. Det finns många apparater som arbetar med en roterande rörelse. Något som finns i alla hus är tvättmaskinen. Tvätten läggs i en trumma som först roterar sakta så att vatten och kläder blandas. Till sist centrifugeras tvätten. Då roterar trumman snabbt så att de blöta kläderna pressas mot trummans väggar. I väggarna finns små hål där vattnet kan slinka ut och fortsätta i den riktning det har när det lämnar trumman. En människa som åker karusell känner det som att det är en kraft som pressar utåt. Den kraften kallar vi centrifugalkraften (kraften som vill fly centrum). Det är centripetalkraften som drar runt och centrifugalkraften känner åkaren som en motkraft till denna. Vi brukar säga att centrifugalkraften är en tröghetskraft.
A
TESTA DIG 3.31 Hur lyder hävstångslagen? 3.32 Vad är en centralrörelse? 3.33 Centripetalkraften driver ett föremåls
rörelse i en cirkulär bana. Åt vilket håll pekar kraften?
FÖRKLARA & RESONERA 3.34 Titta på bilden med gungbrädan på
föregående sida. Hur ska Bertil flytta sig på gungbrädan för att få jämvikt om han tar upp katten i famnen?
3.35 Varför är det enklare att hänga
centrifugerad tvätt till tork?
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 57
57
2022-02-07 07:06
SAMMANFATTNING KRAFT OCH RÖRELSE .
Tröghetslagen: Alla föremål behåller sin rörelse eller stannar i vila om de inte påverkas av en kraft. Bara en kraft kan ändra fart eller riktning på något.
.
En rörelse som går rakt fram i lika stora steg hela tiden kallas likformig rörelse.
.
Sambandet mellan medelfart, sträcka och tid är:
.
En rörelse som går fortare och fortare kallas acceleration.
.
En rörelse som går långsammare och långsammare kallas retardation.
.
Fritt fall betyder att en sak faller i riktning mot jordens centrum utan något motstånd.
.
Två olika tunga kulor faller lika snabbt mot marken vid fritt fall.
. .
sträcka tid
+ gravitationen. Tyngdkraften är jordens dragningskraft eller
Krafter mäts med en dynamometer. Enheten för kraft är 1 newton (1 N).
.
Pendelns svängningstid beror bara på pendelns längd. Svängningstiden är tiden för en hel svängning, alltså när pendeln svänger från ena sidan till den andra och tillbaka.
.
Friktionskraften bromsar när två ytor dras mot varandra. Friktionskraften blir stor om ytorna är skrovliga och tyngden är stor.
.
Låg tyngdpunkt och stor stödyta gör att en sak står stadigt. En sak faller när tyngdpunkten inte ligger över stödytan.
.
Mekanikens gyllene regel: Det man vinner i kraft, förlorar man i väg. Enkla maskiner följer Mekanikens gyllene regel.
.
Hållbar utveckling: Motortrafiken ger mycket utsläpp av avgaser och partiklar. Vid konstruktion av en bro måste noggranna beräkningar av krafterna göras. Det finns brotyper för olika användningsområden och olika möjligheter att förankra bron.
Krafter är något som håller ihop materia, som kan ändra formen på saker, som kan ändra fart och rörelseriktning på saker.
KRAFT OCH RÖRELSE .
medelfart =
.
LÄR MER
400 N
Man ritar krafter med kraftpilar. Pilen visar kraftens storlek, riktning och angreppspunkt. En kraft som är summan av flera andra kallas resultant.
.
När en sak är stilla eller rör sig med jämn hastighet är resultanten till alla krafter noll.
.
Newtons tre lagar är tröghetslagen, kraftlagen och lagen om kraft och motkraft.
.
Lutande plan och hävstänger är viktiga enkla maskiner.
.
Hävstångslagen: Vänster hävarm · vänster kraft = höger hävarm · höger kraft 58
A
500 N
Resultant
300 N B
.
Centripetalkraften påverkar ett föremål i en centralrörelse.
KRAFT OCH RÖRELSE
51108186.4.1_03_Kraft_och_rorelse_041-058.indd 58
2022-02-07 07:06
ingrid monthan ingrid monthan
ÖKA FÖRSTÅELSEN FÖR ETT HÅLLBART SAMHÄLLE
TITANO FYSIK
TITANO är ett komplett läromedel i NO för årskurs 7–9. Boken innehåller:
.
inledande diskussionssida med samhällsanknuten naturvetenskap till varje kapitel
.
bas- och lär mer-del i varje kapitel för ökad möjlighet till differentiering
.
kontinuerligt återkommande testa dig- och förklara och resonera-frågor
.
återkommande uppslag med temat Hållbar utveckling
TITANO FYSIK
ISBN 9789151108186
9 789151 108186
51108186.4.1_Omslag.indd Alla sidor
2022-02-08 13:40