Fysik i vardagen
|
257 vardagsmysterier avslöjade över en kopp kaffe
Maria Hamrin Patrik Norqvist
Patrik Norqvist och Maria Hamrin har båda doktorerat i rymdfysik och arbetar som universitetslektorer i fysik vid Umeå universitet. De forskar i rymdfysik men undervisar inom många andra områden av fysiken. Bland annat undervisar de om vardagsfysik. För att intressera ungdomar för naturkunskap ger de årligen ett flertal populärvetenskapliga föreläsningar om vardagsfysik på grundskola och gymnasium.
Boken visar hur okomplicerad och intressant fysik kan vara. Den vänder sig till nyfikna personer som vill förstå hur vår omgivning fungerar utan att behöva använda sig av avancerad fysik. För att nå läsare som inte är så vana vid naturvetenskapliga texter, har författarna valt att skriva boken i romanform. Boken rekommenderas som läromedel på introducerande översiktskurser i fysik eller som inspirationskälla för fysiklärare. Den kan också med fördel användas som uppslagsverk eller för ren nöjesläsning.
Fysik i vardagen 257 vardagsmysterier avslöjade över en kopp kaffe
Fysik i vardagen
Många av oss har säkert undrat över varför smörgåsen alltid faller med smöret neråt, varför himlen är blå, varför duschdraperiet alltid sugs in mot kroppen när man duschar eller varför det är så svårt att öppna frysen andra gången. Dessa och 253 andra frågor besvaras i denna bok.
Maria Hamrin Patrik Norqvist
Art.nr 32033
www.studentlitteratur.se
978-91-44-03945-05_cover.indd 1
08-08-25 13.21.55
Bilderna på omslagets fram- och baksida har målats av Mats Minnhagen Tillstånd till återgivning av följande sångtexter har getts av: Sidan 113: Good Vibrations Brian Wilson/Mike Love © Sea of Tunes Publ. Co. Tryckt med tillstånd av Universal Music Publishing AB Sidan 129: Thank You For The Music Benny Andersson/Björn Ulvaeus © Universal/Union Songs AB Sidan 150: Högt över havet Text/musik: Lasse Holm © EMI CMM Publishing AB Tryckt med tillstånd Sidan 199: The Heat Is On Text & musik: Florrie Palmer/Tony Ashton Copyright © Pendulum Music Ltd Tryckt med tillstånd av Warner/Chappell Music Scandinavia AB/Notfabriken Music Publishing AB. Sidan 235: Blå, blå vindar ... Text och musik: Tomas Ledin © All Together Now AB Sidan 240: Solglasögon Mats Hillborg © Universal/Sonet Music AB
KOPIERINGSFÖRBUD
Detta verk är skyddat av lagen om upphovsrätt. Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-Presskopias avtal, är förbjuden. Sådant avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare t.ex. kommuner/universitet. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller BONUS-Presskopia. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare. Denna trycksak är miljöanpassad, både när det gäller papper och tryckprocess. Art.nr 32033 ISBN 978-91-44-03945-9 Upplaga 1:10 © Maria Hamrin, Patrik Norqvist och Studentlitteratur 2005 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Printed by Graficas Cems S.L., Spain 2013
Innehåll
Förord 1 Att förstå världen från en gungstol 1.1 En evighets-kaffebryggare . . . . . 1.2 Rakel kör bil långsamt . . . . . . . 1.3 Varför bry sig? . . . . . . . . . . . . 1.4 Vikten av tyngd . . . . . . . . . . . 1.5 Regn och rusk . . . . . . . . . . . . 1.6 Herrstafetten och en påse chips . . 1.7 Att klura på ... . . . . . . . . . . . .
9 . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
11 13 15 18 22 23 25 27
2 Kroppar i vila 2.1 Ett kraftfullt begrepp . . . . . . . . . . . . . 2.2 Varför var det så jobbigt att flytta fåtöljen? 2.3 En himla viktig punkt . . . . . . . . . . . . 2.4 Vi är alla lite tröga ibland . . . . . . . . . . 2.5 Fortare än fort . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Ett slag på käften . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
29 29 32 36 37 41 44 46
3 Ytliga plattityder och flytande fakta 3.1 Upplyftande vatten . . . . . . . . . . 3.2 Från det lilla till det stora . . . . . . 3.3 Skalövningar . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Proportionella fysikaliteter . . . . . 3.5 Ute på tunn is . . . . . . . . . . . . . 3.6 Elefanter och skalbaggar . . . . . . . 3.7 Stora och små varelser . . . . . . . . 3.8 Myror som faller . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
49 49 55 57 60 62 63 65 66
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
Innehåll
3.9 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4 En massa arbete 4.1 Upp och ner . . . . . . . . . . . . 4.2 Det är arbetsamt att vara Nicke 4.3 Varför faller inte satelliter ner? . 4.4 Är genvägar senvägar? . . . . . . 4.5 En tvärnit . . . . . . . . . . . . . 4.6 Att klura på ... . . . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
69 69 72 75 76 79 82
5 Ett fall för en fysiker 5.1 På kollisionskurs . . . . 5.2 Newtonvaggan och sånt 5.3 Impulsiva handlingar . . 5.4 Att falla handlöst . . . . 5.5 Medeltida stridsteknik . 5.6 Att klura på ... . . . . . .
83 84 88 90 91 94 98
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
6 Ett vågat avsnitt 6.1 Vågen! . . . . . . . . . . . . . 6.2 Snabbsvängande små rackare 6.3 Heliumfyllda strupar . . . . . 6.4 Kastrala basröster . . . . . . 6.5 Ljudbang! . . . . . . . . . . . . 6.6 Att klura på ... . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
99 . 99 . 104 . 106 . 107 . 111 . 113
7 Musikaliska vågor 115 7.1 Studsande strängvågor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7.2 Luftiga vibrationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.3 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 8 Nu är Nicke riktigt laddad 8.1 Nåt ynka pyttelitet . . . . . . . . . . 8.2 Olikheter attraherar . . . . . . . . . 8.3 Tjocksockor och mattor . . . . . . . . 8.4 Men varför faller den inte ner? . . . 8.5 Tor kör över himlavalvet . . . . . . . 8.6 Det är oliiiiidligt spännande ... . . . 8.7 Två hål i väggen . . . . . . . . . . . . 8.8 Stoppa inte fingrarna i vägguttaget? 8.9 Bra och dåligt och mitt emellan . . . 8.10 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . 4
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
131 . 133 . 134 . 136 . 138 . 139 . 142 . 145 . 146 . 148 . 150
Innehåll
9 Ett snurrigt kapitel 9.1 Ett viktigt moment . 9.2 Rena snurren . . . . 9.3 Centrifugala känslor 9.4 Virvlande vindar . . 9.5 En svajande värld . . 9.6 Murphys lag? . . . . 9.7 Att klura på ... . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
151 . 151 . 153 . 156 . 158 . 160 . 162 . 164
10 En dag ute i fält — magnetfältet 10.1 En luring . . . . . . . . . . . . . 10.2 Att röra på sig . . . . . . . . . . 10.3 En jättemagnet! . . . . . . . . . 10.4 Ett kort mellanspel . . . . . . . 10.5 Kärringen mot strömmen . . . 10.6 Att klura på ... . . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
165 . 165 . 168 . 171 . 174 . 176 . 178
11 Tryckande värme 11.1 Kyla och värme . . . . . . . . . . . . 11.2 En övergående fas? . . . . . . . . . . 11.3 Bubblor från ingenstans . . . . . . . 11.4 Aceton och gamla sugrör . . . . . . . 11.5 Varför är frysen svår att öppna? . . . 11.6 Bastuvindar . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Varför finns inte all luft på marken? 11.8 Ständigt detta duschdraperi . . . . . 11.9 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
179 . 181 . 183 . 188 . 190 . 193 . 196 . 197 . 198 . 199
12 Strålande kroppar 12.1 Låt mig sprida ljus över ljuset! 12.2 En himla massa vågor . . . . . 12.3 Blått är varmt! . . . . . . . . . . 12.4 Ett brinnande intresse . . . . . 12.5 Mikrovågor . . . . . . . . . . . . 12.6 Att klura på ... . . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
201 . 202 . 206 . 208 . 211 . 213 . 214
13 Lysande insikter 13.1 Att se rött . . . . . . . . . . . . . 13.2 Spegel, spegel på väggen där ... 13.3 Vart tar ljuset vägen? . . . . . . 13.4 Att böja ljus? . . . . . . . . . . . 13.5 Sugröret är inte trasigt! . . . . 13.6 Att kasta ett öga på ögat . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
215 . 216 . 221 . 225 . 228 . 231 . 234
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
5
Innehåll
13.7 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 14 En helg med ett ljushuvud 14.1 Finns det kameler och palmer på våra motorvägar? 14.2 Bakom mina solglasögon . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Varför är himlen blå? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 En regnbåge på marken . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5 En skum fysiker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6 En konstig måne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.7 En kruka guld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.8 Vi är alla skuggade av skuggan . . . . . . . . . . . . 14.9 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
237 . 238 . 241 . 243 . 246 . 248 . 250 . 252 . 254 . 258
15 Fysikkrävande sporter 15.1 Tyngdlyftning vid ekvatorn . . 15.2 Mot högre höjder . . . . . . . . 15.3 Magiska bollar . . . . . . . . . . 15.4 Slägga . . . . . . . . . . . . . . . 15.5 Racerbilar som kör upp och ner 15.6 Doserade kurvor . . . . . . . . . 15.7 Att klura på ... . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
259 . 260 . 262 . 263 . 266 . 268 . 269 . 271
16 Himmel och pannkaka 16.1 Inga stjärnor precis . . . . . . . . . . . 16.2 En måne på sniskan . . . . . . . . . . 16.3 Förmörkande planeter . . . . . . . . . 16.4 Tidvattnets orakel . . . . . . . . . . . . 16.5 Mörka och ljusa tider . . . . . . . . . . 16.6 Sagan om norrskenselektronen Hugo . 16.7 Prickar på himlen . . . . . . . . . . . . 16.8 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
273 . 274 . 276 . 279 . 280 . 284 . 288 . 293 . 296
17 Moderna tider 17.1 I stort sett ingenting . . . . . . . . . . 17.2 Fyra räcker . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3 Korniga vågor och vågiga korn . . . . 17.4 Högst osannolikt . . . . . . . . . . . . . 17.5 Lysrör, lasrar och andra lysande saker 17.6 Allt är relativt . . . . . . . . . . . . . . 17.7 Att klura på ... . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
297 . 298 . 302 . 303 . 306 . 309 . 311 . 315
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
18 Hur funkar en fysiker? 317 18.1 Modeller av verkligheten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 6
Innehåll
18.2 18.3 18.4 18.5 18.6
Skrivet i stjärnorna? Himmelskt oväsen . . Verkliga storheter . . Slutstädat! . . . . . . Att klura på ... . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. 321 . 323 . 325 . 327 . 329
A Lösningar till klurigheterna
331
B Index över alla frågor
355
7
Förord Många av oss har säkert undrat över varför smörgåsen alltid faller med smöret neråt (är det bara otur eller sker det på grund av våra naturlagar?), varför himlen är blå (finns det något blått någonstans där uppe?), hur en mikrovågsugn fungerar (varför blir maten het men inte porslinet?), varför duschdraperiet alltid sugs in mot kroppen när man duschar (mycket irriterande eller hur?!) eller varför det är så svårt att öppna frysen andra gången (kan det månne vara för att man bara ska äta en glass åt gången?). I denna bok finner du svaren till de här och många, många fler frågor! Den här boken vänder sig till alla nyfikna personer som vill förstå hur vår omgivning fungerar utan att behöva använda sig av avancerad fysik och matematik (enbart förkunskaper i fysik och matematik från grundskolan krävs). Boken har sitt ursprung i en sommarkurs som gavs för lärare, lärarstudenter och andra intresserade studenter (även studenter utan naturvetenskaplig bakgrund) vid Umeå universitet första gången sommaren 2003. För att locka just en så hetrogen grupp studenter, valde vi att skriva boken i romanform för att ge en annan läsupplevelse, samt för att nå en målgrupp som inte är så van vid att läsa naturvetenskapliga texter. Bokens arton kapitel behandlar grundläggande områden inom fysiken och deras tillämpning i vardagen. Alla kapitel innehåller ett antal övningsuppgifter som anknyter till materialet som är behandlat i varje kapitel. Vissa uppgifter är enklare och andra är svårare — ibland kan man kanske behöva titta lite i facit för att helt förstå. Avsikten med uppgifterna är främst att läsaren ska börja fundera kring vardagsfenomen själv och upptäcka att man kan förstå väldigt mycket med bara enkel fysik. För att göra det enkelt att hitta i boken har vi avslutningsvis ett frågeindex där de frågor som besvaras i boken finns listade efter den situation i vardagen där de uppkommer.
0 Förord
Vår förhoppning är att vår bok ska kunna visa på hur okomplicerad och intressant fysik faktiskt kan vara. Dessutom hoppas vi att den kan fungera som inspiration till lärare i den svenska skolan, och ge dessa mod att konfrontera eleverna med naturvetenskap och på sikt öka studenternas intresse för vår omgivning och hur den fungerar. Vi riktar ett varmt tack till alla som har korrekturläst tidigare versioner av boken, och som har bidragit med förslag på förbättringar och som har deltagit i utvecklingsarbetet av både kursen och kompendiet. Umeå i mars 2005 Maria Hamrin och Patrik Norqvist
10
Kaffekopp 3
Ytliga plattityder och flytande fakta Lockad av den ljuvliga doften av nybakat känner sig Nicke tvingad att slå sig ner och ta en kopp kaffe med Rakel. Egentligen har han inte tid, han ligger långt efter tidschemat redan efter ett par tidigare hembesök som dragit ut på tiden. Men kanelbullarna ser minst lika goda ut som de bullar Nickes mamma brukade bjuda på under sommarlovens soliga dagar.
3.1
Upplyftande vatten
– Jaha, vad ska vi tala om idag då, säger Rakel med finurlig min. – Fysik, skulle jag gissa, svarar Nicke med allt intresse riktat mot den största bullen. – Okej, om du vill så. Jag tänkte att vi skulle prata om varför vissa saker flyter och andra sjunker om man lägger dem i vatten. Jag läste just själv om det och har äntligen begripit det tror jag. – Ja, men det är ju självklart. Lätta saker som frigolit flyter och tunga saker som järn sjunker. – Gör du det inte lite för lätt för dig nu? En liten sten är ju lättare än en trädstam, men trädstammen flyter.
Varför flyter tunga trädstammar, men inte lätta stenar?
3 Ytliga plattityder och flytande fakta
– Ja, ja. Men sten är ju tyngre än trä eller hur? Rent generellt sett ... Äh, du förstår väl vad jag menar. – Ja, jag förstår vad du menar även om du uttrycker dig en smula klumpigt. Vad du talar om är densitet. En sten har högre densitet än vatten och trä lägre densitet än vatten, eller lägre specifik vikt som man sa när jag var ung. – Ja, just det densitet, det var det jag menade tror jag. Vad var det nu igen då? – Densitet är hur stor vikt ett ämne har per volymenhet. Ett exempel på en volym är en liter. Vatten väger som du kanske vet ett kilo per liter. Alltså är vattnets densitet ett kilo per liter. – Så, om en liter sten, om nu en man kan ha en liter sten, väger mer än en liter vatten och har alltså sten högre densitet än vatten, säger Nicke sömnigt. – Precis, och det går alldeles utmärkt att ha en liter sten även om man inte kan hälla den i ett litermått. En liter säger bara hur stor volym stenen har. – Ja, ja. Och bara material som har lägre densitet än vatten kan flyta. – Precis ... Bara det som har lägre densitet än vatten kan flyta. – Men hur kan då knappnålar och båtar av järn flyta? smilar Nicke förnöjt. – Ojdå. Jag svarade visst lite för fort. Saker som är lättare än vatten flyter alltid, men även andra saker kan flyta under vissa omständigheter. Hur kan knappnålar flyta på vatten?
– Jaha, så vad är det som gör att järnbåtar och knappnålar flyter då? – Ja, faktiskt två helt olika saker är jag rädd. Vi kan ju börja med knappnålen. Om du häller ner lite vatten på ett bord ser du att vattnet inte sprids jämt ut över hela bordet. Det samlas i vattendroppar som är nån millimeter höga. Eller du kan ju titta på kaffedropparna som finns på ditt tefat. Anledningen till att dessa droppar (eller vattendropparna som ramlar ner när det regnar) inte spricker sönder är att det vid vattnets yta bildas en slags hinna som håller ihop vattnet. Man kallar detta för ytspänning. Denna ytspänning finns även på vattenytan i en sjö, eller i ett vattenglas. – Men den ytan kan ju inte vara särskilt stark eller ... 50
3 Ytliga plattityder och flytande fakta
– Vänta, nu. Det där gick inte att begripa. – Ursäkta, säger Rakel och tar en klunk kaffe, jag får nog förklara det på ett annat sätt. Hon tar fram ett gulnat papper och ritar en liten ballong under en vattenyta. Om du skulle lägga ner en vattenballong i vatten. Skulle den då flyta? – Nja, flyta och flyta. Den skulle väl inte direkt sjunka i alla fall tror jag.
Vattnets lyftkraft
tyngdkraft
Figur 3.1: En vattenballong känns tyngdlös i vatten eftersom vattnets lyftkraft är lika stor som jordens dragningskraftkraft.
– Nej, precis. Den varken flyter eller sjunker. Jordens gravitation som vill dra den neråt är precis lika stor som vattnets lyftkraft som vill lyfta den uppåt. Rakel ritar kraftpilar på ballongen. Nicke fortsätter: – Ja, så långt är jag med. Så, ballongen är alltså viktlös ... Rakel tittar på Nicke med bekymrad min. – Tyngdlös! Tyngdlös, menar jag. En vattenballong känns tyngdlös i vatten, skyndade sig Nicke att säga. Viktlös kan den ju inte bli. – Vattnet lyfter alltså lika mycket som en vattenballong väger, säger Rakel och ler åt Nicke. Om vi skulle stoppa en sten som är lika stor som vattenballongen i vatten hur mycket skulle då vattnets lyftkraft vara. Rakel suddar ut ballongen och pilarna och ritar dit en sten istället. – Lika mycket som stenens tyngd ... Nej det kan det ju inte vara. Stenen sjunker ju. Ja, nu fattar jag. Vattnet kan ju inte veta om det är en sten eller en vattenballong som det lyfter. Lyftkraften måste vara lika stor som nyss, säger Nicke och tar sig belåtet en ny klunk kaffe. 52
Upplyftande vatten
Vattnets lyftkraft
tyngdkraft
Figur 3.2: En sten, som är lika stor som vattenballongen i figur 3.1 känns lättare i vatten än i luft. Vattnets lyftkraft är lika stor som på ballongen men tyngdkraften på stenen är större så stenen sjunker. För att lyfta upp stenen i vatten behöver du bara lyfta med en kraft som är skillnaden mellan dessa båda krafter.
– Bravo! Precis så är det. Rakel illustrerade detta genom att rikta in en längre pil nedåt eftersom tyngdkraften på stenen är större än vattnets lyftkraft. Hon fortsätter: – Nu kan vi fundera över vad som händer om vi lägger ner något med lägre densitet i vatten. Till exempel en träbit. Vad händer då? Rakel tar fram ett nytt papper och börjar rita.
Vattnets lyftkraft
tyngdkraft
Vattnets lyftkraft
tyngdkraft
Figur 3.3: Till vänster: En träbit med lägre densitet än vatten sjunker bara ner så långt att vattnets lyftkraft blir lika stor som tyngdkraften. Till höger: Om man pressar ner träbiten under vattenytan så åker träbiten upp eftersom lyftkraften då är lika som tyngdkraften på en vattenballong med samma volym som träbiten, och det är mer än träbitens tyngdkraft. 53
3 Ytliga plattityder och flytande fakta
– Den flyter naturligtvis. Det behövs ingen fysik för att förstå det! säger Nicke. – Nja, det gör det nog, men strunta i det. Hur mycket sjunker den? – Det beror ju på hur stor den är? Nicke tar sig en ny bulle och känner sig lite irriterad över dessa oklara frågor. – Ja, ja visst gör det det. Men vad är det som avgör hur långt den sjunker. Nicke tuggar intensiv och sneglade redan på bulle nummer tre. Plötsligt går det upp ett ljus. – Eftersom den ligger still, så måste vattnets lyftkraft vara lika stor som träbitens tyngdkraft. Rakel ritar in två lika stora pilar på träbiten. – Eftersom träbiten väger mindre än vattnet så kan inte hela träbiten komma under ytan eftersom lyftkraften då bli större än tyngdkraften. Lyftkraften borde väl bli lika stor som tyngden på en vattenballong som är lika stor som träbiten. Rakel iakttar Nicke roat samtidigt som hon sörplar på sitt kaffe. – Lyftkraften beror bara på den del som är under vattenytan va? Rakel nickar. – Men då måste det vara så att en vattenballong som är lika stor som den del av träbiten som är under yta måste väga lika mycket som träbiten ... – Jag bli imponerad av dig, Niklas! Du resonerade dig fram till precis rätt lösning. Det är det som mycket av fysiken går ut på, att resonera sig fram till lösningen till en sammansatt problem med hjälp av det som man vet sedan tidigare. Arkimedes som var den förste som insåg detta med vattnets lyftkraft blev väldig berömd för detta. – Men vänta nu. Jag tror jag begriper varför en järnbåt kan flyta, säger Nick entusiastiskt. – Låt höra. Ska det vara en bulle till? säger Rakel som noga studerat Nickes lystna blickar på den sista bullen. – Lyftkraften blir ju lika stor som tyngden på en vattenballong med samma volym som båten under vattenytan skulle ha, säger han medan han huggen in på nästa bulle. 54
Från det lilla till det stora
Vattnets lyftkraft
SS rakel
tyngdkraft
Figur 3.4: Vattnets lyftkraft på en båt, är lika stor som lyftkraften på en vattenballong med samma volym som den del av båten som ligger under vatten. Även om båtens skrov består av ett material som inte flyter så räcker vattnets lyftkraft till för att lyfta båten eftersom båten till största delen består av tomrum.
Rakel ritar ivrigt en ny bild. Nicke fortsätter: – Om inte den volym som behövs för att bära upp båten är större än båtens underdel ... eller skrov som det väl kanske ... Som sagt var, om vattnets lyftkraft då hela skrovet är under vattenytan är större än båtens tyngdkraft så kommer inte båten att sjunka ner så långt att vattnet kan komma in ombord. – Japp. Precis så är det. Du förstår fysik mycket bättre än dina föregångare. Jag kan inte begripa varför alla som jobbat hos mig på sistone har bytt arbetsuppgifter efter bara några dagar ... Jag tror att jag vet, tänker Nicke roat.
3.2
Från det lilla till det stora
Efter en påtår och lite påfyllning från bullfatet känner sig Nicke på gott humör. Han kan inte låta bli att känna sig lite stolt över att ha begripit vattnets lyftkraft. – För att nu gå till något helt annat, säger Nicke. Jag har en fråga som jag länge har funderat över och som jag tänkte att du kanske skulle kunna förklara. Hur små saker finns det egentligen? – Ja, det är en ganska intressant sak. Dels vad är det minsta vi kan se, och dels vad är det minsta något över huvud taget kan vara. – Men borde det inte vara så att saker kan vara hur små som helst. 55
Vad är det minsta som finns?
3 Ytliga plattityder och flytande fakta
– Faktiskt inte. Man kan visa att ingenting kan vara mindre än 10−35 meter. Det är lite svårt att förklara varför det just blir så, men det beror på att riktigt lätta saker inte kan befinna sig på ett riktigt väldefinierat ställe. Och om man gör en så liten sak tillräckligt tung för att kunna hålla sig inom 10−35 meter, så kollapsar den av sig egen gravitation. – Det där begrep jag inte. – Det är inte så viktigt hur det blir så, men det kan vara kul att veta att saker inte kan bli hur små som helst. Det finns teorier om så kallade supersträngar som är ungefär så små, men ingen vet om de verkligen finns. – Vad är det minsta man säkert vet då?
10
observerbara universum
Vintergatan
25
lokala galaxhopen
1 år
10 20
Vintergatans kärna
1015
ett ljusår
1010
solsystemet
10 5
jorden Saturnus solen
Himalaya
10 0
människa
10−5
blodkropp
virus
−10
10
atom
−15
10
proton atomkärna
elektron
−20
10
myra
– Ja det är inte heller helt enkelt att svara på, säger Rakel och fortsätter sin utläggning. Elektronen är mycket liten. Den är högst 10−18 meter men den kan vara mindre. Kvarkar, det som partiklarna i atomkärnorna är uppbyggda av, är också ungefär lika små.
Figur 3.5: Diverse sakers storlek. Storleken på elektronen är dock osäker. Vad är det största som finns?
– Ja, och det största någonting kan vara då? – Det är sannerligen inga lätta frågor du ställer idag. Det som rimligen är det största avstånd man kan tala om är det observerbara universums storlek. Med detta menar man alltså så långt man kan se med de allra bästa stjärnkikarna. – Men med en ännu bättre kikare borde man kunna se ännu längre bort? – Jo, naturligtvis, men det finns ett längsta avstånd som man kan se. – Vilket då? – Det är det avstånd som ljuset hunnit under det tid som universum funnits. Så eftersom man tror att universum är 13–14 miljarder år 56
Skalövningar
gammalt, så kan man aldrig se längre än 13–14 miljarder ljusår. Detta skulle man kunna säga är det största man känner till, och man kan aldrig se något större. – Förutom att denna sträcka ju blir ett ljusår längre för varje år som går, tillägger Nicke finurligt och ler belåtet. – Just det. Men självklart kan universum vara mycket större än så, men det är inget vi kan se. Tyvärr.
3.3
Skalövningar
– Du Rakel som vet så mycket, är du bra på att lösa korsord? säger Nicke som tänker att han ska föra in samtalet på nåt annat som inte nödvändigtvis handlar om fysik, men som borde tilltala en gammal tant. – Jovars, man har väl löst några under sina dar ... – Själv är jag nybörjare och helkass. Men det är kul tycker jag. Jag jobbade med ett igår. Area, tre bokstäver. Om jag löst andra saker rätt, vilket jag säkert inte gjort, så blir det har! – Du har nog löst rätt. Det där ordet har betyder hektar eller egentligen hekto-ar, alltså hundra ar? Hekto betyder hundra som du kanske känner till. Ett hektogram är ju till exempel hundra gram. – Hundra vadå? Ar? – Ar är en gammal areaenhet som inte används så mycket idag. En ar är stor som en fyrkant där alla sidor är 10 meter. En hektar är en fyrkant där alla sidor är 100 meter. – Men du sa ju att en hektar är hundra gånger större än en ar. Men nu säger du ju att den bara är tio gånger större. – Men Niklas, nu pratar du innan du tänker tror jag. Om vi tar 10 arbitar och lägger dem bredvid varandra så blir det ju en remsa som är 100 meter lång men bara 10 meter bred. Du behöver tio sådana remsor, alltså 100 ar, för att att få en hel hektar. – Ops! Ja, det visste jag ju. Nicke sträcker sig efter ett av Rakels gulnade kladdpapper och ritar en sträcka, en area och en volym för att bevisa att han verkligen bara hade slarvat. 57
Fysik i vardagen
|
257 vardagsmysterier avslöjade över en kopp kaffe
Maria Hamrin Patrik Norqvist
Patrik Norqvist och Maria Hamrin har båda doktorerat i rymdfysik och arbetar som universitetslektorer i fysik vid Umeå universitet. De forskar i rymdfysik men undervisar inom många andra områden av fysiken. Bland annat undervisar de om vardagsfysik. För att intressera ungdomar för naturkunskap ger de årligen ett flertal populärvetenskapliga föreläsningar om vardagsfysik på grundskola och gymnasium.
Boken visar hur okomplicerad och intressant fysik kan vara. Den vänder sig till nyfikna personer som vill förstå hur vår omgivning fungerar utan att behöva använda sig av avancerad fysik. För att nå läsare som inte är så vana vid naturvetenskapliga texter, har författarna valt att skriva boken i romanform. Boken rekommenderas som läromedel på introducerande översiktskurser i fysik eller som inspirationskälla för fysiklärare. Den kan också med fördel användas som uppslagsverk eller för ren nöjesläsning.
Fysik i vardagen 257 vardagsmysterier avslöjade över en kopp kaffe
Fysik i vardagen
Många av oss har säkert undrat över varför smörgåsen alltid faller med smöret neråt, varför himlen är blå, varför duschdraperiet alltid sugs in mot kroppen när man duschar eller varför det är så svårt att öppna frysen andra gången. Dessa och 253 andra frågor besvaras i denna bok.
Maria Hamrin Patrik Norqvist
Art.nr 32033
www.studentlitteratur.se
978-91-44-03945-05_cover.indd 1
08-08-25 13.21.55