Göm menyn

Fysik

Frågor och svar

Tidigare frågor och svar om fysik

Fråga: Expanderar ljus? Enligt Einsteins speciella relativitetsteori ökar en partikels massa när dess hastighet ökar. Berör detta även fotoner, alltså ljuset? Jag utgår ifrån att ljuset har en startpunkt då det "står stilla" för att sedan öka till ljusets hastighet, c. /Andreas

Svar: Utgångspunkten för frågan är egentligen felaktig. Ljuset kan inte accelerera från stillastående till ljushastigheten. I och med att ljuset, fotonen, skapas så rör det/den sig med ljushastigheten. Fotonen har ingen vilomassa och inte heller någon relativistisk massa. Einstein menade, så småningom, att vi inte bör tala om massa i annan mening än vilomassa. Det finns bara en massa och det är vilomassan om vi betraktar en enstaka partikel, såsom en foton. Som Einstein uttrycker saken:

“It is not good to introduce the concept of the mass m_rel = m/sqrt{1 - v2/c2} of a moving body for which no clear definition can be given. It is better to introduce no other mass concept than the ’rest mass’ m. Instead of introducing m_rel it is better to mention the expression for the momentum and energy of a body in motion.” (Albert Einstein i ett brev till Lincoln Barnett, 19 juni 1948).

Massan ökar alltså inte när hastigheten ökar (enligt Einstein) utan det är rörelsemängden och kinetiska energin som ökar. Massan (och viloenergin) för en foton är alltså alltid noll.

Detta är dock inte helt okontroversiellt och begreppet relativistisk massa har sin plats när man betraktar system av partiklar. En hel del litteratur, särskilt äldre böcker, använder begreppet ”relativistisk massa” även för enstaka partiklar, men mycket av den moderna universitetslitteraturen har övergått till att undvika det. Några av problemen med begreppet relativistisk massa, m_rel, är att kinetiska energin för en partikel inte är 1/2*m_rel*v2 och Newtons andra lag är inte F=m_rel*a.

Fotonen har alltså ljushastigheten, c, omedelbart vid skapandet och det sker ingen acceleration från vila. Till skillnad från fotoner kan partiklar med massa såsom elektroner, positroner, protoner, helium-kärnor etc. accelereras upp till mycket nära ljushastigheten, exempelvis 0.9995c i en accelerator eller av gravitationen och då ökar den relativistiska massan drastiskt med hastigheten. En masslös partikel såsom en foton måste alltid ha ljushastigheten c enligt relativitetsteorin.

Martin Magnuson

Fråga: Är fotonen en speciell sorts partikel som saknar massa? När man stänger av en ljuskälla så försvinner ju ljuset. Vart tar då alla fotoner vägen? /Simon L

Svar: I den välkända relationen mellan energi (E) och massa (m), E=mc², är massan den "relativistiska massan” av en partikel (inte ”vilomassan”) och c=ljushastigheten. Enligt relativitetsteorin så ökar den relativistiska massan både med partikelns vilomassa (mo) och med dess hastighet, och för varje partikel med ändlig vilomassa går den mot oändligheten då hastigheten går mot c. Enda möjligheten för en partikel med ändlig energi (som ju fotonen har) att kunna röra sig med ljusets hastighet (vilket ju fotonen gör) är om dess vilomassa är noll. Eftersom fotonen alltid rör sig med ljusets hastighet och alltså aldrig är i vila, så kan vi aldrig genom ”direkt vägning” se denna vilomassa.

En partikel har massa i den meningen att en partikel är ett ”paket energi”, och därför kan sägas ha "relativistisk massa" m=E/c² . Men en partikel behöver dock inte ha massa i den meningen att en partikel inte behöver ha ”vilomassa” om den aldrig är i vila. Partiklar kan alltså vara masslösa och fotoner är partiklar som saknar vilomassa. En annan typ av partiklar som saknar vilomassa är ”gluonerna”, som förmedlar den starka växelverkanskraften och binder samman ”kvarkar” till protoner och neutroner i atomkärnor.

För partiklar som rör sig mycket fort t.ex. elektroner i en synkrotronljusanläggning där relativistiska effekter är viktiga, ökar den relativistiska massan för ökande hastighet nära ljushastigheten. När partiklar accelereras och dess bana böjs av sänds fotoner ut genom bromsstrålning.

Fotonpartiklar kan försvinna eftersom de saknar vilomassa och laddning. Däremot kan inte den energi de bär på försvinna, utan måste överföras till någonting annat. Detta kan t.ex. vara en detektor eller ett öga: fotonen från ljuskällan absorberas i ögat, signalen förs vidare till hjärnan och man observerar ljuskällan. Förr eller senare absorberas alla fotoner från ljuskällan någonstans. Elektriska laddningars rörelse är också kopplad till att fotoner skapas eller förintas genom absorption och emission i atomer. Utan laddningar skulle inga fotoner kunna skapas, inget ljus uppstå, reflekteras, brytas eller absorberas. En ljuskälla kan beskrivas som en anordning som "viftar på laddning". När en ljuskälla stängs av och slutar vifta på laddning, slutar den att producera fotoner.

Kan en ljuskälla sakna massa? Nej, om vi talar om vilomassa och att en ljuskälla definieras som något som sänder ut (emitterar) fotoner. Något som saknar relativistisk massa saknar också energi, och kan därför inte avge energi som en ljuskälla måste göra. Man skulle kunna formulera om frågan som: Kan en partikel utan vilomassa emittera en foton? En foton i sig inte kan emittera en annan foton, eftersom den inte har någon laddning. Även om ljus kan frekvens-omvandlas till halva/dubbla frekvensen osv., handlar det inte om enbart fotoner som växelverkar utan om en växelverkan med material där det också finns laddade partiklar med massa som bildar atomer eller joner. Kan en gluon som liksom en foton också saknar vilomassa emittera en foton? Normalt är svaret även i detta fall nej eftersom även gluonen är oladdad. Däremot kan en gluon emittera en annan gluon. Under mycket extrema förhållanden, kort efter Big Bang, så tror man att samtliga fyra krafter vi känner till (elektromagnetisk, stark, svag, gravitation) var förenade i en enda ”stor-förenad” kraft, och i detta tillstånd skulle möjligen gluoner kunna omvandlas till fotoner. Detta extrema tillstånd är dock dels mycket långt ifrån något som vi i vår vardagsvärld skulle betrakta som en ”ljuskälla” och är spekulationer där det idag inte finns någon allmänt accepterad teori.
I princip kan en ljuskälla också ha våg-partikeldualism eftersom ”allt” enligt kvantmekaniken har både våg- och partikelegenskaper. Till skillnad från mycket små kvantmekaniska föremål är dock våglängden för oss vanliga och synliga föremål så extremt liten att vi inte kan uppfatta vågegenskaperna. Våglängden enligt de Broglie (h/p) blir så liten i den makroskopiska världen eftersom Planck's konstant (h) är liten, vilket utnyttjas i t.ex. elektronmikroskop.

Martin Magnuson

Fråga: Jag ställde frågan på ett fysikprov vad beviset för jordens rotation var när Foucault gjorde sin pendeldemonstration. En elev svarade att den teoretiska svängningstiden avvek från den uppmätta beroende på jordens rotation och vidhängande centripetalacceleration. Hade alltså svängningstiden varit annorlunda om jorden stått still? /Peter

Svar: Ja, pendelns svängningstid påverkas av två skäl om jorden inte roterar. För det första är jordklotet pga rotationen lite tillplattat vid polerna. Detta gör att tyngdaccelerationen och därmed svängningstiden blir annorlunda än om jorden varit en ideal sfär vilket är en indirekt effekt av rotationen. För det andra finns det en direkt effekt av rotationen pga centrifugalkraften och corioliskraften som effekter av massans tröghet.

Om man tänker sig att pendeln är upphängd i en punkt rakt ovanför polaxeln på t ex nordpolen och fryser jordens form så att den, oavsett om den roterar eller inte, har samma tillplattade form vid polerna. Kommer då svängningstiden att påverkas av ifall jorden roterar eller inte? I detta specialfall, utan luftmotstånd, påverkas inte svängningstiden. Pendeln svänger ju på samma sätt oavsett om jorden roterar eller inte. Skillnaden är endast att pendeln och betraktaren åker karusell i ena fallet.

Martin Magnuson

Fråga: Hur mycket ökar atmosfärens värmeabsorption med varje ppm CO2? Finns det mätningar eller endast simuleringar? /Jurek

Svar: CO2-mättnad i atmosfären är ett så kallat ”skeptiskt argument” mot global uppvärmning, som innebär att över en viss mättnadspunkt får varje enhet CO2 som avsätts i atmosfären allt mindre inverkan som växthusgas. Växthuseffekten som atmosfärens förmåga att värma jordytan beskrevs redan 1824 av matematikern Joseph Fourier i Frankrike: Annales de Chimie et de Physique, s.136-167, Tome XXVII. De första beräkningarna av hur människans utsläpp av koldioxid kan påverka temperaturen på jorden beskrevs redan 1896 i en artikel av Svante Arrhenius (1869-1927) i Stockholm: Philosophical Magazine 41, 237 (1896). Teorin avfärdades dock av kollegan Knut Ångström (1857-1910) i Uppsala: Annalen der Physik, 308(12), 720 (1900), genom ett enkelt experiment där han lät en infraröd ljusstråle passera genom ett rör fyllt med CO2 och mätte ljusintensiteten. När CO2-koncentrationen minskade i röret kunde endast en liten skillnad i ljusintensitet påvisas och han kunde konstatera att endast några få CO2-molekyler är tillräckligt för att fullständigt absorbera en infraröd stråle.

Slutsatsen blev att en CO2-ökning inte spelade någon roll. Detta experiment skapade de första skeptikerna av den då kallade "CO2-teorin" vilket senare blev "CO2-icke-mättnads-teorin". Denna teori har med tiden utvecklats och blivit alltmer komplex och inkluderar nu konvektion, energi- och strålningsbalans på olika höjd i troposfären: E.O. Hulburt; Physical Review 38, 1876-1890 (1931), och tar hänsyn till att absorptionskoefficienten för CO2 har linjeform. Med utgångspunkt från detta kan man enkelt kan räkna ut att absorptionen verkligen ökar med CO2-koncentrationen.

De senaste 40 åren har direkta observationer och satellitdata otvivelaktigt visat att glaciärer och isbälten smälter allt snabbare på grund av uppvärmning. Man har också visat att temperaturökningen på grund av växthusgaserna koldioxid (CO2), metan (CH4), dikväveoxid (N2O), syre (O2), ozon (O3), freoner samt ökande mängder vattenånga (H2O), aska, sot och andra partiklar i luften främst beror på människans påverkan genom förbränning av fossila ämnen såsom kol, olja och gas samt ved i stora mängder. Med högupplösta spektra kan de olika absorptionslinjerna och banden i solspektra kvantifieras och relateras till respektive grundämne och molekyl i atmosfären. Den långvågiga strålning som absorberas av växthusgaserna i atmosfären sprids i alla riktningar. Det har också observerats att strålning från växthusgaserna ökar ned mot jordytan på grund av ökad absorption och spridning, beroende på att densiteten varierar med höjden över jordytan. 

Sedan mitten av 1940-talet har man observerat att solen nu är inne i en fas med hög aktivitet, med större förekomst av solfläckar, gaseruptioner och solstormar när man t.ex. jämför med hur det var under andra halvan av 1700-talet då praktiskt taget inga solfläckar observerades av astronomerna. Det finns en viss korrelation mellan klimatet och de cykliska variationerna i solaktiviteten (11-åriga solcykler), men de enskilda solcyklernas längd och påverkan på klimatet och den pågående och snabba globala uppvärmningen, som dramatiskt observerats under de senaste 40 åren, är relativt liten och har i vissa fall starkt överdrivits. Påverkan av solens aktivitet på jordens temperatur kan dock i ett längre tidsintervall ses som en av orsakerna till den observerade globala uppvärmningen sedan 1900, tillsammans med den ökande växthusgasen koldioxid som i sin tur påverkar jämvikten av de andra växthusgaserna. Exakt hur stor roll den långsiktiga variationen i solaktiviteten spelar är fortfarande inte färdigutrett, men ökningen av jordens temperatur sedan 1980 kan huvudsakligen tillskrivas växthuseffekten orsakad av koldioxidutsläpp från förbränning av kol, gas, ved och olja.

Mätningar i atmosfären av CO2-halten i ppm pågår kontinuerligt, liksom av temperaturen, och under de senaste 10 åren har man noterat att atmosfärens temperatur inte nämnvärt har ökat, trots en ökande CO2-halt. Om man enbart tar hänsyn till CO2-halten, avtar inverkan av ökande CO2-halt på så sätt, att en dubblering av CO2-halten ger en temperaturhöjning med 1 grad C (logaritmiskt beroende). Utöver CO2-halten och solcyklerna finns många andra parametrar som påverkar temperaturen och olika "alarmister" och "förnekare" tolkar detta på diametralt olika sätt.

Martin Magnuson

Fråga: Hur mycket starkare är 110 dB än 105 dB? /Alex

Svar:  Beroende på vad man menar med ”styrka” och vad det är man mäter i decibel så ger det olika resultat. Om det är ljudintensitetsnivå som har uppmätts så kan man med styrka mena antingen ljudintensitet eller ljudtryck. Relationerna mellan ljudintensitetsnivå, L, och intensitet I är:

L=10log I/I0

där log är 10-logaritmen och I0 är en referensintensitet (1x10-12 W/m2). Om det är detta vi vill veta motsvarar 110 dB ljudintensiteten 0.100 W/m2 medan 105 dB motsvarar 0.0316 W/m2. Det skiljer då en faktor 3 ungefär.

Relationerna mellan ljudintensitetsnivå, L, och ljudtryck, p, är:

L=20log p/p0

Där p0 är ett referenstryck (2x10-5 Pa). Om det är detta vi vill veta motsvarar 110 dB ljudtrycket 6.32 Pa medan 105 dB motsvarar 3.55 Pa. Det skiljer då ungefär en faktor 1,8.

Man kan också uppskatta hur många ggr högre effekt ljudet har i en aktuell punkt som 100,5 dvs 3,16. Allmänt kan man räkna på ljudstyrkeeffekt genom att ta skillnaden i dB och dividera med 10. I exemplet blir det alltså 5/10=0,5. Genom att sedan ta 100,5 får man fram hur många gånger starkare ljudet är. Om vi istället jämför två ljudkällor som ger 70 dB respektive 90 dB i en viss punkt är skillnaden 20 och delat med 10 blir det 2. Den starkare ljudkällan ger 102, dvs 100 ggr högre effekt i den aktuella punkten.

Martin Magnuson

Fråga: Inom den verkligt lilla världen vars lagar studeras inom kvantmekaniken råder ju en grundläggande slumpmässighet, definierad genom Heisenbergs osäkerhetsprincip. På vilken nivå övergår då världen till att bli förutsägbar? Om det sker gradvis, så måste det väl finnas en sannolikhet att vi kan uppleva den här osäkerheten i vår "stora" värld? /Fredrik

Svar: Detta är intressanta frågor som har bekymrat fysiker sedan kvantmekanikens ursprung för snart 100 år sedan. Några egentliga svar på frågan om hur exakt övergången sker mellan kvantmekanisk osäkerhet och klassisk determinism har vi dock fortfarande inte. I den vanligaste tolkningen av kvantmekaniken (Köpenhamns-tolkningen, efter Niels Bohr m.fl.) så brukar man säga att den kvantmekaniska vågfunktionen med sin inbyggda osäkerhetsrelation av Heisenberg ”kollapsar” till något välbestämt tillstånd när man gör en mätning/observation av tillståndet och därigenom får det att växelverka med den makroskopiska omvärlden. Det finns en mängd teorier, hypoteser och modeller för hur och när detta skulle tänkas kunna ske men inget som idag kan sägas vara accepterat som någon allmängiltig ”sanning” bland fysiker. Många fysiker väljer att betrakta problemet mer som filosofiskt än fysikaliskt och konstatera att om vi överger determinismen och istället blandar in rent slumpmässiga, statistiska resonemang i beskrivningen av ”våg-kollapsen” får vi resultat som stämmer alldeles utmärkt med experiment. Då måste man dock acceptera att ”Schrödingers katt” kan vara både levande och död samtidigt, så länge ingen ser den.

På frågan "Är ingenting helt säkert?" så beror det på hur vi definierar "helt säkert". Om något är så osannolikt att det sker i snitt en gång på, låt säga, en tidsrymd som är oerhört mycket större än universums livslängd vilket i allmänhet är ett faktum för de saker som beskrivs här, exempelvis att man kan tunnla genom en vägg, så skulle en fysiker säga att det är ”helt säkert” att det inte kan hända men en matematiker skulle invända att sannolikheten är inte noll.

Notera att kvantmekanikens effekter i allmänhet enbart gäller på mycket korta avstånd. Enligt Heisenbergs osäkerhetsrelation har ”produkten” av osäkerheterna i läge och rörelsemängd ett minsta värde givet av Plancks konstant. Rörelsemängd är i sin tur produkt av massa och hastighet. För ett tungt föremål i den makroskopiska världen blir osäkerheten i läge mycket liten. Omvänt, om vi har en partikel med mycket liten massa, t.ex. en elektron, så blir osäkerheten i läge mycket större och de kvantmekaniska effekterna blir därför tydliga. Om vi istället har (relativt) tunga partiklar, som rör sig på ett sådant sätt att osäkerheten i deras hastigheter är mycket liten blir situationen annorlunda. Men även då kan osäkerheten i läge bli ”makroskopiskt” stor. Ett exempel är s.k. Bose-Einstein kondensat, då man fångar en gas av atomer med mycket låg densitet i en ”(jon-)fälla” av storleksordning mm eller cm. När man kyler ner partiklarna i fällan till mycket låga temperaturer får de mycket låga hastigheter. Varje atoms materievåg kommer då att breda ut sig över hela fällan och resultatet blir att vi får en stor ”makroskopisk” materievåg där all atomer i fällan ”svänger i takt”, och då kan man observera rent kvantmekaniska effekter på makroskopiska längdskalor, i mm. Liknande makroskopiska kvantmekaniska effekter orsakar supraledning och suprafluiditet.

Som beskrivs med tärningskastet så beror det till synes ”slumpmässiga” i att man inte kan kontrollera med oändlig precision exakt hur man kastar tärningen. Om man kunde kasta ”exakt” lika varje gång skulle man alltid få samma resultat. Ett liknande resonemang för kvantmekaniken skulle göra att den ”verkar” slumpmässig för att vi fysiker inte begriper hur den ”egentligen” fungerar. Man bör vara medveten om den fundamentala slump som finns inom kvantmekaniken - en slump som bottnar i att det inte finns några orsaker - och den mer "pragmatiska" slump vi talar om när vi kastar tärning. När man kastar tärning är det ett uttryck för att vi inte har koll på orsakerna. Den spelare som tränar på att ha koll, d.v.s. tränar på att slå tärning så att han alltid får en sexa, kan kanske förbättra oddsen men hundraprocentigt säker blir han aldrig p.g.a. den grundläggande kvantmekaniska osäkerheten. 

Den gradvisa övergången från total oförutsägbarhet till lagbundenhet blir tydlig inom den statistiska fysiken som ligger till grund för termodynamiken. I små system händer det då man t.ex. slår endast 5 tärningar att man få sexa på alla men allteftersom systemet skalas upp börja sannolikheterna gränsa till visshet. Slår man 5 miljoner tärningar kan man vara mycket säkra på att medelantalet ”ögon” blir mycket nära 3,5 även om man i en av de astronomiskt många möjligheterna får sexa på alla. Men det handlar ju inte bara om tärningar då de förutsägelser man gör i vardagen, t.ex. väderprognoser eller börsens utveckling, bygger på att det extremt osannolika inte inträffar.

Martin Magnuson

Fråga: Vilken av färgerna grön och lila absorberar bäst solenergi och varför? /Linnéa

Svar: En färg är ljus som vi uppfattar med våra ögon, så frågan kan nog också uttryckas "vilken ljusvåglängd absorberar ljus från solen bäst". Men frågan är antagligen vilket material som absorberar mest solenergi, ett grönt material eller ett lila material. Om vi antar att materialen inte är transparenta kommer allt ljus som inte reflekteras att absorberas. Ett material kan se grönt ut eftersom alla våglängder utom grönt absorberas mycket mer än vad grönt ljus gör. Materialet kan också vara grönt för att det reflekterar både blått och gult ljus men inte andra våglängder. Ett lila material absorberar säkert det mesta av alla våglängder utom lila eller alternativt alla våglängder utom rött och blått.

Om vi antar att ett lila material totalt absorberar alla våglängder utom lila och det gröna materialet absorberar både blå-lila och röd-gult och absorptionen är försumbar för lila respektive grönt (vilket inte behöver stämma) blir de våglängdsintervall som inte absorberas (lila: 380-450 nm, grönt: 495-570 nm) ungefär lika stora. Men det är inte säkert att bara för att materialen ser lila respektive gröna ut så är det exakt dessa våglängdsintervall som är iblandade. Båda materialen kan nämligen absorbera solenergi utanför det synliga området mer eller mindre bra. Här kan man tänka sig att det lila materialet även reflekterar ultraviolett ljus medan det gröna materialet inte gör det.

I praktiken måste man faktiskt mäta upp hur stor solljusabsorptionen är för det gröna och det lila materialet för att kunna jämföra vilket av dem som absorberar solenergi bäst.

Martin Magnuson

Fråga: Varför har en järnkula större massa än en träkula trots att de är lika stora? /Tabbe

Svar: Notera att atomer av olika grundämnen har mycket olika massa. De tyngsta grundämnenas atomer har cirka 250 ggr högre massa än de lättaste atomerna (väte och helium) eftersom både antalet protoner och neutroner är cirka 250 ggr fler. Den plats en atom upptar (volym) varierar dock inte lika mycket. Skälet är att atomer med många protoner drar till sig elektronerna mycket starkare än de som har få protoner. Därför upptar de tyngre atomerna inte alls 250 ggr större plats än de lättaste. Redan här ser man alltså att material som består av tyngre atomer bör ha högre densitet, dvs högre massa per volymsenhet. När vi sedan lämnar grundämnena (t.ex. trä är ju inget grundämne i sig självt men består av grundämnen såsom kol, väte och syre) får vi ta hänsyn till hur atomer binds samman till molekyler och fasta material. I vissa porösa material (t.ex. balsaträ) ligger atomerna glesare packade än i andra tyngre material (t.ex. ek eller järn). På så sätt kan vi få ännu större variation i densiteten.

Martin Magnuson

Fråga: Om man har en tät kropp som inte kan komprimeras, som har så lite flytkraft att det precis flyter, kommer kroppen att flyta upp oavsett hur djupt man sänker ner den? /Göran

Svar: Ja, det inkompressibla föremålet kommer till och med att få ökad flytkraft när den kommer ner på större djup eftersom vattnet självt blir mer komprimerat. Kroppens volym kommer därmed att tränga undan vatten med högre massa och därmed större tyngd. Enligt Arkimedes princip är ju lyftkraften lika stor som tyngden av den undanträngda vätskemängden.

Martin Magnuson

Fråga: Varifrån fick Isaac Newton idén om gravitationen?

Svar: En vanlig anekdot är att Newton såg ett äpple falla från ett träd och därigenom kom på idén att det var samma kraft som fick månen att gå i en bana runt jorden. Före Newtons tid fanns två typer av mekanik. Den ena mekaniken handlade om föremål på jorden som naturligen ramlade nedåt och i undantagsfall, t ex röken över en eld, steg uppåt. Den andra mekaniken handlade om himlakroppar som i stället rörde sig i cirklar, så som t ex månen rör sig kring jorden. För många vetenskapligt lagda personer kändes det otillfredsställande att ha två sorters mekanik och Newton ville beskriva himmelska och jordiska föremål med samma typ av mekanik. I sin bok ”A Treatise of the System of the World”, som utkom 1728, ger Newton en populariserad version av sin teori. Han ber läsaren föreställa sig att man skjuter ut en kanonkula horisontellt från toppen av ett berg. 

Om man gradvis tänker sig att kanonkulan ges allt högre fart kommer den att landa allt längre bort från berget. Överdriver man denna scen med kanonkulan ser man att jordklotets krökning börjar spela roll för hur långt bort kulan tar mark. Vid tillräckligt hög fart (cirka 8000 m/s) kommer jordens yta att kröka av precis lika mycket som kanonkulans bana kröks av på grund av kulans tyngd. Det innebär att kulan hela tiden rör sig på samma höjd över marken, d.v.s. den rör sig som en ”satellit” - precis som månen. I en nyare bok som heter ”Tankar som ändrar allt”, av Sören Holst, Fri Tanke förlag 2012, finns detta tankeexperiment och många andra beskrivna.

Martin Magnuson

Fråga: Är likström och/eller växelström ett naturligt tillstånd för elektricitet? /Lasse

Svar: Om man med likström menar en ström som hela tiden har samma styrka så är den mycket sällsynt i naturen och utgör ett specialfall. Om man med likström menar en ström som inte byter riktning blir den vanligare - blixtar i ett åskväder är ett exempel. Växelström är dock betydligt vanligare i naturen eftersom ljuset, liksom alla andra elektromagnetiska vågor framkallar en ström som växlar riktning då det träffar ett föremål som kan leda ström eller polariseras. Elektromagnetiska vågor består av ett växlande elektriskt och magnetiskt fält. När en laddning påverkas av ett sådant elektriskt fält utsätts det för en kraft som får den att röra sig fram och tillbaka. Det är sådana mikroskopiska växelströmmar som förklarar varför ljus och ljud bryts, reflekteras eller absorberas i t ex glas och andra material.

Martin Magnuson

Fråga: Om man häller vatten på ett fat, ställer ett tänt värmeljus i vattnet och sluter tätt med en glasburk över ljuset, så slocknar ju ljuset efter en stund på grund av att syret tar slut. Samtidigt bildas ett undertryck(?) och vattnet på fatet sugs upp i glasburken. Varför? /Anna

Svar: Experimentet med glaset och stearinljuset brukar ibland ges en felaktig förklaring. Det har hävdats att undertrycket beror på att det fria syret i glaset tagit slut. Att detta är ett felaktigt antagande är uppenbart då man konstaterar att det fria syret ersätts av i stort sett lika många koldioxid och vattenmolekyler vid förbränningen. Detta är en kemisk process, en exotermisk reaktion, där stearin och syre förbrukas och ger koldioxid, vattenånga och uppvärmning. Atmosfärisk luft består av kväve och argon (inerta gaser), samt koldioxid och vattenånga (biologiskt aktiva gaser). När vi trär glaset över ljuset som står i vattnet fortsätter ljuset att brinna ytterligare en stund innan syret är förbrukat. Strax innan ljuset slocknar uppstår en fysikalisk effekt, då vattnet snabbt sugs upp en bra bit i glaset (ca. 1/10 av glasets volym) och stannar kvar på denna förhöjda nivå på grund av ett starkt undertryck. Syrgas utgör cirka 20% av luft och, om det konsumeras när ljuset brinner, skulle det bildas ett undertryck i glaset, så att vattennivån skulle stiga om det inte samtidigt hade bildats koldioxid vid förbränningen. När ljuset slocknar och temperaturen i glaset åter sjunker, kondenseras vattenångan till vatten i flytande form. Det flytande vattnet tar mycket mindre plats än vattenångan. Undertrycket uppstår av temperatur­för­ändringarna och inte av syreför­bruk­ningen. Vattnets fasomvandling ger alltså det undertryck, som suger upp vatten i glaset.

Martin Magnuson

Fråga: Fungerar en pendelklocka på Mars? Om vi skulle vilja göra en pendel med en svängningstid på exakt två sekunder, hur skulle vi då göra? Om en gammal pendelklocka går för långsamt, hur ska den justeras? /Elvira och Emilia

Svar: En pendel har en svängningstid, T, som är 2 pi gånger roten ur (pendellängd, l, genom tyngdaccelerationen, g). På månen, där tyngdaccelerationen, g, är en sjättedel av den på jorden blir alltså svängningstiden längre. Detsamma gäller på Mars där tyngdaccelerationen är drygt en tredjedel av jordens. Ur det matematiska pendeluttrycket kan man lätt räkna ut hur lång den pendeln bör vara för en given svängningstid och när g är noll så blir svängningstiden oändlig. För att få en konstant svängningstid för olika gravitation kan man konstruera en s.k. kompensationspendel med variabel pendellängd. Räkna gärna på hur pendellängden ska varieras för olika gravitation för en konstant svängningstid. På pendeln i en moraklocka finns en skruv längst ner med vilken man kan variera (rucka) på pendelns tyngd och justera så att klockan går rätt.

Martin Magnuson

Fråga: Numera finns ju starka lysdioder i olika färger och när det gäller det blå ljuset har jag lagt märke till att runt ljuskällan uppstår ett blått ljusskimmer som gör att man upplever att dessa blå lampor är större än övriga färger. Hur kommer detta sig? /Magnus

Svar: Lysdioder använder olika material för att bilda ljuset för varje önskad färg som en kombination av grundfärgerna blå, grön, röd. Röda lysdioder baseras på galliumarsenid, och blå lysdioder baseras på galliumnitrid. I båda fallen bildas ljuset från ett tunt gränsskikt och ljuset blir starkt riktat åt ett visst håll. För att lysa åt mer än ett håll använder man olika typer av linser för att sprida ljuset. Från de olika linserna blir det olika skimmer och spridning av ljuset. Vilket färg vi ser beror på att ögat uppfattar olika färger bättre eller sämre, exempelvis i mörker så är vi mer känsliga för blå färger än röda.

Martin Magnuson

Fråga: Kan man få olika material att sväva i luften, genom att på något sätt manipulera materialets molekylära uppbyggnad eller luftens molekylära uppbyggnad? /Niklas

Svar: Tyngdkraften kan i regel inte upphävas genom manipulationer av molekyler då alla atomer har en inneboende massa. Ibland kan man dock under en tid övervinna tyngdkraften med hjälp av andra krafter, t ex elektriska och magnetiska krafter. Det är vad som sker när man gnider och laddar upp en ballong med en lovikavante och får den att fästa i taket med hjälp av statisk elektricitet. Ett normalt sett omagnetiskt föremål som innehåller lite järn, mangan, kobolt eller nickel kan dras till en magnet och det beror på att elektronernas spinn i små delområden (domäner) i föremålet orienterats magnetiskt åt samma håll, och framkallat en sammanlagd magnet i föremålet som kan fästa i taket. En magnet kan fås att sväva i ett magnetfält över ett material som är supraledande när det kyls. Om vi övervinner tyngdkraften med andra krafter kan vi kalla det för att vi manipulerat med molekylerna eller atomerna i materialet, men det har fortfarande samma massa och svävar inte av sig självt.

Martin Magnuson

Fråga: När jag vaknat på natten har jag sett neongröna, kortvariga ljussken i samband med statisk elektricitet. När jag gnuggat lakanet har jag kunnat få fram de gröna "blixtarna". Vad beror detta på? /Helle

Svar: Statisk elektricitet kan ibland yttra sig som små grönaktiga blixtar. Den som tagit av sig en nylonskjorta i mörker har sett detta tydligt. Detta gröna ljusfenomen kan även ske naturligt i atmosfären vid speciell väderlek. Statisk elektricitet kan framkallas när två olika typer av material kommer i nära kontakt med varandra. Elektroner kan då glida över mellan materialen. När fysikläraren gnider en ebonitstav med ett kattskinn eller en lovikavante är det en uppladdning av staven som sker. Gnidandet åstadkommer uppsamling av elektroner och inte ”loss-rivning” av elektroner som man ibland säger. Materialen får därigenom olika laddning och när de separeras från varandra uppstår en spänning mellan dem. Elektrisk spänning är lägesenergi per laddning. När laddade föremål med olika laddning (+/-), som ju attraherar varandra, dras isär får de en högre lägesenergi än när de är nära varandra. När spänningen blir tillräckligt stor kan det bli överslag, d.v.s. vi får en liten blixt mellan materialen.

Martin Magnuson

Fråga: Vi har installerat en induktionshäll hemma och när jag kokar upp vatten så går det väldigt fort. Men jag upplever också att det svalnar förhållandevis fort jämfört med vatten som värmts på en vanlig spis. Nu har jag blivit dumförklarad på fikarasten och undrar om det kan ligga någon sanning i detta. /Lisa

Svar: Som en av fördelarna med en induktionshäll, förutom att den drar mindre energi än en traditionell spishäll, brukar man framhäva att hällen svalnar snabbt efter användning. I en induktionshäll används ett varierande magnetfält under hällen, som inducerar strömmar i kastrullen eller stekpannan för att skapa värme. För att uppvärmningen ska fungera så effektivt som möjligt bör man alltså använda ferro-magnetiska tillagningskärl med induktionshäll. Kärlen kan vara tillverkade av gjutjärn, men även emaljbelagt stål eller rostfritt stål (kromstål) som är speciellt gjorda för induktionshällar. Med en kylskåpsmagnet kan man enkelt själv kontrollera att grytan eller stekpannan är magnetiserbar. Till skillnad mot en vanlig spis, är det alltså endast kärlet som blir varmt och inte hällen under kärlet vilket gör att det går lika fort att koka upp vatten som i en vattenkokare. Att vattnet sedan svalnar snabbare i grytan beror på att hällen inte längre håller grytan varm som den gör på en vanlig spis när man stängt av den.

Martin Magnuson

Fråga: Är det möjligt att bygga en maskin som kan åstadkomma solens temperatur och hur skulle den fungera ungefär? /Safiki

Svar: Den enda ”maskin” som kan åstadkomma solens temperatur (10-15 miljoner grader Celsius) på jorden är en s.k. fusionsreaktor där temperaturen kan vara uppemot 100 miljoner grader Celsius. Fusion av atomer är den process då lätta atomkärnor av t.ex. väteisotoperna deuterium eller tritium ”smälter samman” och bildar större och något tyngre atomkärnor (helium) varvid energi tjänas i processen.

Mycket forskning har lagts ner på att kunna använda fusion som praktisk användbar energikälla såsom för kärnkraftverk med fission, d.v.s. atomkärnklyvning. För att fusionsprocessen ska starta i en fusionsreaktor krävs alltså extremt höga temperaturer i ett väteplasma som i solen och i andra stjärnor. Eftersom den höga temperaturen skulle smälta en reaktortank av stål eller andra metaller, låter man plasmat med väteisotoperna ”sväva” och snurra runt i en rund vakuumkammare där plasmat innesluts och hålls ifrån metallväggarna med ett starkt magnetfält. Svårigheten med en fusionsreaktor är alltså att hitta material som inte smälter i plasmats avgränsningar, t.ex. olika keramiska legeringar och grafit som man kan använda för att ”svarva av” och rikta in fusionsplasmat från reaktorns ytterkanter mot mitten så att den höga temperaturen koncentreras på rätt ställe och sannolikheten för fission ökar.

Vid försök har man hittills lyckats åstadkomma fission under kort tid i ett så kallat skott på några millisekunder. Det är dock inte tillräckligt länge för att nå ”break-even”, d.v.s. när den sammanlagt erhållna energin blir större än den tillförda energin. Försök med ”kall fusion” har senare visat sig inte vara riktig fusion utan olika former av kemiska reaktioner. Förutom fusionsreaktorer kan man endast mycket kortvarigt åstadkomma solens temperatur på jorden med en vätebomb men dessa alstrar mycket skadlig strålning och är därför inte tillåtna, i synnerhet inte ovanpå jordytan.

Martin Magnuson

Fråga: Är ljus verkligt eller bara en konstruktion av våra hjärnor? Om det inte fanns varelser med ögon eller hjärnor, skulle jorden då lysas upp på dagen? Jag menar inte att det elektromagnetiska spektrumet skulle upphöra att existera bara för att det inte finns någon som kan observera det. /Lars

Svar: Din fråga aktualiserar ett stort frågekomplex som framför allt handlar om kunskapsteori och psykologi, men utifrån fysikämnet finns också en del att säga. Det finns dock knappast någon "officiell" hållning som alla fysiker håller med om. Jag ger min syn på saken men tror samtidigt att många har liknande syn.

I fysikens beskrivning av ljus finns inte de upplevda färgerna med. De är, som du antyder, en konstruktion av vår hjärna. Hos rosen finns något som orsakar vår upplevelse av rödhet och det finns taggar som orsakar smärta, men rödheten och smärtan konstruerar vi. Upplevelsen av ljus skulle inte finnas om det inte fanns någon som kunde uppleva det.

Det stora frågekomplexet aktualiseras om vi pressar frågan ett steg till. Om det nu är så att vissa saker inte finns "på riktigt", vad är det då som finns på riktigt? Finns det elektromagnetiska vågor eller är det bara något vi hittat på? Finns det krafter? Finns det atomer? Finns det fotoner, elektroner, protoner, kvarkar, strängar . . ?

Jag tror att de flesta människor känner på samma sätt när de börjar fundera på detta.

Spontant tvivlar vi inte på att det finns gatstenar och slalompjäxor. Men när vi kommer in på fotoner och kvarkar så känns det snarare som om även detta är något våra (fysikernas) hjärnor hittat på.  Det tycks vara en gradvis övergång mellan det vi tycker finns och det vi kan ifrågasätta.

Jag tycker det är rimligt att inta en pragmatisk hållning. Vissa begrepp är svåra att avvara när vi försöker skapa systematik i våra upplevelser. Det gäller både vardagsupplevelser och de upplevelser (experiment) som görs inom vetenskapen. Dessa begrepp står för något som vi, tills vidare i alla fall, anser existerar. På så vis blir det en lämplighetsfråga vad som finns. Just när det gäller den fysikaliska beskrivningen av ljus blir detta tydligt. Går man långt tillbaka förklarades synupplevelsen med att vi kastade blickar på de föremål vi såg. Men lite konstigt var det förstås att alla samtidigt slutade kasta blickar,  när man släckte ljuset. Under en annan tid ansåg man att ljus var en vågrörelse i ett medium som  kallades eter. Efter 1860-talet var det en elektromagnetisk våg i vakuum.

Sedan dess fanns inte etern (men ordet lever kvar i t ex etermedier.) Efter kvantfysikens intåg beskrivs ljus även som en ström av energikvanta - fotoner. Det blir ganska tydligt att frågan om vad ljus är "egentligen" inte har något tillfredsställande svar.

Denna pragmatiska inställning blir även rimlig om vi tar en annan, mer filosofisk, utgångspunkt.

Vad är det vi kan vara absolut säkra på existerar? Många håller nog med filosofen Descartes att det som försiggår i vårt medvetande är det vi säkert vet finns. Ur den synpunkten är det snarast rödheten och smärtan som säkert  finns medan själva rosen är vår hjärnas påhitt.

På det sättet kommer rosor, pjäxor . . .  atomer, fotoner, higgspartiklar att vara mer eller mindre användbara begrepp för att skapa ordning i våra upplevelser. Vi använder dem - vi tror att de står för något som existerar - så länge de fungerar för att skapa ordning i tillvaron.

Sedan byter vi ut dem mot det som fungerar bättre.

Lars Alfred Engström

Fråga: Jag och en kamrat är lite oense. Vi undrar om guld kan bli radioaktivt? Låt oss säga att en guldåder befinner sig väldigt nära något radioaktivt ämne i berggrunden, kan man tänka sig att radioaktiviteten "smittar"? /Andreas

Svar: Det finns visserligen radioaktiva guldisotoper men guld kan endast transmuteras och bli radioaktivt genom neutronbestrålning. I princip kan neutroner avges genom spontan emission från tunga neutronrika grundämnen, men sådana finns normalt inte naturligt i berggrunden. Det krävs även rätt energi på neutronerna för att en fissions-sönderfalls-process ska komma igång och rätt fissionsprodukter bildas. Det räcker alltså inte med endast alfa/beta/gamma-strålning av guldet eftersom det inte ger upphov till transmutation. Även om guldet i princip skulle kunna bli radioaktivt i naturen så varar dock inte radioaktiviteten särskilt länge, eftersom de aktuella radioaktiva guldisotoperna har en halveringstid på några få dagar. Så lyckas man bara få bort ett radioaktivt ämne från guldet så kan man använda det i exempelvis guldringar redan efter ett par månader. Observera dock att även om ”radioaktiva guldringar” tidigare anses ha orsakat cancer, så beror det på att det inte var rent guld i ringarna utan guld förorenat med något radioaktivt ämne t.ex. innesluten radongas i materialet.

Martin Magnuson

Fråga: Jag har funderingar på att skapa ett rum hemma där man är absolut säker på att inga elektroniska prylar fungerar. Går det att skapa ett sådant rum? Funderat på en "Faradays bur" som håller elektricitet borta genom att använda sitt skal som ledare. /Anders

Svar: En Fahradays bur bör fungera bra och det behöver inte vara ett tätt metallskal.  Är det radiovågor man vill utestänga räcker det med ett metallnät vars hål är en storleksordning mindre än radiovågens våglängd. Observera dock att buren utestänger externa fält och elektriska signaler. Inneslutna elektriska ledningar, lampor och apparater - t ex CD-spelare - fungerar fortfarande inuti buren om det finns ledningar in till rummet. Ett enkelt sätt att testa en Faradays bur är att slå in sin mobiltelefon i aluminiumfolie. Testa gärna hemma att det inte går att ringa till den med aluminiumfolie på.

Martin Magnuson

Fråga: Kan man ange mängden energi som grundämnet uran innehåller på motsvarande sätt som man anger mängden energi i t.ex diesel, brännolja eller rapsolja, och i så fall hur mycket är det? /Mikael

Svar: Här måste man skilja mellan kemisk energi och fission. Kemisk energi utvinns genom omlagringar av atomernas yttre elektroner i de kemiska bindningarna vid förbränning av olika material, t.ex. olja. Vid fission däremot (sprängning av atomkärnor) omvandlas först elektrostatisk lägesenergi hos protonerna som ligger tätt packade till rörelseenergi hos de alstrade reaktionsprodukterna, de s.k. fissionsfragmenten och neutronerna som alstras (kallas ofta helt enkelt "kärnenergi"). När dessa partiklar sedan bromsas ned i det omgivande materialet omvandlas energin till värme. De produkter som först alstras är också radioaktiva och sönderfaller varvid ytterligare energi i form av snabba partiklar och gammastrålning alstras.

Grundämnet uran är mycket rikt på energi i jämförelse med andra energislag. Ett kilo uran ger 50 000 kWh elektricitet medan ett kilo olja ger 5 kWh elektricitet och motsvarande för ett kilo kol är 3 kWh. Uran består av tre olika isotoper (olika former av samma grundämne): uran-234, uran-235, och uran-238. Det är uran-235 som är lättast att klyva (fission) och används därför som bränsle i kärnkraftverk. Siffran 235 står för summan av protoner och neutroner som finns i atomkärnan. Det speciella med just uran-235 är att den kan klyvas i två ungefär lika stora delar om den träffas av en neutron. Denna process avger en stor mängd energi eftersom neutronerna och protonerna är starkare bundna till varandra i de två ”dotterkärnorna” än den ursprungliga urankärnan. En annan viktig sak är att när uranatomen klyvs bildas ett par fria neutroner som far iväg och i sin tur kan klyva en annan uranatom som ligger nära. Under de rätta omständigheterna kan man starta en kedjereaktion där fler och fler atomer klyvs och en enorm mängd energi frigörs. Om man använder nästan rent uran-235 kan man sätta igång en kedjereaktion som på mycket kort tid klyver alla uranatomer och det är detta man gör i en atombomb. I ett kärnkraftverk använder man uran-235 som är utspätt med uran-238 vilket ger en långsammare process som man kan kontrollera. Den stora energi som frigörs i kärnklyvning räknade Lise Meitner ut redan i december 1938 i Kungälv vid tolkningen av försök utförda av Otto Frisch i Köpenhamn.

Martin Magnuson

Fråga: Varför löser sig inte t.ex. plast och glas i syror likt metall gör? Eller gör de det? /Andy

Svar: Ytan på metaller kan oxidera och omvandlas till joner av syror som frigörs och löses upp av syran. Glaser och plaster omvandlas i regel inte till joner av de flesta syror och löses därför inte upp. Vissa syror såsom fluorvätesyra kan dock användas för att etsa i glas.

Martin Magnuson

Fråga: Hur kommer det sig att man inte kan beskriva gravitation som ett imaginärt elektriskt fält? /Hans

Svar: Denna fråga är ett försök att förena elektromagnetism med gravitation. Så länge vi bara arbetar med svaga gravitationsfält (Newton) och klassiska elektromagnetiska fält (Coulomb) kan en sådan beskrivning fungera eftersom elektriska och gravitationella fält har samma avståndsberoende, 1/r, där r=avståndet. Problem dyker dock upp eftersom: (i) Newtons gravitationslag bara är en approximation till Einsteins mer allmängiltiga allmänna relativitetsteori som har en helt annan och betydligt mer komplicerad matematisk struktur; (ii) på mikro-nivå är Coulumbs lag bara en approximation av den kvantmekaniska fält-teorin, som beskriver elektriska fält som utbyte av fotoner. Många försök har gjorts att åstadkomma en liknande kvantmekanisk beskrivning av gravitation, men hittills har så vitt vi vet ingen lyckats (i varje fall inte med experimentell verifierbarhet). Om frågeställaren vill gå vidare med idén om ”elektro-gravitation” i komplexa talplanet, så bör man först tänka igenom ifall real och imaginär-delarna är tänkta att växelverka med varandra via i²=-1 och om det finns något sätt att experimentellt påvisa ett sådant samspel samt var tidsdilatationen kommer in i detta. Isåfall vore det intressant att exempelvis kunna förutsäga interferensmönster mellan gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor samt storleksordningen på dessa då det inte har gjorts tidigare.

Martin Magnuson

Fråga: Jag har hört hypoteser om vad Max Tegmark kallar tredje nivåns parallella universa. Partiklar kan vara på flera ställen samtidigt men när de iakttas så återgår de till att vara bara på en plats. Varför kan jag då inte resa till parallella universa när jag blundar? /Oliver

Svar: ”Flervärldstolkningen”, ”många världar-tolkningen” eller “parallella världar-tolkningen” (Hugh Everett) och ”Many-World Interpretation” av kvantmekaniken är till skillnad mot den mer konventionella och vedertagna ”Köpenhamnstolkningen” (Niels Bohr och Werner Heisenberg) andra sätt att betrakta universum och benämnes ”Tredje nivåns parallella universa” av Max Tegmark. I denna tolkning kan man aldrig riktigt veta om man rest till ett annat universum eller inte.

Så länge du blundar (och stänger av alla övriga sinnen, och ingenting annat i hela universum ”tittar”, ”lyssnar” eller på annat sätt ”detekterar” dig) så kan du enligt denna tolkning av kvantmekaniken befinna dig samtidigt i ett stort antal olika universa. Men så fort du öppnar ögonen så befinner du dig dock i ett enda universum. Om detta är samma universum som det du befann dig i innan du blundade blir då en definitionsfråga, eftersom vi väl alltid definierar det universum som vi för tillfället befinner oss i som ”vårt” universum. Denna tolkning är alltså en alternativ tolkning till den mera konventionella Köpenhamns-tolkningen som grundar sig på att varje kvantmekaniskt system, såsom en atom, eller en enskild elementarpartikel såsom en elektron, fullständigt kan beskrivas av en vågfunktion. En mätning eller observation av det kvantmekaniska systemet innebär att vågfunktionen kollapsar till en klassisk partikel i Niels Bohrs och Werner Heisenbergs Köpenhamnstolkning. Jämför t.ex. med paradoxen Schrödingers katt (eller kattungar) och experiment med fotoners kvantmekaniska sammanflätning eller kvant-intrassling (entanglement på Engelska). Genom sammanflätningen av två eller flera partiklar som befinner sig på mycket stort avstånd från varandra (till och med i olika universa), kommer en ändring av en av partiklarna (fotonerna) att påverka de andra. I själva verket finns det dock inte några experimentella evidens för att den ena tolkningen skulle vara ”mer korrekt” än den andra. Parallella universa är därför lika intressant som tankeexperiment som Köpenhamnstolkningen.

Martin Magnuson

Fråga: När fotoner från solen passerar atmosfären kan de väl inte längre uppnå ljusetshastighet? Vad händer då, när den tappar fart? Vad vet vi om hur växter använder själva fotonen? /Mats H

Svar: Fotoner från solen absorberas och sprids av atmosfärens molekyler, främst vatten H2O men också CO2, O2, O3 och N2 i det synliga, infraröda och ultravioletta våglängdsområdet.  Spridningens våglängdsberoende gör att himlen ser blå ut för ögat. Att fotonernas fashastighet i ett medium inte är detsamma som ljushastigheten i vakuum beror på brytningsindex som i sin tur beror på ljusets våglängd. Växterna omvandlar fotonernas energi till druvsocker med hjälp av den gröna pigmentet klorofyll.

Martin Magnuson

Fråga: Jag eldar med pellets i en vattenmantlad panna. Vilken temperatur ska man hålla för att få den bästa verkningsgraden? /Anders

Svar: Vatten tar emot värme lika lätt oavsett temperatur eftersom vattnet har konstant specifik värmekapacitet. I praktiken går det dock lättast att värma vatten vid lägre temperatur eftersom förlusterna till omgivningen då är mindre och temperaturskillnaden till eldhärden är större. Möjligen kan man för en pelletspanna även göra en analogi med en ångpanna på ett ånglok eller kärnkraftverk där ökad verkningsgrad med vatten vid högre temperaturer uppnås om man förvärmer matarvattnet med avtappningsånga så att temperaturen höjs till strax under kokpunkten.

Martin Magnuson

Fråga: Varför bränner vi oss om vi doppar handen i en hink med hett vatten i en bastu där vi suttit ett tag? Jag undrar också hur en täckjacka kan hålla inne värmen så bra. /Sarah

Svar: Om man låter en hink med vatten stå i en varm bastu så kommer den efter en stund att få samma temperatur som luften i bastun (t.ex. 90 grader Celsius) eftersom luftfuktigheten är hög. Att man bränner sig i 90-gradigt vatten men inte i 90-gradig luft beror på att vatten har högre specifik värmekapacitet och hög densitet. Den höga specifika värmekapaciteten gör att varje gram vatten ger ifrån sig mycket värme när den kommer i kontakt med handen. Den höga densiteten gör att handen kommer i kontakt med många gram vatten.

En täckjacka (eller dunjacka) innehåller ett lätt och poröst isoleringsmedel (jämför med frigolit eller rockwool) som gör att luften står stilla mellan fibrerna, Stillastående luft isolerar bra eftersom det har låg värmeledningsförmåga och värmekapacitet jämfört med t.ex. vatten.

Martin Magnuson

Fråga: Varför ser man bara ljus rakt framifrån? Om jag står i ett mörkt rum med en ficklampa riktad mot väggen mitt emot mig så ser jag inte strålen från ficklampan, bara det som reflekteras in i mitt öga.

Svar: Ljus är elektromagnetisk strålning (fotoner) som har en viss riktning. Fotonen måste absorberas av det föremål (ögat) som uppfattar ljuset. Man måste alltså träffas av strålen. Man ser aldrig fotonerna i profil. Om man vill titta på ljusstrålen från sidan kan man använda dimma, damm eller rök för att tvinga vissa fotoner att spridas så att de träffar ögat.

Martin Magnuson

Fråga: Många ser på tv via parabol. Hur funkar det? /Elin

Svar: Vid tv-sändningar som tas emot av parabolantenn används satelliter som cirklar runt jorden på 24 h, d.v.s. på samma tid som jorden vrider sig ett varv kring sin axel. Därmed befinner de sig ovanför samma punkt på ekvatorn hela tiden. Därför kallas satelliterna (med olika namn beroende på mediaföretag) för geostationära. Eftersom satelliterna är stationära relativt jorden kan man rikta in sin parabolantenn mot en specifik satellit som alltid befinner sig i en viss riktning och plats på himlen. Eftersom satelliterna ligger högt upp, på 36 000 km avstånd från jordytan, kan de nås från stora delar av jorden. Tv-sändningar från geostationära satelliter har ofta ett större utbud av HD-program än det vanliga s.k. marknätet. Själva parabolen består av en stor skålformad disk som samlar in mikrovågor från den satellit man riktat antennen mot och koncentrerar strålarna mot ett mikrovågshuvud i brännpunkten i mitten. Nederbörd i form av snö och regn kan dock störa mottagningen eftersom mikrovågorna absorberas på vägen.

Martin Magnuson

Fråga: Hej! Vi har hittat drakägg av is (vatten fruset i en ballong, frökens anm.) Det första ägget lade vi i kallt vatten för att se hur lång tid det tog att smälta. Det andra ägget lade vi i matolja och där smälte det mycket långsammare. Hur kommer det sig? /Förskoleklass Spindeln

Svar: Ägget bör smälta snabbare i vatten av flera skäl. För det första är vatten en bättre värmeledare än olja. Det betyder att värmen i omgivningen snabbare leds in till ägget. För det andra: ägget, som ju består av is, flyter i vatten. När det vatten som omger ägget kylts, kommer det att sjunka till botten och ersättas med nytt som är varmare. Vad som händer med ägget i olja är svårare att säga. I vissa oljor flyter det men i andra sjunker det. Om det sjunker kommer det så småningon att omges av av den olja som den redan kylt. För det tredje har vatten högre specifik värmekapacitet vilket betyder att varje gram vatten avger mer värme när den kyls en grad.

Martin Magnuson
 

Fråga: Finns det något sätt att mäta hur mycket kraft (Lorentzkraften?) det krävs för att dra runt en vanlig 1 kW generator? Jag menar att om ett vindkraftverk i teorin inte drevs runt av vind men snarare en elektromagnetisk styrka. Jag har sett några klipp på youtube där vissa ska ha klarat av att driva en mindre generator med enbart elektromagnetism. Om detta nu är möjligt, hur många watt krävs för att hålla igång en elektromagnet med sin fulla styrka? /Carl

Svar: Beträffande begreppet ”kraft” är det viktigt att definiera i vilken betydelse ordet används: t.ex. arbete, elektromotorisk spänning, kraftmoment, eller vanlig kraft (Lorentzkraft). I princip finns det inte någon minsta kraft (tröskelkraft) för att dra runt en generator. Men om den skall ge 1 kW uteffekt så behövs att man tillför minst detta arbete. I praktiken blir det dock lite mer kraft eftersom generatorns verkningsgrad inte är 100 %. Men detta arbete kan i princip åstadkommas med mycket liten kraft om utväxlingen är hög. I praktiken går det dock åt mer kraft på grund av friktion i generatorns lager. Om man däremot driver en generator med elektromagnetism har man ju en elektrisk motor. Driver man ett vindkraftverk med elektromagnetism har man gjort en fläkt. En startmotor för likström till en dieselmotor kan t.ex. också omväxlande vid behov användas som en generator för likström även om man numera använder växelströmsgeneratorer som är mer effektiva än de för likström.

Martin Magnuson


Fråga: Hur litet är det minsta hål en vattenmolekyl kan passera om man utgår från optimala förhållanden? Kan man rent teoretiskt jämföra molekylers storlek med radiovågor eller ökar molekylers diameter med temperaturen? Min fråga har jag grundat på att en parabolantenn kan byggas av ett finmaskigt nät, bara maskorna är mindre än radiovågen. /Danne

Svar 1: Hej, Danne! Radiovågor har våglängder mellan 0,1 mm och 30 km. Som jämförelse gäller att vattenmolekyler har en storlek på ca 3 Ångström (= 0,3 miljarddels meter) så molekylerna tränger med stor marginal genom ett filter som kan vara ett nät i en parabolantenn. Däremot kan vattnets höga ytspänning göra att vattnet som vätska inte väter materialet i ett nät och därmed inte kan tränga in i porer av sådant material. Den effekten använder man sig av i Gore-Tex och liknande textilier. Gasformiga molekyler kan då gå igenom så att kroppen kan ”andas” medan vätska (regn) inte tränger igenom.

Nils-Ola Persson

 

Svar 2: Vattenmolekylen som består av en syreatom och två väteatomer har en diameter på ca 3 Ångström, vilket är mer konkret än radiovågornas ”partiklar” som kallas fotoner. När radiovågen, som består av både ett elektriskt och magnetiskt fält, träffar ett metallnät börjar nätets elektroner att flytta på sig av det elektriska fältet. Förflyttningen resulterar i ett elektriskt ”svarsfält” som motverkar ursprungsfältet och gör att vågen reflekteras genom s k ”skärmning” (jfr Faradays bur). Men om våglängden är tillräckligt kort jämfört med nätets maskor kan inte svarsfältet helt motverka radiovågen. Därmed finns en viss sannolikhet att fotonerna dyker upp på andra sidan av nätet.

Martin Magnuson

Fråga: Jag undrar vilket som går snabbast - att koka vatten med eller utan lock? /Med vänliga hälsningar, Peter

Svar: Att använda lock brukar rekommenderas när man vill spara energi. Om man bara lägger på locket löst går det snabbare att värma till kokning än om man inte har lock. Om locket istället pressas fast, som i en tryckkokare, kommer trycket att stiga och kokpunkten därmed att höjas. Då beror svaret på hur mycket trycket tillåts stiga i tryckkokaren.

Martin Magnuson

Fråga: Hur kan det komma sig att jordens temperatur inte ändras nämnvärt fastän energi från solen kontinuerligt tillförs jorden? /Hanna

Svar: Skälet till att jordens temperatur inte ökar nämnvärt är att jorden strålar ut i stort sett lika mycket energi som den mottar. Alla kroppar med temperatur över absoluta nollpunkten strålar elektromagnetisk strålning. Denna strålning kallas svartkroppsstrålning, värmestrålning eller temperaturstrålning. Är temperaturen hög kommer strålningen att delvis vara synlig, solens yta och glödtråden i en gammaldags glödlampa är exempel på sådana strålare. Från kroppar med lägre temperatur kommer (nästan) inget synligt ljus. Sådan strålning kan vi dock känna som värmestrålning, t ex från ett värmeelement. Ett värmeelement kallas ibland radiator just på grund av att det strålar - jfr engelskans radiate. Jordytan som är cirka 300 Kelvin strålar alltså.

En del av den strålning som jorden strålar och sänder ut träffar molekyler i jordens atmosfär som absorberar strålningen och sedan återutsänder den i alla riktningar. En viss mängd strålning kommer därför tillbaka till jordytan. Detta fenomen benämns växthuseffekt. För att jorden skall bli av med all den energi den mottagit från solen måste jorden ha en lite högre temperatur än den behövt ha om vi inte haft någon växthuseffekt. Temperaturhöjningen är cirka 30 grader Celsius vilket är jordens yt-medeltemperatur. Det är framför allt vattenmolekyler och koldioxidmolekyler som orsakar växthuseffekten. Denna 30 gradiga temperaturhöjning brukar kallas för naturlig växthuseffekt. Den vill vi inte vara utan. Det vi framför allt diskuterar nu - och har anledning att oroa oss för - är den ytterligare temperatur-höjning som vi tror att människan orsakar genom utsläpp av ytterligare växthusgaser.

Martin Magnuson

Fråga: Hur räknar man ut energin som alstras då ett föremål "lyfter" upp till ytan från vatten? Om man tänker sig en luftfylld flaska, komprimeras den mer ju längre ner den befinner sig? Är lyftkraften konstant? Är det samma uträkning om det i stället gäller t.ex. ett flöte? /Stefan

Svar: Betrakta först det enklare fallet då vi har ett föremål på en viss höjd över markytan. Föremålet har då en potentiell energi (lägesenergi) som kan beräknas via (massa) x (tyngdacceleration) x (höjd). Tyngdaccelerationen är cirka 9,8 meter per sekund i kvadrat.

Om vi nu betraktar flötet som befinner sig djupt ner i vatten så borde ju den också ha en viss energi eftersom den far iväg när den släpps - fast uppåt i detta fall. Den lägesenergi som får den att åka uppåt kan man dock hitta på ett annat ställe än hos själva flötet. Lägesenergin finns hos det vatten som flötet tryckt undan när det pressats ner till ett visst djup. När flötet släpps och åker upp till ytan åker samtidigt vatten ner för att fylla ut den volym som flötet lämnat bakom sig. Flötet stiger uppåt samtidigt som vatten sjunker nedåt.

Situationen kan jämföras med att man har ett rep som är lagd över en stång. En person som väger 50 kg (flötet) står på marken och håller hårt i repet och en annan tyngre person som väger 70 kg (vattnet) står högt uppe i en ställning. När den tunga personen på 70 kg hoppar ner kommer den andre att dras upp. Potentiella energin ges av skillnaden i potentiell energi mellan de båda personerna när de är i övre läget.

Om man använder en plastflaska som flöte och som då trycks ihop på större djup kommer den inte att tränga undan lika mycket vatten som t.ex. en kork eller ett frigolitblock. Lyftkraften blir alltså mindre för plastflaskan än för andra flöten. Med en plastflaska på en lagom balanserad vikt kan man konstruera ett föremål som flyter på måttliga djup men sjunker när det kommer längre ner på större djup.

Martin Magnuson

Tidigare frågor och svar

 

 


Sidansvarig: ake.hjelm@liu.se
Senast uppdaterad: Tue May 28 16:46:38 CEST 2013