9789144107585 by Smakprov Media AB

FYSIK I VARDAGEN 266 vardagsmysterier avslรถjade รถver en kopp kaffe

MARIA HAMRIN PATRIK NORQVIST

Tillstånd till återgivning av följande sångtexter har getts av: Sidan 125: Good Vibrations Brian Wilson/Mike Love © Sea of Tunes Publ. Co. Tryckt med tillstånd av Universal Music Publishing AB Sidan 143: Thank You For The Music Benny Andersson/Björn Ulveaus © Universal/Union Songs AB Sidan 166: Högt över havet Text/musik: Lasse Holm © EMI CMM Publishing AB Tryckt med tillstånd Sidan 222: The Heat Is On Text & music: Florrie Palmer/Ton Ashton Copyright © Pendulum Music Ltd Tryckt med tillstånd av Warner/Chappell Music Scandinavia AB/ Notfabriken Music Publishing AB. Sidan 264: Blå, blå vindar … Text och music: Tomas Ledin © All Together Now AB Sidan 269: Solglasögon Mats Hillborg © Universal /Sonet Music AB

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. 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 eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 32033 ISBN 978-91-44-10758-5 Upplaga 2:1 © Författarna och Studentlitteratur 2005, 2016 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbilder: Målningar av Mats Minnhagen Illustrationer: Mats Minnhagen Printed by GraphyCems, Spain 2016

INNEHÅLL

Förord 9 1 Att förstå världen från en gungstol 13

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

En evighetskaffebryggare 15 Rakel kör bil långsamt 18 Varför bry sig? 22 Vikten av tyngd 25 Regn och rusk 27 Damstafetten och en påse chips 28 Att klura på … 30

2 Kroppar i vila 33

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Ett kraftfullt begrepp 34 Varför var det så jobbigt att ﬂytta fåtöljen? 37 En himla viktig punkt 41 Vi är alla lite tröga ibland 42 Fortare än fort 46 Ett slag på käften 49 Att klura på … 52

3 Ytliga plattityder och ﬂytande fakta 55

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Upplyftande vatten 56 Från det lilla till det stora 62 Skalövningar 64 Proportionella fysikaliteter 67 Ute på tunn is 69 Elefanter och skalbaggar 70 Stora och små varelser 73 Myror som faller 73 Att klura på … 75

Innehåll

4 En massa arbete 77

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Upp och ner 78 Det är arbetsamt att vara Nicke 81 Varför faller inte satelliter ner? 84 Är genvägar senvägar? 86 En tvärnit 89 Att klura på … 92

5 Ett fall för en fysiker 93

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

På kollisionskurs 94 Newtonvaggan och sånt 99 Impulsiva handlingar 101 Att falla handlöst 102 Medeltida stridsteknik 105 Att klura på … 108

6 Ett vågat avsnitt 109

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Vågen! 110 Snabbsvängande små rackare 115 Heliumfyllda strupar 117 Kastrala basröster 119 Ljudbang! 123 Att klura på … 125

7 Musikaliska vågor 127

7.1 Studsande strängvågor 128 7.2 Luftiga vibrationer 137 7.3 Att klura på … 143 8 Nu är Nicke riktigt laddad 145

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 4

Nåt ynka pyttelitet 147 Olikheter attraherar 149 Tjocksockor och mattor 151 Men varför faller den inte ner? 153 Tor kör över himlavalvet 155 Det är oliiiiidligt spännande … 157 Två hål i väggen 160 Stoppa inte ﬁngrarna i vägguttaget? 162

Innehåll

8.9 Bra och dåligt och mitt emellan 164 8.10 Att klura på … 166 9 Ett snurrigt kapitel 167

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

Ett viktigt moment 168 Rena snurren 170 Centrifugala känslor 173 Virvlande vindar 175 En svajande värld 178 Murphys lag? 179 Att klura på … 181

10 En dag ute i fält – magnetfältet 183

10.1 En luring 184 10.2 Att röra på sig 186 10.3 En jättemagnet! 190 10.4 Ett kort mellanspel 193 10.5 Kärringen mot strömmen 194 10.6 Att klura på … 197 10.7 11 Tryckande värme 199 11 Tryckande värme 199

11.1 Kyla och värme 202 11.2 En övergående fas? 204 11.3 Bubblor från ingenstans 209 11.4 Aceton och gamla sugrör 211 11.5 Varför är frysen svår att öppna? 215 11.6 Bastuvindar 217 11.7 Varför ﬁnns inte all luft på marken? 219 11.8 Ständigt detta duschdraperi 219 11.9 Att klura på … 221 12 Strålande kroppar 223

12.1 Låt mig sprida ljus över ljuset! 225 12.2 En himla massa vågor 229 12.3 Blått är varmt! 231 12.4 Ett brinnande intresse 234 12.5 Mikrovågor 238 12.6 Att klura på … 239 © F ö rfattarna och S tudentlitteratur

Innehåll

13 Lysande insikter 241

13.1 Att se rött 243 13.2 Spegel, spegel på väggen där … 248 13.3 Vart tar ljuset vägen? 252 13.4 Att böja ljus? 255 13.5 Sugröret är inte trasigt! 258 13.6 Att kasta ett öga på ögat 261 13.7 Att klura på … 263 14 En helg med ett ljushuvud 265

14.1 Finns det kameler och palmer på våra motorvägar? 266 14.2 Bakom mina solglasögon 269 14.3 Varför är himlen blå? 272 14.4 En regnbåge på marken 274 14.5 En skum fysiker 277 14.6 En konstig måne 279 14.7 En kruka guld 281 14.8 Vi är alla skuggade av skuggan 284 14.9 Att klura på … 287 15 Fysikkrävande sporter 289

15.1 Tyngdlyftning vid ekvatorn 290 15.2 Mot högre höjder 293 15.3 Magiska bollar 294 15.4 Slägga 298 15.5 Racerbilar som kör uppochner 300 15.6 Doserade kurvor 302 15.7 Att klura på … 303 16 Himmel och pannkaka 305

16.1 Inga stjärnor precis 306 16.2 En måne på sniskan 309 16.3 Förmörkande planeter 312 16.4 Tidvattnets orakel 313 16.5 Mörka och ljusa tider 317 16.6 Sagan om norrskenselektronen Hugo 320 16.7 Prickar på himlen 326 16.8 Att klura på … 329

Innehåll

17 Moderna tider 331

17.1 I stort sett ingenting 333 17.2 Fyra räcker 336 17.3 Korniga vågor och vågiga korn 338 17.4 Högst osannolikt 340 17.5 Lysrör, lasrar och andra lysande saker 344 17.6 Allt är relativt 345 17.7 Att klura på … 350 17.8 18 Experimentdags 351 18 Experimentdags 351

18.1 Blåsningen 357 18.2 En balansakt 361 18.3 Äggsperiment med sug 364 18.4 Konstig smet 366 18.5 Att klura på … 369 18.6 19 Hur funkar en fysiker? 371 19 Hur funkar en fysiker? 371

19.1 Modeller av verkligheten 375 19.2 Skrivet i stjärnorna? 376 19.3 Himmelskt oväsen 379 19.4 Verkliga storheter 380 19.5 Slutstädat! 382 19.6 Att klura på … 384 Lösningar till klurigheterna 385 Index över alla frågor 413

K a f f eko p p 9

Ett snurrigt kapitel A fat lady came into the shoe store today. She was so fat that four smaller women were orbiting her! Al Bundy (V책ra v채rsta 책r)

9 Ett snurrigt kapitel

Det är en ljuvlig vårdag. Inte ett moln på himlen och riktigt varmt för årstiden. Nicke och Rakel sitter ute på en parkbänk och pratar. Ett stort antal barn leker i en lekpark inte långt därifrån. Bara tio meter från dem leker två ﬂickor vid en gungbräda. Trots att det är ganska stor ålderskillnad mellan flickorna så leker de ändå väldigt bra ihop. De ser ut att vara systrar och Nicke uppskattar att de är sådär tre och sex år gamla. Sexåringen hjälper sin lillasyster upp längst ut på gungbrädans ena ände och uppmanar henne att hålla i sig hårt. Storasystern trycker sedan ner den andra änden av gungbrädan så att den lilla åker upp i luften. Sexåringen sätter sig sedan ner på sin sida. Hon sätter sig dock inte längst ut, utan istället ganska långt in från änden. Nicke inser att detta lämpliga val av sittplats måste bero på att barnen gungat gungbräda förut. När väl båda ﬂickorna är på plats gungar de länge upp och ner på gungbrädan.

9.1 Ett viktigt moment Hur kan olika tunga personer gunga på en gungbräda?

– Lurig uppﬁnning den där gungbrädan, säger Nicke. Att två olika tunga barn kan gunga tillsammas. Konstigt ändå att inte den tyngre alltid blir kvar vid marken. Det borde väl vara tyngdkraften som avgör hur gungbrädan rör sig? – Ja, på sätt och vis, svarar Rakel. Men det är inte bara kraften utan vridmomentet som avgör vad som händer med gungbrädan. – Jaha, vad menar du med vridmomentet då? – Ja, som du kanske vet så är det tungt och arbetsamt att trycka upp en dörr om du trycker nära dörrens gångjärn, men lätt om du trycker vid handtaget. Allt har med arbete att göra. – Jaså? – Om du kommer ihåg när vi pratade om arbete sist så sa vi att arbete var kraft gånger sträcka. Vi skulle ju få upp mig och rullstolen till caféet, säger Rakel. Istället för att lyfta rakt upp så valde du istället att använda handikapprampen för att rulla upp mig. Då blev sträckan längre men du behövde använda en mindre kraft. Trots det uträttade du ändå samma arbete som om du skulle ha lyft mig rakt upp. – Ja, det minns jag.

168

9 .1 Ett viktigt moment

– Tänk dig nu att du vill lyfta upp den ena sidan av en stock som ligger på marken. Säg att du ska lyfta upp stocken så att den bildar vinkeln 45° mot marken. Var lyfter du då? – Vid den andra änden naturligtvis? – Varför inte närmare mitten? – Nja, det är väl lättare att få ett bra grepp vid änden antar jag. Ja, sen är det nog lättare att lyfta den där också. – Varför tror du det? – Med tanke på vad du sa nyss så har det väl med arbete att göra, säger Nicke och tittar på Rakel som nickar bekräftande. Om jag lyfter vid den andra änden, fortsätter han, får jag lyfta en längre sträcka, men i gengäld behöver jag använda mindre kraft. Samtidigt kommer det ändå att bli lika mycket arbete eftersom stockens kant ska vinklas upp lika mycket. Om jag istället tar tag i stocken dubbelt så långt från vridningspunkten måste jag lyfta stocken dubbelt så högt, men behöver bara använda hälften så stor kraft för att vrida upp den 45° jämfört med det andra sättet! Så man är dubbelt så stark om man har dubbelt så lång … Vad ska man kalla det? – Hävarm. – Så hur mycket jag kan vrida beror på hur stor kraft jag använder och hur stor hävarm jag har? – Precis. Den stora flickan på gungbrädan därborta är ungefär dubbelt så tung som lillflickan. Eftersom hon sitter dubbelt så nära vridningspunkten så vrider båda flickorna lika mycket runt mitten på gungbrädan, men åt var sitt håll. Kraft

Sträcka Kraft

Figur 9.1 Arbetet med att lyfta upp stocken måste vara lika stort för båda personerna. Den långe mannen lyfter dock en längre sträcka, men kan använda en mindre kraft än den lille mannen.

Sträcka

169

9 Ett snurrigt kapitel

– Men varför gungar den alls då? – Jo, när en av flickorna kommer ner till backen så sparkar hon ifrån med fötterna, och eftersom det egentligen inte finns nån friktion eller annan kraft som bromsar upp rörelsen så fortsätter hon med samma fart uppåt som hon sparkade ifrån med. – Men finns det ingen friktion? – Jo, det gör det förstås. Rörelsen bromsas in lite på grund av friktionen och luftmotståndet. – Jag har hört om nåt som heter hävstångsprincipen. Är det den som förklarar att det är så mycket lättare att få loss en mutter med en stor skiftnyckel än med en liten? – Precis. Flickorna gungar vidare. Nicke tycker sig nu förstå vad ett vridmoment är och varför det inte bara är kraftens storlek som är av betydelse när man vrider på saker. Plötsligt, efter att han sneglat upp mot solen en stund, kommer en tanke över honom.

9.2 Rena snurren – Jo, Rakel. Jag kom just att tänka på nåt mystiskt, säger Nicke. Om nu solen och jorden dras mot varandra på grund av gravitationen, hur kan det då komma sig att vi, och hela jorden, inte faller ner på solen? Varför faller inte månen ner på jorden?

– Av samma anledning som månen och satelliterna inte faller ner på jorden. Jag pratade lite om detta för ett par dar sen1, men jag tror inte det skadar om vi går igenom det igen på ett lite annat sätt. Man kan säga att allt beror på att jorden, månen och satelliterna snurrar. – Vad då, att de snurrar? Jag tycker inte det verkar självklart. – Det är inte så svårt. Vi kan ju se en satellit, och månen också. Om satelliten då skulle stå stilla eller röra sig väldigt sakta, vad skulle hända då? – Ja, den skulle väl ramla ner på jorden.

1 Se avsnitt 4.3

170

9 .2 Rena snurren

Lång

hävar

Liten kraft

Kort h

ävar m

Figur 9.2 Det krävs ett visst vridmoment för att skruva loss en mutter. Om du har en lång skiftnyckel (lång hävarm) behöver du mindre kraft för att skruva loss den. Stor kraft

– Rätt. Och om satelliten hade rört sig fantastiskt jättefort, då skulle jorden inte hinna dra ner den med sin dragningskraft innan den försvunnit bort ut i världsrymden. Ju långsammare en satellit rör sig, desto mer böjs dess bana av. Rör den sig tillräckligt långsamt böjs banan av så mycket att satelliten faller ner på jorden. Men vad tror du händer nu om satelliten har en lite lämpligare fart, nånstans mitt emellan låg och hög? – Ja, uppenbarligen faller den inte ner och den försvinner heller inte bort från jorden misstänker jag, säger Nicke lite tvekande. – Nja, här skulle jag vilja korrigera dig. Den faller faktiskt egentligen ner mot jorden hela tiden, men om den rör sig med lämpligt hög fart så försvinner jorden bort under satelliten i samma takt som satelliten faller neråt. Praktiskt va?! På så sätt kommer den aldrig närmare eller längre bort från jorden, utan rör sig runt den istället. – Men det låter ju lite väl bra det där. Satelliten måste ju ha precis rätt fart. Är det inte praktiskt omöjligt för en satellit att ha precis rätt fart? – Förvisso. För att åka i en exakt cirkelbana runt jorden måste satelliten ha precis rätt fart, säger Rakel. Men det är inte så farligt om den har lite högre eller lite lägre fart. Om den har lite för låg fart kommer den som du sa att närma sig jorden lite grann. Men vad händer då? Jo, om satelliten faller ner mot jorden ökar ju farten, och då åker satelliten ut igen. Satelliten kommer därför inte att åka i en cirkelbana runt jorden, och den faller inte heller ner på oss. Banan kommer istället att se ut som en ellips. © F ö rfattarna och S tudentlitteratur

171

9 Ett snurrigt kapitel

Låg fart

Hög fart

Lagom fart

Figur 9.3 En satellit känner alltid av jordens dragningskraft och vill egentligen ramla ner mot jorden. Till vänster: Om en satellit har för låg fart kommer den att ramla ner. Mitten: Om satelliten rör sig för fort hinner inte jorden dra ner den innan den försvinner ut i världsrymden. Till höger: Om satelliten har precis lagom stor fart så ramlar den hela tiden mot jorden samtidigt som jorden precis hinner försvinna under satelliten. Satelliten kommer aldrig närmare eller längre från jorden utan den gen går i en cirkelbana runt jorden. Vanligast är dock at sateliter går i elliptiska banor.

– Ellips? Alltså avlånga cirklar? – Precis! Inget som snurrar runt jorden eller solen går i perfekta cirkelbanor, utan det rör sig i mer eller mindre elliptiska banor. Men trots detta är banorna ändå oftast ganska runda som tur är. Så är det till exempel med jordens bana runt solen. – Men vi kan väl prata mer om satelliter. Visst är väl tv-satelliter bara vanliga satelliter som snurrar runt jorden? – Ja …? Hur kan parabolantennen hela tiden peka mot en satellit som rör sig?

– Då har jag en fråga. Hur kan då en parabolantenn på en lägenhetsbalkong hela tiden ha kontakt med en satellit som rör sig runt jorden? Det är ju inte så att man vrider parabolen på balkongen hela tiden. – Det är en mycket bra fråga, men du borde nog kunna räkna ut svaret själv tycker jag, säger Rakel och tittar uppmanande på Nicke. – Va, jag?! Inte en chans, svarar han uppgivet. – Tänk på det du sa om att parabolen hela tiden pekar åt samma håll. Är det verkligen sant?

172

9 .3 Centrifugala känslor

– Ja, om man inte springer ut på balkongen och vrider på den stup i kvarten. Nej, vänta nu … Den pekar ju inte åt samma håll! Allt eftersom jorden snurrar runt sin egen axel så pekar ju parabolen åt olika håll på himlen. Wow, va smart jag är, utbrister Nicke. – Precis, säger Rakel och nickar uppmuntrande. – Så, om tv-satelliten går ett varv runt jorden på 24 timmar, då skulle den alltid beﬁnna sig rakt framför parabolen? – Exakt! Och genom att man placerar satelliterna på ett visst avstånd från jorden så kan man få dem att röra sig med precis rätt fart så att de hela tiden följer med i jodens rotation. Satelliter som finns riktigt nära jordytan tar mindre än två timmar på sig att gå ett varv runt jorden, medan tv-satelliter ligger mer än sex jordradier från jordens centrum och har en omloppstid på 24 timmar. – Så alla tv-satelliter ligger alltså lika långt bort från jorden? – Precis, på några få meter när. De ligger alla i ett pärlband runt ekvatorn och rör sig precis lika mycket som jorden vrider sig. – Man får hoppas att ingen råkar lägga en satellit där och skicka den åt fel håll … Då skulle det kunna bli rejäla krockar! säger Nicke och ryser.

9.3 Centrifugala känslor – En sak som kan vara väldigt svår att begripa, säger Rakel, är att allt som snurrar faktisk måste påverkas av en kraft rakt in mot den punkt som det rör sig runt. Detta gäller alltså för allting och inte bara för satelliter och månar. – Men det känns ju konstigt. Om man snurrar runt i en karusell så känner man ju tydligt att man dras utåt, inte inåt! protesterar Nicke ljudligt. – Det är vanligt att man upplever det så, men så är det faktiskt inte. Det finns faktiskt ingen kraft som trycker dig utåt. Tänk dig att du snurrar runt i en karusell, vad händer då?

Trycks du inåt eller utåt i en karusell?

– Det känns som jag trycks utåt mot stolen. – Ja, så känns det kanske, men egentligen är det stolen som trycker dig inåt. Och om stolen trycker dig inåt så trycker du på stolen med

173

9 Ett snurrigt kapitel

lika stor och motriktad kraft, alltså utåt. Ja, kraft och motkraft alltså, förtydligar Rakel. Men vad skulle hända om stolen plötsligt försvann och upplöstes i tomma intet? Inte så sannolikt förstås, men vi kan väl låtsas … – Öh …? – Om vi antar att stolen försvinner och att det inte finns några andra krafter som verkar på dig annat än tyngdkraften och normalkraften från karusellens golv, vad skulle hända då? Ingen nettokraft alltså. Vi har pratat om detta tidigare: tröghetslagen. Minns du? – Ähum, ja … öh …, svarar Nicke otydligt. Om det inte finns nån kraft på mig så fortsätter jag att röra mig precis som tidigare. Det finns alltså ingen kraft som accelererar mig, bromsar mig eller får mig att svänga. Då borde jag nog fortsätta att röra mig rakt fram åt samma håll som alldeles innan stolen försvann. – Men tack vare stolen, som ju naturligtvis inte bara kan försvinna hipp som happ, så kan du hela tiden röra dig i en cirkel runt karusellens centrum. Det blir alltså en kraft in mot centrum. Precis som för jorden som känner en gravitationskraft mot solen i sin bana! Stolen ser till att ge dig denna kraft inåt mot karusellens centrum. Det finns alltså ingen kraft utåt! – Ja, ja, det är väl sant, svarar Nicke otåligt. Men varför känns det som att jag trycks utåt? Det känns ju så i varje fall. Figur 9.4 En person åker karusell. Tack vare att stolen trycker personen mot mitten så sitter han kvar. Annars skulle han trilla av karusellen.

– Jo, så här är det, svarar Rakel förnumstigt. Den kraft jag pratar om pekar inåt mot mitten. En sån här inåtriktad kraft som krävs för att nåt ska kunna snurra brukar man kalla centripetalkraft, och det är den kraften som fysiker vanligtvis pratar om. När man i vardagligt tal säger att man trycks utåt i en karusell brukar man ibland kalla det centrifugalkraft, fast det egentligen inte är en riktig kraft. Centrifugalkraften beskriver snarare hur det känns i kroppen när man befinner sig på nåt som snurrar, även om det ju i verkligheten är stolen som trycker dig inåt mot karusellens mitt. – Men den där stolen på karusellen snurrar ju också runt i samma bana som jag, fast jag trycker den utåt. Hur stämmer det då? – Jo, stolen sitter fast i karusellen så den påverkas också av en inåtriktad kraft där den är fastskruvad. Den följer därför med i samma cirkelrörelse som du.

174

9 .4 Virvlande vindar

– Jag tycker fortfarande det låter lite konstigt. När man centrifugerar sina kläder så trycks ju kläderna utåt mot väggen. Det är ju i varje fall uppenbart.

Varför åker kläderna ut mot väggen då man kör sin centrifug?

– Att det händer är faktiskt inte så konstigt, säger Rakel och det låter som om hon håller på att tappa tålamodet lite grann. Väggarna i centrifugen trycker kläderna in mot mitten och gör så att de kan snurra runt. Utan väggarna skulle kläderna fortsätta rakt fram. Vattnet i kläderna sitter dock inte så hårt fast i tyget för att det ska bli en tillräckligt stor centripetalkraft för att få vattnet att snurra runt. Istället fortsätter det sin rörelse rakt fram som om inget hade hänt och sipprar ut genom de små hålen i väggarna. Ja, du minns säkert när vi för ett tag sen pratade om kroppars tröghet … Vattendropparna påverkas alltså inte av centripetalkraften och därför snurrar de inte runt med kläderna i centrifugen. De lossnar istället från kläderna så att dessa blir torra.

9.4 Virvlande vindar – När vi ändå talar om saker som snurrar, stämmer det att vattnet snurrar åt olika håll på norra och södra halvklotet då man drar ur proppen i badkaret eller tvättstället? frågar Nicke som inte verkar bry sig om att Rakel börjat ledsna lite på hans snurriga frågor.

Snurrar vattnet i tvättställen olika i Sverige och Australien?

– Nej. Det gör det inte. Det är andra saker som styr hur vattnet rör sig då man drar ur proppen. Hur vattnet snurrar beror egentligen på hur badkaret eller tvättstället ser ut. – Men varför snurrar det då åt nåt håll över huvud taget? – Ja du Niklas, det vet jag inte helt säkert. Jag tror att det kan vara ungefär så här. När du tappar ur vattnet så är det förmodligen inte helt stilla, utan det rör sig säkert lite grann i sidled. När så vattnet strömmar mot avrinningshålet så går det på grund av detta inte rakt mot hålet utan lite vid sidan om. Nära hålet böjs vattnet av och bildar en virvel. Problemet är väldigt komplicerat så det kan vara många olika saker som orsakar detta fenomen. Men låt oss återgå till nåt som jag är bättre på. Det där med att saker snurrar åt olika håll på norra och södra halvklotet. – Ja, men det stämde ju inte sa du väl? Nu låter du ju helt snurrig! protesterar Nicke.

175

9 Ett snurrigt kapitel

– Näe. Det stämde inte för vattnet i ett litet badkar eller handfat, men väl i till exempel havet. Att havsvattnet kan snurra åt ett visst håll beror på nåt som man kallar corioliskraften. Den uppkommer på grund av jord ens rotation och det är denna kraft som gör att stora havsströmmar och cykloner snurrar moturs på norra halvklotet och medurs på södra. – Va häftigt! Hur kan det egentligen bli så? Varför snurrar cykloner på norra halvklotet moturs?

– Vi kan börja med att titta på hur det ser ut på norra halvklotet. Då jorden roterar runt sin egen axel rör sig naturligtvis ekvatorn snabbast eftersom den då är längst bort från jordens centrum och därför har längst sträcka att röra sig på ett dygn. Luften runt jorden följer med i rotationen, åt öster, eftersom det är så jorden roterar. Alltså rör sig luften längre norrut långsammare än vid ekvatorn. Och ännu längre norrut än där vi bor, så rör sig luften ännu långsammare åt öster. Eftersom vi själva tycker att vi står stilla kommer luften norr om oss istället att röra sig västerut relativt oss. På samma sätt kommer luften söder om oss att röra sig österut relativt oss eftersom den rör sig fortare än vår lokala luft. I norr rör sig luften alltså västerut jämfört med oss, och i söder rör den sig åt öster. Om vi nu tittar på en cyklon så är det lågtryck i mitten av en sådan. Och eftersom lufttrycket är lågt där så dras luften dit in. Dessutom vet vi att luften norr om centrum rör sig relativt sett åt väster, och luften söder om centrum åt andra hållet. Om en gigantisk luftvirvel, som en cyklon, kopplar ihop dessa luftsystem så måste det alltså bli en luftvirvel som snurrar moturs, vilket innebär att det rör sig västerut i norr och österut i söder. Detta kan alltså förklara stora vädersystem (och även vattenströmmar) på hundratals mil och även mindre cykloner. Men det kan inte förklara riktningen för små tornados. Där blir corioliskraften för liten för att kunna påverka.

Figur 9.5 Närmast ekvatorn snurrar jorden fortast. Vid polerna står den ju still. Luften följer med i jordens rotation och rör sig alltså fortast vid ekvatorn. Detta skapar luft och havsströmmar som snurrar moturs på norra halvklotet och medurs på södra.

176

9 .4 Virvlande vindar

– Jaha. Och på södra halvklotet byts norr och söder ut, och vi får cykloner som rör sig medurs i stället. – Precis så är det, nickar Rakel. – Jo Rakel, även om du inte så gärna dricker te så kanske du vet varför tebladen hamnar i mitten då man rör om i teet. Borde inte tebladen åka utåt som vattnet i torktumlaren, i och med att centripetalkraft inte kan hålla kvar dem i en cirkelbana?

Varför åker tesumpen in mot mitten då man rör om i teet?

– Du har nästan rätt, fast det är egentligen tvärtom ser du, säger Rakel och tittar på Nicke. – Nä, nu fattar jag inget. Nu har du rört till det … igen. Vad då samma fast tvärtom?! – Om du rör om lite häftigt i en tekopp ser du att vattenytan sjunker i mitten eftersom vattnet dras ut mot kanterna när ingen centripetalkraft hindrar det. Eller hur? – Ja, men då hade jag ju rätt på nåt sätt! – Ja, när du rör runt i vattnet ﬁnns det ingen centripetalkraft som kan hålla kvar vattenmolekylerna i en cirkelbana, så de fortsätter istället rakt fram tills de når kanten på koppen. Först då blir centripetalkraften tillräcklig för att få vattnet att röra sig i en cirkelbana. Vattnet närmare mitten av koppen går alltså i spiralbanor ut mot koppens väggar. Därför ﬁnns det mindre tevatten i mitten. – Ja, ja, låt gå för det, säger Nicke otåligt, men hur är det med tebladen? – Ja, det är lite marigare att förklara. Till att börja med så är det alltid högre tryck vid bottnen av en kopp, där vattnet är djupt. Vid kanten av koppen är vattnet ännu djupare eftersom ytan är högre där, så där är alltså trycket vid bottnen ännu högre. Det högre trycket vill förstås trycka vattnet mot mitten, där trycket är lägre. – Ja, men varför åker inte allt vatten in mot mitten då, om det trycks dit? – Eftersom det roterar så fort så hålls det ut av rotationen. Rotationen balanserar precis det tryck som vill trycka in vattnet. Men vid bottnen av koppen så snurrar inte vattnet lika fort eftersom friktionen mot bottnen bromsar upp rotationen lite grann. Vattnet vid bottnen hålls därför inte ut lika mycket av rotationen. Där lyckas det högre trycket vid kanten verkligen trycka vattnet inåt. Eftersom tebladen ligger på bottnen så följer de med vattnet där mot mitten av glaset. © F ö rfattarna och S tudentlitteratur

177

9 Ett snurrigt kapitel

9.5 En svajande värld Nicke tittar upp mot den blå himlen. Under samtalets gång har de två systrarna förﬂyttat sig från gungbrädan till en vanlig gunga. Den mindre systern sitter i gungan och den större knuffar på. I början går det trögt att få upp farten, men sedan går det lättare. Nicke kommer på sig själv med att titta på gungan med en fysikers ögon. Högst upp står gungan still och där har den alltså bara lägesenergi. Längst ner rör sig gungan fortast och där har den minst lägesenergi, men mest rörelseenergi. Oj, oj, om polarna kunde höra mina tankar, tänker Nicke bekymrat, men ändå en smula roat. – Vad tänker du på Niklas? undrar Rakel då hon ser rynkorna i hans panna. – Jo, lite fysik bara. Hon är ganska stark ﬂickan som kan få fart på gungan.

Figur 9.6 Flickan gungar.

– Ja, kanske det. Men så länge hon ger en knuff åt rätt håll varje gång gungan vänder, så kan hon enkelt pumpa in mer energi i svängningen. – ??? – Ja, om hon bara knuffar i samma takt som gungan svänger så kan hon lätt få fart på den, förtydligar Rakel. Hon knuffar en gång per gungning. – Ja, dum vore hon ju annars. Om man till exempel trycker på åt motsatt håll som gungan rör sig, så bromsar man ju in den istället. – Man kan säga att gungan har en egenfrekvens, fortsätter Rakel, det vill säga en frekvens som den vill svänga med om den själv får bestämma. Många andra saker har också sina egna frekvenser som de gillar bäst. En bil till exempel. – En bil, kan den svänga? – Ja, fjädringen i en bil gör att bilen kan svänga upp och ner. Vi kan ju anta att det tar en sekund för bilen att svänga en gång. Om det nu skulle ligga en massa gupp i vägen, så att bilen körde över ett gupp varje sekund, då skulle det bli precis som för gungan. Varje gupp skulle knuffa på mer och mer och bilen skulle guppa upp och ner allt mer. Vid varje ställe där guppet går upp har bilen alltså precis svängt ner och guppet trycker upp bilen igen och ger extra fart. – Va häftigt!

178

9 .6 Murphys lag?

– Ja, men vad skulle hända om bilen körde fortare? – Då måste den ju guppa mer, eller …? – Tänk efter. – Om man kör fortare kommer guppen oftare. Men vänta nu, om man kör fort kommer guppen inte alltid vid rätt tillfälle för att ge bilen extra fart. Ibland kommer de istället att bromsa upp farten. Det kommer då att bli ryckigt fram och tillbaka, man skulle inte få så stora svängningar som om man hade kört på precis ett gupp per sekund. – Bravo! Om bilens svängning alltså kommer i resonans med de knuffar som vägen åstadkommer, så kommer bilen alltså att svänga maximalt. – Jag kom just att tänka på en sak, tillägger Nicke. I serietidningar kan man se hur ett glas går sönder när en operasångerska sjunger en riktigt hög ton. Har det nåt med det här att göra? Med resonans?

Kan ett glas spricka av en ton från en operasångare?

– Hur kunde du veta det?! Fantastiskt vad du har blivit duktig! – Jag tror jag läste nåt om resonans i samband med att ett glas gick sönder, erkänner Nicke lite motvilligt. – Jo, så här är det. Om du knackar på ett glas så svänger det med en viss frekvens. Det svänger så fort att man kan höra svängningen som en ljudvåg. Vi kan säga att glaset kanske svänger 1 000 gånger per sekund. Detta är alltså glasets egenfrekvens. Om nån då skulle sjunga en perfekt ton på precis rätt frekvens, så skulle man kunna få en resonanssvängning som gjorde att glaset vibrerade sönder. Men att en sångare skulle klara det är väl knappast troligt. En maskin som kan sända ut helt rena toner med hög ljudstyrka kanske skulle fungera bättre …

9.6 Murphys lag? – Även om jag är lite trög ibland, så har jag i alla fall lärt mig en sak av samtalen med dig Rakel. – Vad trevligt, vadå? – Att jag faktiskt kan begripa massor av saker som händer runt omkring mig. Men samtidigt har jag förstått att det finns mycket som inte går att förklara. Som att det aldrig regnar om man tar med sig regnkläder i beredskap. Eller att man alltid kommer till busshållplatsen just efter

179

9 Ett snurrigt kapitel

det att bussen gått. Eller att mackan alltid faller med smöret neråt om man råkar knuffa ner den från bordet. Man brukar visst kalla det Murphys lag när allt ska jäklas. Varför faller oftast smörgåsen med smöret nedåt?

– Ja, en del saker är bara otur och sker utan nån rimlig förklaring. Eller så är det så att man bara kommer ihåg de tillfällen då allt misslyckas. Men det där med att mackan faller med smöret nedåt är inte bara otur. Det beror faktiskt på fysik! – Va? Är det pålägget som är så tungt att det drar ner den sidan mot golvet? – Nej, det är inte huvudanledningen. Istället har det att göra med smörgåsens storlek och bordets höjd. – Jaså? Nu förstår jag inte … igen. Nicke är inte helt säker på om Rakel bara driver med honom.

Landar upp och ner

– Tror du att jag sitter och skojar med dig? undrar hon, men Nicke vågar inte svara.

Figur 9.7 En smörgås ramlar ner från ett bord. Den hinner inte ramla långt innan påläggssidan pekar neråt. Eftersom mackan rör sig fortare och fortare när den accelererar mot golvet så hinner den röra sig en lång sträcka och kommer att landa innan den har hunnit vända påläggsidan uppåt igen. Detta innebär att smörgåsen oftast hamnar upp och ner på golvet. Tyvärr.

180

– Du kan ju lyssna på min förklaring så får du avgöra sen. Jo, om vi tänker oss att vi råkar knuffa en smörgås till kanten på bordet. Om mer än halva smörgåsen då kommer utanför kanten så börjar den att tippa av bordet. Den börjar alltså snurra. Beroende på hur stor smörgåsen är så snurrar den olika fort. En mindre smörgås snurrar lite fortare än en större. En typisk tid för en smörgås att snurra ett helt varv är ungefär en sekund. Efter en halv sekund pekar alltså pålägget precis nedåt, och efter ytterligare en halvsekund pekar pålägget uppåt igen. – Jaha, så om fallet tar en halv sekund så går det illa, men om det tar en sekund går det bra. – Precis! Men vi kan också tillägga att om smörgåsen snurrat mer än ett kvarts varv så pekar pålägget mer ner än upp, och det gäller ända tills smörgåsen snurrat tre kvarts varv. Det betyder att alla falltider mellan en kvarts sekund och tre kvarts sekund gör att pålägget faller nedåt. – Jaha. Och? – Nu är det ju också så att smörgåsen accelererar neråt på grund av tyngdkraften. Smörgåsen ramlar sakta i början. Den hinner kanske bara 30 centimeter på en kvarts sekund, men hela tre meter på tre kvarts sekund. Oftast, för att inte säga nästan alltid, är höjden på våra bord nånstans mellan dessa höjder. © F ö rfattarna och S tudentlitteratur

9 .7 Att klura på …

– Jaha. Så från alla bord som är högre än tre decimeter och lägre än tre meter landar smörgåsen med pålägget nedåt? – Ja, i det här speciella fallet är det så. Generellt sett så gäller ju olika tider för olika smörgåsar beroende på hur stora de är och hur fort de snurrar, men vanligtvis gäller att smörgåsen inte behöver ramla så långt innan fel sida pekar neråt. Smörgåsen måste dock falla från ett orimligt högt bord för att den ska hinna vända rätt sida upp igen. – Ja, men om mackan inte glider ner från bordet, eller om jag hinner komma åt den i luften och ge den en knuff så att den snurrar jättefort. Varför hamnar den ändå med smöret nedåt? – Ja, då är det Murphys lag som råder!

9.7 Att klura på … 9.1

9.2

9.3

9.4

9.5 9.6

Hur kommer det sig att kan man bända loss en tung sten, som man inte kan rubba med bara händerna, om man tar hjälp av ett järnspett? En bil som kör på en bilbana åker ibland upp och ner i olika loopar. Hur kommer det sig att bilen inte ramlar ner fast den kör upp och ner? (Om bilen åker för sakta ramla den dock ner. Varför?) Om en satellit bara har lite lägre (eller högre) fart än vad som krävs för att den ska åka i en cirkelbana, vad kommer då att hända med satellitens bana? Prova ett litet experiment. Ta två femkronor och en enkrona och håll mynten enligt ﬁguren i marginalen mellan tummen och pekﬁngret, med femkronorna som ett ”hamburgerbröd” runt enkronan. Håll din andra hand en bit under mynten. Släpp nu försiktigt på greppet så att du tappar den undre femkronan (och därmed också enkronan) ner i din andra hand. Vilket mynt landar underst i andra handen? Varför? (Prova även att ändra avståndet till den andra handen eller byt ut mynten mot två enkronor och en tiokrona.) Nu när du vet varför tebladen samlas i mitten på koppen när du rör om, kan du då förklara hur man bär sig åt för att spå i teblad? Om man snurrar fort på en snurrstol och har ett långt halsband utanpå tröjan så kommer halsbandet att dras rakt utåt. Samtidigt

Hur kan en bil åka upp och ner i en loop?

Figur 9.8 Håll de tre mynten mellan tummen och pekﬁngret.

181

Patrik Norqvist är doktor och Maria Hamrin docent i rymdfysik och är verksamma som universitetslektorer i fysik, Umeå universitet. De forskar i rymdfysik men undervisar inom många andra områden av fysiken samt föreläser om fysik på grund- och gymnasieskolor. Patrik är känd från tv-program som Plus och Boston Tea Party.

FYSIK I VARDAGEN

266 vardagsmysterier avslöjade över en kopp kaffe 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 262 andra frågor besvaras i denna bok. 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 förfat tarna valt att skriva boken i romanform. I den nya upplagan finns roliga experiment som kan utföras i hemmiljö. Boken rekommenderas som kurslitteratur på introducerande översikts kurser i fysik eller som inspirationskälla för fysiklärare. Den kan också med fördel användas som uppslagsverk eller för ren nöjesläsning.

Art.nr 32033 ISBN 978-91-44-10758-5

www.studentlitteratur.se

9 789144 107585