Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


Legg igjen en kommentar

Fyrverkerifysikk

Godt nyttår!

Hva er det egentlig som skjer når vi fyrer opp raketter? Hvordan ser fyrverkeriet ut inni, og hva er det der oppe i lufta som gir alle de fine effektene?

Jeg vet ikke med deg, men jeg har lurt på dette. Det viser seg at kjemien som skal til for å produsere forskjellige effekter kan være ganske kompleks, men noen grunnprinsipper er ikke så vanskelige å forstå.

1. Oppbygningen

Stort sett ser fyrverkeriet ut som et papprør, eller flere rør, med lunte. Røret fungerer som en kanon. I bunnen av røret ligger en kruttladning, og oppå den ligger kula som skal eksplodere i lufta og lage effekter. Når du tenner på lunta, antennes kruttladningen først. Den produserer masse varm gass som får kula til å presses ut i den eneste mulige retningen, nemlig opp gjennom papprøret og videre opp i lufta. Samtidig gikk flammen videre til en langsommere lunte, som får kula til å antennes i akkurat riktig høyde.

Inne i kula er det en ny kruttladning eller lignende som får kula til å eksplodere, og en eller flere pyrotekniske «stjerner», som er klumper laget av diverse kjemiske stoffer som gir farger, glitring, lyd ogsåvidereogsåvidere. Akkurat dette kunne man lett bruke et helt kjemikurs på, så jeg skal begrense meg til noen hovedsaker.

2. Farger

Hvit og gyllen farge kan man lage ved å varme opp stoffer så mye at de gløder, på samme måte som vi får lys fra trekull eller varm lava. Men de klare fargene, som rød, grønn og blå, kommer på en litt kulere måte. Inne i fyrverkeriet er det salter laget av metaller (metallsalt er ikke noe veldig spesielt: NaCl, vanlig bordsalt, er også et metallsalt. Na, natrium, er metallet, og det har dannet et salt sammen med klor.)

Det skjer noe spesielt når disse metallene varmes opp mye. Først begynner atomene bare å bevege masse på seg, men etterhvert blir de så gira at de ytterste elektronene deres klarer å klatre ett trappetrinn lengre vekk fra kjernen. Ut på tur! Kult! Denne lufteturen varer imidlertid ikke så lenge, for de er ganske hjemmekjære, disse elektronene. Når elektronet faller ned et trappetrinn igjen, mister det litt energi. Om jeg faller ned trappa, mister jeg også energi. Det gjør at det sier bang og jeg får vondt. Men når et elektron faller ned, mister det energien sin ved at det sendes ut lys i en bestemt farge. Siden trappetrinnene til forskjellige metaller har litt forskjellig lengde, er fargen fra hvert metall forskjellig. Det er dette vi gjør bruk av i fyrverkeri: Rødt fra strontium, orange fra kalsium, gult fra natrium, grønt fra barium og blått fra kobber. Se etter neste gang, så vil du se at den røde fargen er akkurat den samme røde fargen i hver eksplosjon. Fargeskrinet kan utvides ved å blande forskjellige stoffer, for eksempel strontium og kobber for å få lilla.

3. Plystring

Du vet de skrikerakettene? De som lager en lang plystrelyd som starter med en høy tone og ender med en som er litt lavere. Sånn fungerer de:

Et brennbart stoff er tettpakket nederst i et rør. Det antennes og brenner fra toppen. Brenningen lager varm gass som presses ut av toppen av røret. Dette gir en lyd, som når man spiller på en fløyte.

Etterhvert som stoffet brenner, blir det mer plass i røret. Fløyta blir lengre. Det gir en dypere lyd, og det er derfor tonen glir gradvis nedover.

Det er mye jeg ikke vet om fyrverkeri, så fortell det gjerne i kommentarfeltet om du vet noe mere morsomt om det!


Legg igjen en kommentar

Så tenner vi ett lys i kveld

Bilde: Wikimedia Commons

Bilde: Wikimedia Commons

Så kom desember igjen (som julekvelden på kjerringa), og adventslys er tent i de tusen hjem. Dette må være årets beste unnskyldning til å finne ut hva en flamme egentlig er for noe.

Fyrstikken

Vi starter med en fyrstikk. For å få noe til å brenne må det først bli varmt nok, og hva varmt «nok» er avhenger av hva det er du vil brenne. Når du drar en fyrstikk mot siden av fyrstikkboksen skjer det en hel liten kjedereaksjon: Friksjonen mellom små glasspartikler på boksen og på fyrstikkhodet får en liten mengde av et kjemikalie på fyrstikkboksen til å ta fyr; dette igjen får et annet kjemikalie i fysrtikkhodet til å produsere oksygen, slik at svovelet i fyrstikkhodet kan begynne å brenne, og dette varmer opp treet i fyrstikken nok til at det tar fyr – voila. Så bruker vi denne flammen til å tenne på stearinlyset.

Veken og stearinen

Det er lett å se at stearinen i nærheten av flammen smelter. Veken  trekker den flytende stearinen opp, på samme måte som tørkepapir suger opp vann. Det vi trenger veken i strearinlyset til er å få den flytende strearinen opp og i kontakt med masse luft.

Helt oppe ved flammen er det så varmt at stearinen blir til gass. Når denne varme gassen kommer i kontakt med oksygenet i lufta, skjer det en heftig reaksjon. Det er dette som er selve forbrenningen. Oksygenet river karbonatomer og hydrogenatomer fra hverandre, og lager nye små molekyler, stort sett vann og CO2.

Flammefargene

Å ta stearin og lage CO2 er ikke fult så enkelt som å ta legoklosser fra hverandre og sette dem sammen på nye måter. Det første som skjer er at det dannes noen skikkelig gira molekyler. Når disse energibuntene slapper av og organiserer seg som trauste vann- og CO2-molekyler, kvitter de seg med den ekstra energien ved å sende ut lys. Dette kan vi se som den blå fargen nederst i flammen.

Den varme gassen stiger oppover, og i midten av gassen blir det vanskelig å få tak i alt det oksygenet som trengs for å få forbrent stearingassen. Karbonet som ikke finner noe oksygen å henge med klumper seg sammen til mikroskopiske sotpartikler. I den varme flammen får sotpartiklene så høy temperatur at de begynner å gløde. Dette får flammen til å bli gul.

Sot eller ikke sot

Dette hadde jeg ikke tenkt på før, men sånn går det når man begynner å google ting. I en rolig stearinlysflamme vil sotpartiklene forbrennes når de når den ytre sonen av flammen, der de har nok oksygen å leke med og temperaturen fortsatt er høy. Men om flammen forstyrres, for eksempel dersom adventskransen er tent i et rom med mye trekk, kan sotpartiklene slynges ut av flammen uten å brenne opp.

Hvis veken blir for lang, vil lyset også begynne å produsere sot. Men hvorfor det er slik har ikke google kunnet forklare meg i kveld. Dette irriterer meg virkelig. Er det sånn at flammen blir ustabil og blafrer når veken blir over en viss lengde, slik at man får samme effekt som av trekk? Eller er det fordi den lange veken gir ekstra mye drivstoff til flammen slik at sotet rett og slett ikke rekker å forbrennes før det forlater den varme flammen? Om det er noen flammeeksperter som leser dette, ville jeg bli takknemlig for en oppklaring i kommentarfeltet.


2 kommentarer

Melk, smør, såpe og snø

To av mine favorittfenomener forenes i meieriprodukter.

Melka er hvit, snøen er hvit

20130924-112144.jpgLyset som treffer oss fra sola består av mange forskjellige farger, og når du ser dem alle sammen på en gang oppfattes det som hvitt. Så når noe ser hvitt ut, er det fordi at alt lyset som treffer denne tingen blir reflektert tilbake til øynene dine.

Men det finnes jo andre overflater også som reflekterer alt som treffer dem. Speil. De ser ikke hvite ut!

Speil er glatte, og lyset som treffer speiloverflaten sendes tilbake igjen i en helt bestemt vinkel. Hvite overflater kan se glatte ut, men egentlig består de av massevis av små partikler. Partiklene kan godt være så små at du ikke kan se dem med det blotte øye. Dette er tilfellet i melka. Snøen, som også er hvit, består som kjent av mange små snøkrystaller – de trenger ikke være like små, men hver enkelt overflate på snøkrystallene er ikke særlig stor.

Når lyset treffer alle de små partiklene blir det reflektert i alle mulige retninger. Det lyset som ender opp med å treffe øynene dine er en samling av lys som opprinnelig kom fra forskjellige steder. Derfor ser du ikke et bilde, som i speilet, men du ser hvitt, fordi alle fargene har like stor sjanse til å havne i øyet ditt.

Vann i fett og fett i vann

Melka er altså hvit fordi den er full av bitte små partikler. Flesteparten av disse partiklene er fettklumper. Fett er noe som på ingen måte trives sammen med vann, og om vannet og fettet fikk det som de ville, ville alt fettet ha samlet seg på toppen av melka og vannet blitt liggende under. Dette skjer da også med melk som ikke er homogenisert.

For å tvinge fettet til å holde seg spredt i melka, trenger man noen molekyler som kan hjelpe overflatene litt. Det finnes en type molekyler som kalles surfaktanter. De har en ende som liker fett, og en annen som liker vann. Når en dråpe med fett blir dekket av de fettelskende endene på surfaktantene, slik at de vannelskende endene stikker ut i vannet, har plutselig fettklumpene det helt topp med å sveve rundt i vannet. Dette er akkurat det samme som skjer når man bruker såpe for å lure fettet fra klærne og over i vaskevannet. Når melka homogeniseres tvinger man flere av surfaktantene som finnes naturlig i melka til å sette seg på fettdråpene, slik at de blir mer stabile.

I smøret er det mye fett og litt vann, og her er det vannet som er spredt som dråper i fettet med de snille surfaktantmolekylene tett pakket rundt seg.

Når man har melk og skal lage smør må man få fettklumpene i melka til å samle seg. Dette gjør man med å riste og herje på melka samtidig som man blander inn masse luft. Lufta får overflatene til fettklumpene til å bli mindre stabil, slik at når to fettklumper kolliderer på grunn av all herjinga, er det større sjanse for at de smelter sammen til en stor klump.

Partytriks

Neste gang du vil bli kvitt noen på en fest, kan du fortelle dem at melk er en olje-i-vann-emulsjon mens smør er en vann-i-olje-emulsjon.

Du ville forresten ikke blitt kvitt meg.

(Dette er meget løselig basert på en presentasjon fra meieriteknologiekspert Sigrid Svanborg. Alle overforenklinger og misforståelser er mine egne.)


Legg igjen en kommentar

… og på Abels Tårn i morgen…

er jeg også. Siden det ikke sendes direkte denne uka ble det gjort opptak etter forrige program. Så jeg vet at i morgen snakker jeg om farger, og jeg havner på tynn is (fikk flashback fra eksamener: Jeg vet hvilken side i boka dette står på, men jeg husker ikke hva som står der) og må reddes av kjemikeren. Ikke så bra for min stolthet, men sikkert bare fint for programmet og lytterne. Får vi håpe. Og jeg lærte noe nytt, så fint for meg også.

Det blir også snakk om massespektrometer (joda, kom igjen, det er interessant) og så er det ett eller annet om regnbuer i opptak fra Bergen, som jeg blir nødt til å høre på. Må bare spole forbi meg selv.


Legg igjen en kommentar

Jeg lurer på hvorfor blader er grønne

20130906-205629.jpgDer kom den igjen, høsten.

Hver morgen ser jeg flere gule blader. Når mørketida står for døra slutter det å være lønnsomt for plantene å lage nye grønne klorofyller når de gamle blir ødelagt; de skrur heller ned på aktivitetsnivået, og lar de gule og røde fargene vi vanligvis ikke ser for bare grønt, få pynte opp skogen noen uker før det hele faller til jorden.

Når vi ser at noe har en farge, er det fordi at dette noe ikke suger til seg sollyset med akkurat denne fargen. Bladene er grønne fordi det grønne lyset blir reflektert og kan fanges opp av øynene våre. Det røde og det blå lyset, derimot, kan klorofyllet bruke til å bygge sukker av karbondioksid og vann.

Rød, grønn, blå. Kan du fargene i regnbuen? ROGGBIF: rød, orange, gul, grønn, blå, indigo (skjønner forresten ikke hvorfor den må være med, fordi man trengte en vokal?) og fiolett. Hvor ligger grønn i forhold til rød og blå?

Jo, midt i. Så plantene, som gjør alt de kan for å kare til seg det de kan av sollys, de kaster altså fra seg hele den midterste porsjonen av det synlige lyset.

Og hvorfor er det sånn?

Det har jeg lurt på i dag, og jeg har googlet og googlet. Svaret er:

VI VET IKKE!

Faktisk. Jeg fant en hypotese om at jorda en gang for lengelenge siden var dominert av en annen art som så lilla ut, altså som brukte det grønne lyset og spyttet ut resten. Så utviklet det seg en annen art, forløperen til plantene, som brukte de blå og røde restene. Og så overlevde denne arten fordi den hadde funnet et molekyl som var mer effektivt enn det de lilla plantene brukte.

Men dette er altså bare en av sikkert mange hypoteser (det er også begrenset hvor mye man kan finne ut på en google-kveld, tross alt), og jeg får sikkert aldri noe helt godt svar på hvorfor planter er grønne. Det er greit! Det er egentlig veldig kult! Det går rett på lista over «ting man skulle tro var kjent men som ikke er det», som nok et bevis på hvor fantastisk verden er og på hvor mye morsom forskning som gjenstår.


1 kommentar

Jeg så en regnbue

regnbue

Lyset skinner på en rotete haug med vanndråper og produserer en perfekt regnbue. Det er en av de tingene som bare virker magisk. Hvordan kan alle disse regndråpene samarbeide om å lage noe så fint?

Hvordan solstrålene treffer jorda

Lyset fra sola kan ikke sammenlignes med lyset fra en lampe. Se for deg sola med solstrålene ut til alle kanter, som på en barnetegning. Om sola er så stor som en appelsin, så er jorda et knappenålshode, femten meter unna. Den lille jorda greier ikke fange opp mer enn en enkelt av barnetegning-solstrålene. Altså går alt lyset som treffer jorda går i akkurat samme retning, i motsetning til lampelyset som brer seg utover til alle kanter.

Hva som skjer i skyen

Du kan se regnbuen når du har sola i ryggen. Lyset fra sola skinner forbi deg og på lyser opp vanndråpene i en sky foran deg. Vanndråpene er runde som klinkekuler. Se for deg at sollyset består av massevis av stråler som beveger seg rett fram. Så konsentrerer du deg om en av disse strålene. Den går inn i skyen, og treffer en vanndråpe.

Treffer den langt ut på kanten, vil hele strålen reflekteres og sprette ut til siden.Som om dråpen var et speil.

Hvis den treffer akkurat midt på, vil noe av den sprette rett tilbake, mens resten fortsetter rett fram gjennom dråpen.

Om den derimot treffer ved siden av midten, men ikke for langt ut, vil noe av strålen reflekteres og noe vil fortsette inn i vannet. Den biten av strålen som fortsetter innover går i en litt annen retning enn den hadde opprinnelig.

Hvorfor lyset svinger

På barneskolen min tok de 17. mai seriøst. Jeg vet ikke om det var sånn over alt, men vi øvde ihvertfall, mye, før den store dagen. Vi gikk fire i bredden. Det var svinginga som var vanskeligst. Når en rekke med fire barn kom til en sving, måtte de som fikk yttersvingen gå fort, mens de innerste måtte bremse. Solstråla vi følger er egentlig en bølge. Bølgetoppene i luft ligger danner rette streker etter hverandre, akkurat som skolebarna i 17. mai-toget. Barn går saktere i vann enn i luft, og det gjør lyset også. Se for deg en rekke med skolebarn som kommer til en skråstilt bassengkant. Der skal de gå videre med vann til livet. Barna som kommer først ned i vannet begynner å gå saktere, mens de ytterste fortsetter med større fart en stund til. Dette gjør etterhvert at hele barnetoget svinger. Og akkurat det samme skjer med lysbølgen.

Det er forskjell på farger

Sollyset består av en enorm mengde bølger med forskjellig bølgelengde. En del av disse, som har omtrent halvparten av en tusendels millimeter mellom hver bølgetopp, utgjør det synlige lyset. Øynene og hjernen vår oversetter de forskjellige bølgelengdene i dette området til forskjellige farger. I luft og tomrom har de forskjellige fargene omtrent samme hastighet, men i vann bremses det blå lyset mer enn det røde. Derfor vil det blå lyset svinge litt mer. I noen vanndråper treffer solstrålen akkurat slik at den bøyes litt, treffer bakveggen i dråpa, blir reflektert fram igjen, og bøyes litt til på vei ut. Retningen lyset har når det kommer ut, på vei tilbake igjen fra skyen, avhenger av hvilken farge det har.

Hva du ser

Du ser regnbuen fordi lys treffer øynene dine. Sola står bak deg og sender strålene sine forbi deg og inn i regnværet. Alle strålene går i samme retning.

Den ytterste randen av regnbuen er blå. Hele den blå randen er i samme avstand til øynene dine. Blått lys som går inn i en dråpe, blir reflektert på bakveggen og kommer ut igjen får akkurat den vinkelen som gjør at den treffer øynene dine fra akkurat denne avstanden. Hadde du stått et stykke lengre bort, ville du kanskje ikke ha sett blått på denne plassen, men rødt. Hadde du vært oppe i et fly kunne du kanskje ha sett regnbuen som en hel sirkel.

Noen ganger ser du to regnbuer. Lyset kan nemlig også bli reflektert to ganger inni dråpen før det kommer ut igjen. Da blir det brutt mer, og det mister mer av intensiteten sin på veien. Derfor er denne buen lengre ut enn den første, og svakere. Tre refleksjoner gir en tredje regnbue, men denne er veldig svak og dannes så langt unna den første at den kommer i nærheten av sola – derfor kan man nesten aldri se den.

Din egen regnbue

Ingen kan se den samme regnbuen. Det er bare du som har øynene dine akkurat på den plassen som gjør at du kan se fargene akkurat der du ser dem. Men når forutsetningene er riktige kan mange mennesker se regnbuer på omtrent samme sted, så det gir mening å si ting som at «det var en nydelig regnbue over Ekebergåsen i kveld».

Oppskriften på magi

Verden er full av rot, men regndråper er runde, og sollyset går rett, og derfor har vi regnbuer til å glede oss over.