Fysikk og Fascinasjon

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


Legg igjen en kommentar

Kjemisk potensiale i nanoporer, svømmetur og en bjørn

Jeg er på konferanse i USA, og overskriften oppsummerer dagens høydepunkter.

Hjemme er det skolestart, barnehagestart, fotballstart og korpsstart. Jeg er i New Hampshire og tenker på deformasjon av stein. Dette er en såkalt Gordon-konferanse, som holdes i en rekke fagfelter og har et veldig fint format: Tre foredrag på en time hver om morgenen, lunsj, fritid (der man sitter i sola og diskuterer vitenskap, eller drar og svømmer i en varm innsjø, som jeg fikk gjort i dag), deretter to timer med poster-session (se på og diskutere plakater som de som ikke holder foredrag har laget om forskningen sin), middag, og så to timer foredrag fra 1930 til 2130. Det kan være bittelitt vanskelig å holde seg våken på de siste foredragene. Ellers bra.

IMG_6329

Proctor Academy, nydelig sted å ha konferanse.

Tema for konferansen er «Rock Deformation», som altså betyr hvordan stein beveger på seg: Hvordan foregår store og små jordskjelv, hva vet vi egentlig om friksjon, hvordan kan man få små og store jordskjelv av å pumpe vann ned i bakken, hva skjer med krystallene i is som flyter og i stein som flyter dypt nede i jorda, og sånt. Noe som er litt rart er at det var et stort jordskjelv i Italia i natt som jeg ikke har hørt et ord om i løpet av dagen. Det henger kanskje sammen med at det er lite snakk om å forutsi jordskjelv. Det finnes folk som jobber med det, men det er vanskelig, og jeg er usikker på om noen av dem er her. For denne gjengen handler det mer om å forstå prosessene i jorda.

Jeg er så heldig å være invitert hit til å holde foredrag. Dette gjør at jeg får betalt reise, eget rom, slipper å stå og henge ved en plakat, og fikk bruke en hel time på å fortelle og svare på spørsmål om hva jeg driver med. Når jeg i tillegg fikk snakke mandag morgen, slipper jeg å være stresset resten av uka, og får masse tid til å diskutere med folk som gjør relevante ting. Det jeg har snakket om er hva som skjer mellom overflater på nanoskala, og det er det mange som er interessert i.

IMG_6327

Jeg holder foredrag.

Et av dagens høydepunkter var å sitte i sola i pausen og fundere over hvordan det kan gå for seg når korn i stein glir mot hverandre dypt nede i jordskorpen og dette får vann til å strømme fra dypet og opp mot overflaten. Her kan nanoporer, altså vannfylte hulrom som bare er noen få atomer store, være viktige. Kan jeg klare å finne ut noe om dette med mine eksperimenter?

Høydepunkt nummer to var at jeg rakk å kjøre opp til den lokale innsjøen og ta et bad i slutten av pausen.

Og høydepunkt nummer en må ha vært at jeg så en bjørn på morgenløpeturen min i skogen. Den var svart, ikke så veldig stor, og gikk vekk fra meg (heldigvis) et stykke unna. Jeg brukte resten av løpeturen på å fundere på hva man skal gjøre om man treffer en svartbjørn på stien. Skal man rygge, spille død, eller se stor og skremmende ut? Etter diskusjoner med de lokale har jeg kommet fram til at man skal prøve å skremme bjørnen, men håper jeg slipper å prøve det i morgen (om jeg i det hele tatt våkner tidlig nok til å løpe).

IMG_6335

Morgenstemning i skogen og ikke en bjørn i sikte.


4 kommentarer

Curlingfysikk

Her er det norske curlinglaget i aksjon under OL i Vancouver. Foto: Bjarte Hetland/Wikimedia Commons

Her er det norske curlinglaget i aksjon under OL i Vancouver. Foto: Bjarte Hetland/Wikimedia Commons

Curling. For en sport! Om jeg var fysikklærer skulle jeg ha tatt med meg elevene mine på curlingbanen for å oppleve Newtons lover på nært hold. Men det som virkelig gjør curlingen fascinerende, friksjonen, er så lite forstått at man må studere fysikk i flere år for å få noe særlig tak på det. Her kommer et lite innblikk i lovene som styrer curlingsteinens ferd over isen.

Minst mulig kontakt

Curlingsteinene – som er av granitt og mellom 17 og 20 kg tunge – er ikke flate under. De er uthulte, omtrent som en flaskebunn, slik at det bare er et ringformet område som er i kontakt med isen.

Heller ikke isen er flat. Curlingbanene sprayes av en dusj med vanndråper så de blir fulle av bittesmå ishumper.

Til sammen gjør dette at 20 kg granitt hviler på bare noen få topper av is. Intuitivt er det lett å se for seg at en helt plan overflate er glattere enn en ru flate, men når to veldig harde stoffer – som is og stein – skal gli mot hverandre, lønner det seg at den ene flaten er ru for å skape minst mulig kontakt.

Det smelter på toppene

Alle som har fulgt denne bloggen en stund bør vite at is stort sett er dekket av en tynn film med vann. Det er denne filmen som bestemmer hvordan steinen beveger seg. Desto tykkere film, desto mindre friksjon. Tykkelsen på filmen kontrolleres av to faktorer: Trykk og temperatur.

Smelting #1: Temperatur

Etter at steinen er satt i bevegelse, løper to mann foran og koster. Heftig kosting får steinen til å bremse mindre. Det er fordi kostingen øker temperaturen i isen, omtrent som når du gnir hendene fort mot hverandre. Høyere temperatur gir tykkere vannfim gir mindre friksjon gir mindre bremsing av steinen, og den går lengre. Om det kostes mer på den ene siden av steinen vil det få den til å svinge mot den andre siden, der friksjonen er større.

Smelting #2: Trykk

I curling kan man også få steinen til å svinge ved å få den til å rotere mens man skyver den fremover. Om steinen roterer med klokka, beveger fronten av steinen seg mot høyre, og friksjonen virker i motsatt retning, mot venstre. I bakkant virker friksjonen på mot høyre. Siden steinen ble satt i gang med et dytt på oversiden, der håndtaket sitter, bikker den hele tiden ørlite grann fremover. Det gjør at trykket fra steinen mot istoppene er større på fremsiden enn på baksiden. Høyt trykk gjør vannfilmen tykkere, og det gir mindre friksjon på forsiden av steinen enn på baksiden. Derfor er friksjonen som virker mot venstre mindre enn den som virker mot høyre. Summen blir en liten kraft mot høyre, som får steinen til å svinge.

Dette er avansert fysikk

I de fleste kurs i fysikk, både på videregående og på universitetet, er friksjon enten noe vi bestemmer oss for å se bort i fra, eller vi får oppgitt en enkel formel der friksjonenskraften er like stor som en bestemt andel av kraften fra tingen som beveger seg mot underlaget. I motsetning til Newtons lover har vi ingen universell naturlov som kan beskrive friksjon. Friksjon avhenger av mange forskjellige fenomener på mange forskjellige skalaer, og det foregår mye spennende forskning på dette rundt om i verden, også hos oss i Oslo. Senest i fjor ble det publisert flere artikler om nettopp curlingfysikk. Her er det mye å ta tak i.


6 kommentarer

OL spesial: Skøyteis

Jeg har brukt en del tid på å se på skøyteløp i dag, og siden det ikke var uhyre spennende hele tiden ble jeg sittende og tenke på selve skøytebanen. Hva er det egentlig som skal til for å lage skøyteis i OL-klasse?

Den glatte isen

Is er et fast stoff, men det er mye glattere enn de andre faste stoffene vi omgir oss med. Imidlertid er faste overflater gjerne glatte når de er våte, og det er også flytende vann som er årsaken til at skøytene glir så lett over isen.

Siden det kan virke rart at isens overflate ikke er frossen selv om temperaturen er godt under null grader, har det vært foreslått at trykket fra skøyten på isen senker frysepunktet, eller at friksjonen mellom skøyten og isen genererer nok varme til å smelte det øverste laget med is. Om friksjonen hadde vært årsaken, hadde det vært vanskelig å få skøytene til å begynne å gli. Vi vet jo alle at is er glatt selv når man står helt stille. Trykket fra skøytene er i høyden nok til å senke frysepunktet med omtrent en grad, og skøyter glir fortsatt på isen når temperaturen er godt under tjue minusgrader.

Det viser seg at is nesten alltid har et lag av flytende vann på overflaten. Isoverflaten blir ikke skikkelig tørr før temperaturen nærmer seg tretti minus. Dette gir opphav til andre morsomme effekter som telehiv og sammensveising av snøkrystaller. Vannfilmen på isen blir tynnere desto kaldere det blir. Betyr det at isen er glattest når den er like ved å smelte? Hva er egentlig den optimale skøyteistemperaturen?

Fart versus kontroll 

Under OL foregår en rekke idretter på is: Lengdeløp, kortbaneløp og kunstløp, ishockey, curling, bob, aking og skeleton. Alle har sine spesielle egenskaper, og jeg skal holde meg til dem som foregår med skøyter.

I is-spesifikasjonene fra OL i Vancouver, 2010, oppgis optimal istemperatur for lengdeløp til å være mellom -9 og -5, for kortbaneløp -5.5, for kunstløp -3.3 grader og for hockey rundt -6 grader. Desto høyere temperatur, desto tykkere skal også isen være (fra 5 cm ned til 2.5 cm). Isen kjøles ved hjelp av en kjølevæske som sirkulerer i betongsålen under banen, og jeg er usikker på om det er sånn at tykkere is nødvendigvis er mindre kald fordi den kommer høyere opp fra det kaldere underlaget, eller om temperaturen på kjølevæska endres og det er andre grunner til å ha tykkere is.

Kald is er hard og gir fart, men om den er alt for kald blir laget av overflatesmelte så tynt at det ikke gir god smøreeffekt. Varm is er mykere og gir kontroll. Når isen er nærmere smeltepunktet er det enklere for kunstløperne å få tak med skøytene i isen før de skal gjøre hopp, eller eller gjøre krappe vendinger. Siden lengdeløperne ikke svinger så mye, får de den kaldeste isen som er best for fart.

Myk is og hard is 

Men hvorfor er det egentlig sånn at varm is er mykere? Isbiter som er i ferd med å smelte er da slett ikke myke. De er harde helt til de forsvinner. Hadde skøytebanen vært en stor, flat isbit, ville bare laget med overflatesmelte bli tykkere og tykkere oppå den harde isen.

Jeg tror svaret må ligge i at skøytebanen ikke er en stor isbit, men at den består av mange små iskrystaller. Når is ligger mot is har den det ganske fint, og det behøver ikke være flytende vann mellom alle iskrystallene. Men i kantene og hjørnene av krystallene har vannmolekylene det fortsatt litt ugreit, og der vil de smelte. Derfor har slike store blokker med is et nettverk av små vannårer i seg. Når temperaturen stiger, blir det mer og mer av dette vannet, helt til iskrystallene begynner å løsne fra hverandre rundt null grader. Dette opplever vi som sørpe om våren.

Størrelsen på iskrystallene avhenger for en stor del av hvor fort isen fryser. Ved å variere hvor mye vann man heller på banen, hvor kaldt underlaget er under innfrysningen, og hvor kald isen er når den brukes, kan man derfor variere isens egenskaper ganske mye.

Vedlikehold av isen

Jeg har ofte lurt på hva som egentlig skjer når skøyteløperne tar pause og isen vannes. For lengdeløp dusjes isen med vann som er 65 grader varmt. I tillegg har vannemaskinen en skarp, over to meter lang skrape som den bruker til å få isen helt plan. Siden isen hele tiden kjøles fra undersiden, gjør dette at isoverflaten blir flat og fin.

Om luftfuktigheten over isen blir for høy, kan det dannes rim. Da vokser små busker av is opp fra isoverflaten. Disse gjør isen ru og øker friksjonen. Derfor må OL-arenaene ha et godt anlegg for å holde luftfuktigheten lav.

Sånn, da vet vi det. Derimot er curlingis ikke som skøyteis, av interessante årsaker, og jeg blir kanskje nødt til å skrive noe om det senere.
Bilde: "Skate like the wind" av Joshua Mayer/Flickr

Bilde: «Skate like the wind» av Joshua Mayer/Flickr (CC lisens)