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!


1 kommentar

Marengsfysikk

Det er på tide med litt kjøkkenvitenskap. Er det egentlig noen som lager marengs til jul? Uansett så fikk jeg lyst til å skrive om hva som skjer med disse eggehvitene når de bankes opp og stekes.

Eggehvite består av proteiner, det vet vi. Egentlig består de stort sett av eggehviter og vann. Proteiner er lange molekyler, omtrent som perlekjeder laget av aminosyrer. Utsiden av disse aminosyre-perlene er sånn at noen områder elsker å være i kontakt med vann, og noen ikke kan fordra det. Inne i egget som kommer ut fra høna ligger hvert protein krøllet sammen med de vannelskende områdene ytterst og de vannhatende områdene godt gjemt inne i midten. Siden hvert protein er krøllet sammen til en ball, er det lett for proteinene å skli forbi hverandre. Derfor er eggehviten flytende.

Så skiller vi hviten fra plommen (det er gøy) og følger oppskriften der det står «pisk hvitene stive». Når vi rører kraftig i eggehviten skjer det to ting: Vi strekker på proteinballene, og vi blander ørsmå luftbobler inn i vannet.

Når et protein blir strukket ut i vann blir det skikkelig misfornøyd. Alle de vannhatende områdene higer etter å legge seg inntil noe som ikke er vann. Dette kan løses med å finne et annet utstrukket protein å koble seg sammen med. Men når det finnes luftbobler i røra, går det også an å krølle seg rundt en av dem. Ahh – så mye bedre. Etterhvert som du rører, består ikke eggehviten av vann med proteinballer i lengre. Den forandrer seg til et nettverk av luftbobler og proteinkjeder som er koblet sammen med hverandre. Da sklir ikke ting så lett forbi hverandre lengre, og du har pisket hvitene stive, rett og slett.

Så rører man inn sukker og eventuelt andre gode ting (forsiktig, så ikke protein-luft-strukturen blir ødelagt), legger det på et brett og setter det i ovnen. Når den piskede eggehviten blir varm utvider alle de fangede luftboblene seg littegrann slik at strukturen vokser. Men enda viktigere er det at vannet i eggehviten fordamper. Dampen kan ganske lett komme seg inn i luftboblene, mens det er vanskeligere å komme seg ut i lufta i stekeovnen. Derfor blir luftboblene fylt av masse damp og vokser og blir skikkelig store, og proteinstrukturen tørker og blir hard i denne formen.

Ta brettet ut av ovnen, og voilà – marengs.

8141226774_bc3279fb03_o

Bilde: Receta no44/Flickr/CC license

En vanskeligere fetter av marengsen er suffléen. Her er de piskede eggehvitene blandet med masse andre godsaker, slik at det fort kan skje at det hele kollapser.

For en stund siden fikk vi et foredrag på jobben om matvitenskap, eller molekylær gastronomi, som kanskje er en slags nerde-versjon av emnet, av Erik Fooladi ved Høgskulen i Volda. Da lærte jeg noe nytt om sufflé som jeg gjerne vil bringe videre:

Et husmortriks sier er at når du tar suffléen ut av ovnen skal du ikke sette den forsiktig ned på benken, men du skal slippe den ned fra 20 (?) centimeters høyde. Det høres skummelt ut, men virker det? Visstnok, ja. Her er forklaringen: Suffléen holdes oppe av masse små luftbobler. Når den avkjøles, krymper luften inne i alle boblene. Dette skaper et undertrykk og suffléen suges sammen og blir flat og kjip (jeg kan skrive under på at dette kan skje). Men: Om du først har gitt suffléen en trøkk, har det oppstått mange mikroskopiske sprekker i strukturen. Når luften avkjøles er det mulig for luft fra utsiden å strømme inn i boblene, slik at det aldri blir skikkelig undertrykk. Og da holder suffléen seg fin og stor.

Jeg har ikke prøvd selv, for det er skjelden jeg finner på noen grunn  til å lage sufflé. Har du noen erfaring med dette, så si gjerne fra!


Legg igjen en kommentar

«Hjemme hos»-reportasje om pastakoking

I dag hadde jeg besøk av AftenpostenTV som ville ha meg til å forklare hvorfor en tresleiv på tvers over pastakjelen får den til å la være å koke over.

Ikke tidenes beste triks, kanskje, men det er nå litt artig. Siden det var planleggingsdag i barnehagen var jentene hjemme og fikk spise så mye de ville av både kokt og ukokt pasta. Og så ble det spagettigrateng til middag. Det var ikke så populært.

Skulle kanskje ha prøvd å sminke bort de jetlag-ringene jeg har under øynene.

Screenshot 2014-09-01 19.16.03

Dette er bare et screenshot, du kan se videoen ved å klikke her.


Legg igjen en kommentar

Luftspeilinger

En god kollega hadde vært på langtur med bil i ferien, og han hadde flere ganger sett luftspeilinger på asfalten når de kjørte lange rette strekninger. Det er sikkert mange som har sett himmelen speile seg i motorveien på varme dager. Hvordan blir den varme asfalten plutselig til et speil?

Luftspeiling på motorveien. Bilde: "A Highway Mirage", Michael Gil/FLickr/CC license.

Luftspeiling på motorveien. Bilde: «A Highway Mirage«, Michael Gil/FLickr/CC license.


Selv forbinder jeg luftspeilinger aller mest med Donald. Donald går i ørkenen og er fryktelig tørst. Han ser et basseng og kaster seg ned i det for å drikke. Men så viser det seg at det bare er sand. Jeg mener at det finnes flere varianter, blant annet en der han ser en bod som selger kald drikke.

Denne siden fra et Micky Mouse-blad fra 1951 har jeg kopiert fra denne bloggen.

Denne siden fra et Micky Mouse-blad fra 1951 har jeg kopiert fra denne bloggen.


Lys og luft
Vanligvis går lyset rett frem gjennom lufta, og når lyset fra en ting treffer øynene våre, forstår hjernen vår at denne tingen befinner seg i den retningen lyset kom fra.

Men luft er ikke alltid bare luft. Når lufta varmes opp, blir det lengre mellom hvert luftmolekyl. Lufta tar mer plass, den blir lettere og den stiger oppover. Og siden det er færre molekyler å snakke med, går lyset fortere i varm luft enn den gjør når lufta er kald.

Hvordan sand blir til speil
Som man merker når man går barbeint, kan asfalt (og ørkensand) bli svært varm når sola skinner på den. Dette fører til at lufta inntil asfalten også varmes opp. Den varme lufta stiger opp og avkjøles. Altså blir det liggende et lag med veldig varm luft helt nederst mot bakken, med en gradvis overgang til den kjøligere lufta over.

Tenk deg en lysstråle fra himmelen, som kommer på skrått inn mot den varme veien. Når lyset kommer inn i varmere luft, vil det gå litt fortere. Siden den nederste delen av lysstrålen treffer den varme lufta først, vil den gå fortest, og det får hele lysstrålen til å bøye seg inn langs bakken.

Dersom temperaturforskjellen er tilstrekkelig stor over et lite område, vil lysstrålen svinge så mye at den plutselig er på vei oppover igjen. Uten at den noen gang har truffet bakken. Det er litt som om lyset har truffet et speil, bortsett fra at det svinger gradvis i steden for å sprette ut som en sprettball.

Du kan se at himmelen speiler seg i veien om du befinner deg omtrent i samme høyde som der temperaturforandringen skjer. Inne i en bil på veien, for eksempel. Om du har flaks.

Hjernen gjør så godt den kan
Om du ser på bakken langt foran deg, og ser et speilbilde av himmelen, så kan ikke hjernen forstå annet enn at det må ligge noe blankt akkurat der som har laget det speilbilde. I ørkenen blir det nødt til å være en speilblank vannoverflate.

Men du vil aldri nå helt frem til den – om du ikke er Donald.

Luftspeiling i Egypt. Bilde: "Mirage in the Desert", Michael Gwyther-Jones//Flickr/CC lisence.

Luftspeiling i Egypt. Bilde: «Mirage in the Desert«, Michael Gwyther-Jones/Flickr/CC license.


2 kommentarer

Musikkfysikk. Strengteori.

Bilde: Andrew Sutherland/"<a href=

Jeg har en cello som jeg liker å spille på, aller helst sammen med andre. De siste årene har jeg lagt den klassiske opplæringen min fullstendig på hylla til fordel for folkemusikken. Fordelen med å spille cello i spellemannslag er at stort sett ingen andre gjør det, så jeg kan spille hva jeg vil – melodi, andrestemme, komp, med bue eller uten bue, få toner eller mange toner.

For at en cello skal lage lyd, må en av strengene settes i bevegelse. Strengen sitter fast i topp og bunn, men midten er fri til å bevege seg frem og tilbake. Denne bevegelsen forplanter seg til treverket og lufta inni instrumentet, og til lufta på utsiden av instrumentet, som fører lyden frem til ørene til den som hører på. Desto raskere strengen svinger frem og tilbake, desto lysere blir tonen.

Strenglovene

Vi tenker vel ikke så ofte over strengteorien, men strengpraksisen har alle prøvd. Strengen følger tre lover:

1. jo mer du trekker i strengen, jo fortere vibrerer den. Prøv en strikk. Eller lag prompelyder med en ballong.

2. jo lengre strengen er, jo saktere vibrerer den. Den lyse fiolinen er mye mindre enn den mørke kontrabassen.

3. jo tyngre (i praksis: tykkere) strengen er, jo saktere vibrerer den. Kontrabassens tykke strenger krever sterke fingre. De tynne fiolinstrengene gir såre fingertupper.

Strengfinesser

En cello har fire strenger i forskjellig tykkelse. Jeg tror tykkelsene er beregnet slik at alle strengene må være omtrent like stramme for å få riktige toner. Om alle strengene hadde vært like tykke, så hadde den øverste blitt vanskelig for fingrene å klemme ned, mens den nederste hadde vært vanskelig å få i bevegelse.

For å få frem alle tonene i skalaen, bruker man fingrene på venstre hånd til å klemme strengen man spiller på ned mot gripebrettet på riktig sted. Det gjør strengen kortere og tonen lysere. Det som jeg egentlig synes er litt rart er at man setter fingrene på akkurat samme plass på de forskjellige strengene. Jeg kan for eksempel legge en finger på tvers over to strenger og spille to (riktige) toner på en gang. På en gitar går jo båndene tvers over halsen.

Dette fungerer fordi skalaen vi bruker (som er bare en av mange, men det lar jeg være akkurat nå) er konstruert slik at det er like langt mellom hver halvtone. For å gå fra en tone til den neste må du kutte vekk en viss andel av strengen. Siden det er andelen som er konstant, blir avstanden mellom fingrene mindre og mindre jo lengre opp på strengen man er. Dette er det også lett å se på en gitar.

Barnestrenger

Om du skulle ha blitt en verdensberømt fiolinist, måtte du ha startet øvingen før du begynte på skolen. Siden små barn har korte armer og fingre spiller de på små instrumenter. Strengene er kortere, men lager de samme tonene som de store vokseninstrumentene.

Er barnestrengene like tykke som voksenstrengene? lurte vi på en gang vi hadde pause. Tykkere strenger kunne ha kompensert for at strengene var kortere, og gitt samme tone. Men sånn er det visst ikke. Siden barnestrengene er kortere men like tykke som de voksne, må de være slakkere for at tonen skal bli riktig. Det gjør sikkert også at det er lettere å klemme strengene ned, og det passer fint for barnefingre.

Bratsj

Jeg skulle gjerne ha spilt bratsj. Den er enkel å ta med seg, som en fiolin, men dyp og kul litt på samme måte som en cello. Bratsjen er større en fiolinen, men har tonene på tre av strengene til felles med den. Den bruker litt tykkere strenger. Når strengene er både lengre og tyngre, betyr det at de må være veldig stramme for å få riktig tone? Eller hvordan fungerer egentlig dette? Er det noen bratsjister der ute som kan komme meg til unnsetning?


Legg igjen en kommentar

Kakaoeffekten

20140302-104055.jpgDu har sikkert prøvd å lage kakao, eller kanskje kaffe, ved å blande pulver og varmt vann i en kopp. Om du rører ut pulveret med en metallskje og lar den dunker mot siden av koppen mens du rører, kan du noen ganger høre at tonen i dunkelyden stiger mens du rører.

Hvorfor er det sånn?

Dette har selvfølgelig blitt besvart på skikkelig vis av en fysiker. Frank Crawford publiserte en artikkel i 1982 i American Journal of Physics med navnet «The hot chocolate effect». Effekten har også fått sin egen side på engelskspråklig Wikipedia, men ikke på norsk ennå, dessverre.

Kakaomusikk

Koppen med kakao oppfører seg som et musikkinstrument med en bestemt egenfrekvens. Egenfrekvensen til koppen avhenger av hva som er i den, og hvor mye som er i den. Om du dunker på koppen mens du heller vann oppi, vil tonen bli dypere desto fullere koppen blir. På samme måte lager en stor tromme dypere lyd enn en liten tromme, og kontrabassen har mye lengre strenger enn den lyse fiolinen.

Egenfrekvensen avhenger altså av hvor langt lyden må reise, men også av hvor lang tid den bruker på å reise. Om lyden går raskere, blir egenfrekvensen høyere og tonen lysere.

Hva som skjer i koppen

Når du skal lage kakao fra pulver, starter du med å varme opp vann. De fleste gasser liker seg ikke like godt i varmt som i kaldt vann. Det betyr at når du varmer opp vann som har vært kaldt, begynner den oppløste luften i vannet å få lyst til å komme seg ut. For å klare dette, må den lage bobler, og det er ikke gjort i en håndvending. Den vil helst ha noen passende overflater å begynne å  bygge boblene sine på.

Dette får den, først når du heller vannet ned i din ikke helt perfekt glatte kopp, og dernest i massevis når du tilsetter kakaopulveret. Vips blir koppen fylt av ørsmå, glade bobler. Når du rører hjelper du boblene med å finne veien opp til overflaten og over i lufta.

Lydens hastighet i vann og luft

Hva har dette med lyden å gjøre? Lydens hastighet avhenger av hva den må reise gjennom. Lyd er trykkbølger. En forstyrrelse et sted forplanter seg gjennom systemet ved at molekyler dytter på hverandre.

Se for deg en stor idrettsplass som er rigget til for konsert med et kjent band. I begynnelsen står og går folk spredt rundt omkring på plassen. Om en snubler og faller, dytter han kanskje til en annen, som kanskje vakler litt før han treffer en til, og en til… men forstyrrelsen beveger seg ikke spesielt fort. Etterhvert kommer flere folk til, og når konserten er i gang, står tilhørerne trengt tett i tett sammen foran scenen. Når noen faller over hverandre bak, går det en bølge gjennom forsamlingen og de som står forrerst blir ganske raskt dyttet inn mot gjerdet.

Det siste er en lydbølge i vann. Det første er en lydbølge i luft. Lyden går raskere jo tettere og mer ordnet molekylene i stoffet sitter.

Kakaoeffekten

Når koppen nettopp har blitt fylt med varmt vann og pulver, blir lydbølgene bremset av alle de små boblene, noe som gir en lav tone. Etterhvert som boblene stiger opp og forsvinner blir det mindre luft og dermed høyere tone på dunkingen.

Du er forresten ikke nødt til å bruke pulver, det bør klare seg med varmt vann. Men materialet på både koppen og skjeen kan ha noe å si. Om vannet har kokt en stund, eller vært varmt lenge, kan det hende at mye av luften har unsluppet slik at effekten blir mindre. Prøv selv!


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.