Fysikk og Fascinasjon

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


Legg igjen en kommentar

Sandkasselek for voksne

Denne helgen har jeg altså brukt til å legge heller i hagen. Jeg foreslo egentlig at vi skulle ha de hellene fordi jeg trodde det bare var å dra jord utover, slenge ut noen heller og strø gressfrø over det hele. Nå forstår jeg at det innebærer spaing av flere tonn sand og løfting av inmari tung stein. Men fint blir det, og jeg har innsett at sand er ganske fascinerende greier.

Innerst ved husveggen hadde vi en ganske stor grøft fylt med leca. Det er visst noe man gjør for å unngå vann i kjelleren. Hulrommene mellom lecaekulene er nemlig så store at vannet ikke greier å holde seg fast i dem, men renner rett ned og bort til naboen (jeg tror det er planen). Vi måtte ta bort trappa inn til huset, så for å komme ut i hagen måtte man ta et stort skritt ned og rett i denne lecagrøfta. Når du tråkker på leca så sklir kulene mot hverandre og ut til siden så du synker ned. Omtrent som å hoppe i ballrommet på IKEA men du blir mye mer møkkete og irritert.

Så var altså spørsmålet hvordan vi skulle legge heller, til å gå på, oppå all denne lecaen. Vi bestemte oss for å dekke kulene med en fiberduk. Oppå der la vi et lag med sand som vi tråkket til.

Her er den fascinerende biten: En halv meter bred grøft med kuler som ikke kan holde noe som helst oppå, en tynn duk og en tommelfingerbredde med hardpakket fuktig sand – det blir forbausende stabilt! Plutselig kunne vi spasere omkring oppå grøfta og det føltes som et fast gulv. Er ikke det egentlig veldig rart?

Alle har lekt i sandkassa som barn, men en del av erfaringene er vel gått i glemmeboka. For å oppsummere: Tørr sand går det ikke an å bygge med, det renner bare ned. Klissvåt sand går det heller ikke an å bygge med, det blir bare som våt rennete gjørme. Fuktig sand, derimot, kan du bygge de mest fantastiske byggverk med.

Når sanda er fuktig er det både vann og luft mellom sandkornene. Sandkorn har overflater som er veldig glade i vann. Som jeg har snakket om før, så kan vann like veldig godt å klamre seg til for eksempel glass (som jo er laget av sand), men vannet er veldig lite glad i å ha en overflate rett ut mot lufta.

Når to sandkorn er veldig nær hverandre, får vannet muligheten til å lage en liten dråpe mellom disse to kornene. Dråpen har veldig mye overflate mot sand, og bare litt mot luft, og er derfor fornøyd med tilværelsen. Vannet lager det man kaller en kapillærbru mellom de to sandkornene. Om du prøver å dra disse kornene fra hverandre, strekkes vanndråpen og den får mer og mer overflate mot luft. Det vil den ikke! Derfor vil vanndråpen prøve å dra sandkornene tilbake mot hverandre. Vanndråpen virker omtrent som en liten strikk som er limt fast mellom de to sandkornene. Om man drar hardt nok, ryker strikken (dråpen) og kornene kan bevege seg fritt i forhold til hverandre igjen. I fuktig sand sitter de fleste av sandkornene fast i flere andre med slike vanndråpestrikker. Det er derfor man kan bygge sandslott med overheng og det hele uten at det raser sammen. Dersom jeg skulle ha greid å bøye fiberduken og det tynne sandlaget ned i lecagrøfta da jeg tråkket på den, måtte jeg ha dratt mange sandkorn fra hverandre. Kraften fra alle de bittesmå vanndråpene gjorde at det ikke skjedde.

Når sanda er veldig tørr er det nesten ingen kapillærbruer til å holde fast sandkornene, slik at de er frie til å bevege seg i forhold til hverandre. På mange måter oppfører tørr sand seg omtrent som vann, der man kan tenke seg at sandkornene spiller rollen til vannmolekylene. Den vil for eksempel stort sett renne nedover. En forskjell på tørr sand og vann er at siden sandkornene ikke er spesielt gode venner, de bryr seg altså ikke om de er ved siden av et annet sandkorn eller ikke, så blir ikke de kornene som sitter i utkanten ulykkelige. Derfor er det ikke sånn at sanda gjør det den kan for å unngå å få for stor overflate, slik som vann gjør det.

En annen forskjell er den at det er friksjon mellom sandkornene. Når sanda renner ned så får man ikke en helt rett overflate, men det dannes en haug. Desto mer kantete sandkornene er, desto lettere det er for dem å huke seg fast i hverandre, og desto brattere kan denne haugen bli. Det blir også en del luft imellom kornene i haugen. Om man dunker, tramper eller rister på sanda, får sandkornene hjelp til å rive seg løs fra naboene og hoppe videre nedover til de til slutt ligger så tett som de kan komme, med en plan overflate. Da har de på en måte nådd sitt nullpunkt og vil ikke flytte seg noe mer uten at noen kommer og løfter dem opp. Da vi skulle legge stein, var det viktig at sanda under fikk finne sitt nullpunkt før steinen ble lagt ut. Ellers ville den med tid og stunder greie å komme seg dit og så ville steindekket vårt blitt ugjevnt. Derfor leide vi en såkalt hoppetusse (fint navn), en tung sak med plate under og motor oppå som får den til å hoppe rundt omkring på sanda. Det bråkte og førte forhåpentligvis til at steinene våre ligger der de ligger i mange år.

I kliss våt sand er det heller ingen kapillærbruer, for her er det jo vann over alt og ingen plagsomme overflater mellom vann og luft. Derfor er våt sand like håpløs som tørr sand når det gjelder sandslottbygging.

Lecakuler, sand (strengt tatt heter det subbus når den har så store korn i seg) og betongheller av typen Herregård (fint skal det være).

Lecakuler, sand (strengt tatt heter det subbus når den har så store korn i seg) og betongheller av typen Herregård.


4 kommentarer

Stephen Taber og telehivmysteriet

Det skjer hvert år: Våren kommer, og avisene skriver om nye veiprosjekter som er ødelagt av telehiv.

Når vann fryser til is nede i bakken blir noen gang overflaten presset oppover, og det er dette vi kaller telehiv. Gjengs oppfatning er at dette skjer fordi at vann utvider seg når det fryser, sånn som vi kan oppleve om vi legger en full flaske i fryseboksen og den sprekker.

Men, hold dere fast: Dette er (nesten aldri) årsaken til telehiv! Flaska i fryseboksen sprenger ikke om du ikke har satt på korken. Vannet nede i jorda er heller ikke spesielt innestengt. Når det fryser og utvider seg, kan det vannet som blir til overs dyttes nedover i jorda. Dessuten så utvider vannet seg med ni prosent når det fryser, mens «hivet» som forårsakes av telen kan bli mye større enn dette skulle tilsi.

For å rette opp i denne misforståelsen kommer nå et innlegg i kategorien Gammel Forskning.

Stephen Taber II

Stephen Taber II

For 101 år siden, i 1912, fikk den unge Dr. Stephen Taber II stillingen som professor ved institutt for geologi og mineralogi ved universitetet i South Carolina. Siden han var eneste professor ved instituttet kunne han gjøre omtrent som han ville.

Stephen Taber hadde lagt merke til tidligere forskning som så ut til å vise at is var i stand til å løfte opp overflaten mye mer enn de ni prosentene utvidelse skulle tilsi. Han var forbløffet over at dette ikke hadde vagt mer oppsikt, og fikk lyst til å studere dette i mer detalj. De første, lovende eksperimentene fikk han gjort noen kalde netter vinteren 1914-1915. Det var imidlertid vanskelig å være avhengig av været for å gjøre eksperimenter, så han la studiet på hylla for noen år. Gjennombruddet kom i 1927. Som han skriver i artikkelen sin:

«In March, 1927, a suitable low-temperature apparatus was placed at my disposal by Mr. E.W. Allen,  district manager of the Frigidaire Corporation, and I began an investigation to determine the factors involved in excessive and differential frost heaving.»

Professoren lagde sylindere av papp, som han dyttet fulle av leire. På innsiden av pappen hadde han smurt parafin så de skulle være vanntette. De var åpne i bunn, og han plasserte dem på et lag med sand nederst i fryseboksen. Så helte han på vann så både leiren av sanda ble helt gjennomvåte. Plassen mellom sylindrene fylte han med tørr sand. Siden kjøleelementene i fryseboksen var på toppen, ville dette være ganske likt sånn som det er i virkeligheten når jord fryser. Da er det jo også kaldest øverst.

Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.

Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.

Øverst på sylindrene plasserte han forskjellige lodd: av tre, av jern eller begge deler. Det gjorde han fordi han lurte på både hvor mye vekten på toppen ville ha å si, og hva som ville være effekten av temperaturen på toppen av sylinderen. Treloddet er selvfølgelig lettest, mens metall leder varme bedre, så sylinderen med bare jernloddet vil være kaldest oppå.

Hva skjedde?

Alle loddene ble løftet oppover. Det som ble løftet aller mest var ikke det lette treloddet, men det tunge jernloddet! Det betyr at det ikke er vekten, men temperaturen som har mest å si. Jernet klarer å flytte bort mer av varmen fra vannet, så det greier å danne mer is. Med et trelodd oppå får varmen mye motstand for å komme seg bort, og det bremser på frysingen. Det som løftet seg minst var kombinasjonen tre + jern. Her er det vanskelig å få bort varmen, og i tillegg er det en stor vekt som må løftes opp. Det betyr altså at vekten også har noe å si.

Taber noterte også hvor mye loddene ble løftet i forhold til hvor langt ned sylindrene hadde fryst (ratio of uplift to depth of freezing). Om det bare var vannet som satt der fra før som hadde blitt til is, så burde dette bli omtrent ni prosent, eller 0,09. Det han målte var mye mer, rundt 40 prosent.

Det betyr at vann har flyttet seg fra et annet sted og til der hvor isen ble dannet. Det eneste vannet som var tilgjengelig var i den varmere delen av sylinderen under isen, og i sanden nedenfor. Fryseprosessen har altså trukket vannet oppover!

Det minner vel litt om disse trærne jeg snakket om? Helt riktig, vi er tilbake til kapillærkrefter og overflater. Leire (og silt, som bare er litt mer grovkornet) består av bittesmå mineralkorn, med overflater som elsker vann. Siden plassen mellom kornene er så liten, er det vanskelig for vannet både å lage bobler og å fryse til is. Derfor kan temperaturen komme godt under null før vannet begynner å fryse.

Selv om noe av vannet har frosset til is, er ikke mineraloverflatene spesielt lystne på å gi slipp på det flytende vannet sitt. Frosset is og mineraloverflater går nemlig ikke spesielt godt overens. Derfor vil det fortsette å være flytende vann mellom iskrystallen og leirkornene. Når en iskrystall først er dannet, vil det oppstå en liten konflikt: Vannet på isen vil fryse, men isen vil ha et flytende lag rundt seg. Dette gjør at når litt av vannet rundt isen fryser til, skapes et undertrykk som suger vann opp til der hvor det fryser.

Ganske likt det som skjer i trærne. Der brukes litt av vannet opp til fordampning, og nytt vann må suges opp. I jorda brukes noe av vannet opp til å lage is, og nytt vann må suges opp nedenifra.

Dette er også grunnen til at isen ikke er gjevnt fordelt i leira, men legger seg lagvis nedover. Har man først begynt å lage is ett sted er det nemlig mye lettere å fortsette å fryse på den enn å lage ny is et annet sted. Derfor suges vann opp til en islinse til det har blitt kaldt nok et stykke lengre ned til å starte en ny linse der. Taber viser fram et stykke frossen vei han har fått av en kamerat i veibransjen, for å demonstrere at det er det samme som skjer i virkelig telehiv:

Frossen veibit, 1929.

Frossen veibit, 1929.

Noen ganger kan sugekreftene i vann som fryser føre til ganske enorme formasjoner, som disse pingoene.

(om noen vil lese mer, ligger Tabers originale artikkel her)


6 kommentarer

Overflater som elsker vann. Å drives oppover av kjærlighet

Etter gårsdagens innlegg om trær fikk jeg dette spørsmålet:

«Hvordan får Redwoodtreet sugd vannet helt opp på toppen da? Har de det bare helt grusomt de molekylene på toppen? »

Jeg skulle vel ha sett det komme. Jeg tok det ikke med i gårsdagens historie fordi jeg ikke greide å finne en god måte å forklare det på. Men nå skal jeg gjøre et forsøk.

Det er med stoffer som med mennesker – noen går godt overens, og noen gjør det absolutt ikke.

Vannet er en sånn type som andre har sterke meninger om. Det finnes noen overflater som hater vann, og noen som elsker det.

Glass er en av dem som elsker vann. Har du noen gang tatt en blodprøve der de har brukt et lite glassrør til å suge opp blodet med? Selv om røret peker oppover, så forsvinner blodet (som stort sett består av vann) inn i røret helt av seg selv.

Dette er det som skjer: Den nederste biten av røret kommer i kontakt med bloddråpen, og vannmolekylene kommer i kontakt med glasset.

«Dette var jammen flott», sier glasset der nederst. «Se her, dere. Vi får sitte her inntil vannet istedenfor å bare ha den kjedelige lufta å henge med.»

Vannmolekylene virrer litt rundt, som molekyler gjør. Noen ganger tar et av molekylene som sitter øverst oppe på glasset et ekstra stort skritt oppover. Da holder glasset så godt fast på det at vannet ikke kommer seg ned igjen. Sånn kryper vannet i gjevnt tempo oppover glassflaten.

På utsiden av røret blir det etterhvert veldig tungt å krype oppover, fordi vannet må dra hele den store vannoverflaten etter seg – som å klatre opp en fjellside samtidig som man løfter et enormt teppe opp fra bakken. Derfor kommer ikke vannflaten så veldig langt opp før det blir nødt til å stoppe. Inni det lille røret, derimot, hjelper glasset på alle kantene med på å dra det lille runde overflateteppet oppover. Jo mindre røret er, jo lettere er det å komme høyt opp.

Inne i bladene på et tre er det noen bitte, bitte små rør. Det er her de lange sugerørene i trestammen ender opp. Disse små rørene er så trangeat de bare har plass til noen få vannmolekyler i bredden. Innsiden av røret elsker vann minst like mye som det glass gjør, og siden nesten alle vannmolekylene inne røret får sitte og kose med røroverflaten, er det nesten ingen grenser for hvor høyt de kan greie å klatre. Selv strevet med å trekke 100 meter vann opp bak seg er det verdt.

Dette bildet har jeg stjålet fra hydrologie.org. Et fint eksempel på at vann i trange rør kryper høyest.

Dette bildet har jeg stjålet fra hydrologie.org. Et fint eksempel på at vann i trange rør kryper høyest.

(om dette hørtes i overkant fjasete ut, så kan jeg forsikre om at det er vitenskapelig fundert. Riktig fagterminologi for disse overflatene er hydrofile, vann-elskende, og hydrofobe, vann-hatende.)