37 water i glass

Inledning

Richard Feynman´s ID.

Richard Feynman.

Problemet jag har valt att fördjupa mig i är ett fysik problem som handlar om tryckkrafter och till viss del kemi med lära om attraktionskraft mellan atomer. Experimentet eller problemet går ut på att du har ett glas med vatten som står upp och ned vänt mot ett bord utan att vattnet rinner ut. Hur ska du få bort glaset utan att det kommer vatten överallt?

Boken beskriver problemet som följande: ”I noticed that they were always in a hurry, rushing around, so one day, just for fun, I left my tip, which was usually ten cents (normal for those days), in two nickels, under two glasses: I filled each glass to the very top, dropped a nickel in, and with a card over it, turned it over so it was upside down on the table. Then I slipped out the card (no water leaks out because no air can come in--the rim is too close to the table for that). I put the tip under two glasses because I knew they were always in a hurry. If the tip was a dime in one glass, the waitress, in her haste to get the table ready for the next customer, would pick up the glass, the water would spill out, and that would be the end of it. But after she does that with the first glass, what the hell is she going to do with the second one? She can't just have the nerve to lift it up now!”¹

Problemlösning

Förklarande bild om Dipol.

Ytspänning in action.

Förklarande bild om Ytspänning.

Bild på Vidhäftning.

För att lösa detta problem med upp och ned vända vattenglasen krävs det faktiskt inte speciellt mycket kunskap, det är mer användbart med smart tänkande än fysikförståelse. Lösningen på detta problem är endast att dra glaset sakta över bordskanten och låta vattnet rinna ned i en soppskål eller liknande. Vägen till den iden kan givetvis bli enklare om du har en förståelse för att tryckt från bordet håller uppe vattnet från att rinna ut. När du då drar glaset över kanten lättar trycket och vattnet rinner ut i skålen. Om du däremot vill få en djupare inblick i själva fysiken bakom experimentet så krävs det lite djupare kunskaper än så, nämligen kunskaper om tryck ytspänning och vidhäftning.²

Tryck

Hela experimentet bygger på att det finns ett tryck som trycker mot kortet, vilket är atmosfärstrycket eller de små luftmolekylerna runt omkring oss kolliderar slumpmässigt med botten av kortet. Detta tryck håller upp kortet och motverkar det från att ramla ner. Varför trycker inte vikten av vattnet ner kortet? är inte vikten av vattnet tillräckligt stor för att övervinna lufttrycket som håller upp kortet? Om man tittar på toppen av glaset (tidigare botten), kommer du att märka en liten luftficka. Egentligen finns det inte mycket möjlighet för luft att komma in i det utrymmet, vilket gör att vi har skapat en liten ficka av lågtryck (en plats där det inte är speciellt många luftmolekyler). Det finns flera luftmolekyler som trycker upp mot botten av kortet vilket skapar ett högre tryckområde utanför glaset jämfört med tryckområdet inne i luftfickan i glaset. Kraften från lufttrycket håller upp kortet och lågtryckszonen i glaset förhindrar vattnets vikt från att trycka ned kortet.³

Ytspänning och Vidhäftning

Detta är en förklaring till varför detta fungerar men det finns ytterligare en bidragande faktor. Den andra förklaringen i detta experiment är ytspänning och vidhäftning. Ytspänning skapas av hur vattenmolekylerna orienterar sig. Eftersom syreatomen stjäl elektroner från väteatomerna i en vattenmolekyl, blir vattenmolekylerna dipoler, i detta fall en molekyl som har en positiv ände och en negativ ände. Om du tänker på varje vattenmolekyl som det är en liten magnet, där liknande laddningar stöter ifrån varandra och till skillnad från elektroner som attraherar. Du kommer då att se att det finns en liten attraktionskraft mellan varje vattenmolekyl. Denna kraft är ansvarig för ytspänning, där vattenmolekylen hålls på plats genom denna attraherande kraft, vilket skapar ett resårliknande ytskikt. Vidhäftning beror på att vattenmolekyler precis som i ytspänning, har positiva och negativa ändar också dras till andra material och inte bara mellan molekylerna. I experimentet som du gjort är det vattenmolekylerna som dras till tidningen samtidigt som man fortsätter att hålla ytspänningen med den andra vattenmolekylen. Tekniskt sett är det samma sak som ytspänning men det har fått ett annat namn när det även attraherar utomstående material som inte är vattenmolekyler. ⁴

Sammanfattningsvis ser vi att kortet inte faller ned på grund av skillnaden i tryck och den glider inte av på grund av ytspänning och vidhäftning. Det kan se ut som magi, men det är egentligen bara vetenskap.

Hur påverkar det oss?

Det kan vara svårt att tro men vi människor har faktiskt påverkats av detta fysiska fenomen i en relativt stor utsträckning. Detta experiment handlar om olika tryck, det vill säga under och övertryck i kombination med ytspänning. Momentet som handlar om tryck gör att detta experiments fysik har så pass stort inflytande på oss människor att vi till och med blivit beroende utav tryckläran. Det är en rad olika användningsområden så som hydrauliska pumpar och bromsar, vapen, vakuum, person och lastbilar, byggnadskonstruktioner, ventilationssystem, hälsoperspektiv, listan kan byggas hur lång som helst. Olika typer av tryck har olika användningsområden och några av de vanligare typerna är vätsketryck; negativa tryck så som vakuum; ytspänning; gastryck och ångtryck. Ett tryck är ett mått på hur mycket kraft en specifik area utsätts för, det vill säga P=F/A.⁵

Vätsketrycket är det tryck som uppstår vid en speciell punkt i en vätska som tillexempel vatten. När en person simmar under vattnet verkar vattentrycket på personens trumhinnor. Ju djupare denna person simmar, desto större tryck uppstår. Trycket varierar på grund av vikten av vattnet ovanför personen. Om någon simmar djupare finns det alltså mer vatten ovanför den personen och därmed ett större tryck. Vätsketrycket beror också på densiteten av vätskan. Om någon var nedsänkt i en vätska med högre densitet än vatten skulle trycket vara märkbart större. Trycket en vätska utövar beror sammanfattningsvis på dess densitet och vilket djup objektet befinner sig på och kan beräknas med följande formel: P=ρ•g•h. Trycket en vätska utövar mot sidorna och botten av en behållare beror på densiteten av vätskan och djupet på behållaren. Om lufttrycket är eftersatt så är vätsketrycket mot botten dubbelt så stor med dubbla djupet; vid tre gånger djupet är vätsketrycket trefaldigt etc. Eller, om vätskan är två eller tre gånger så tät, det vill säga högre densitet är vätsketrycket i motsvarande två eller tre gånger så stor för varje givet djup. Vätskor som praktiskt taget inte går att komprimera, det vill säga att deras volym knappat ändras genom tryckförändring (vattenvolymen minskar med endast 50 miljondelar av den ursprungliga volymen för varje atmosfärstryckökning). Således, med undantag för små förändringar som produceras av temperatur så är densiteten hos en viss vätska praktiskt taget densamma på alla djup.^{6, 7}

Användning vätsketryck

Förklaring på hur en hydraulisk pump fungerar.

Detta kan tyckas vara en ganska onödig funktion men tänker du efter så är det faktiskt ganska viktigt vid tillverkning utav alla typer av behållare. Utan detta skulle en behållare, exempelvis en simbassäng kunna kollapsa eller så skulle det finas risk för att kanterna skulle ramla isär. Ett scenario som skulle vara mindre kul om behållaren var ett akvarium i ditt eget vardagsrum. Vätsketrycket har gjort så att vi idag kan använda hydrauliska pumpar och maskiner som underlättar vår vardag och underlättar en rad olika behov. Det började med grävmaskinen sedan kom en våg men andra maskiner så som anläggningsmaskiner, skogsmaskiner, jordbruksmaskiner, bergborraggregat, mobilkranar m.fl. maskintyper. Hydrauliken har inneburit en revolution för tillverkare av mobila maskinutrustningar genom möjligheten att enkelt kunna överföra stora effekter med hög verkningsgrad från en central kraftkälla till distribuerade förbrukare kombinerat med möjligheten till steglöst ställbar hydrostatisk kraft- och momentutväxling i energiöverföringen. En hydraulisk pump kan används för att lyfta en bil tack vara att en liten kraft F appliceras till ett litet område en av en rörlig kolv den skapar ett tryck P = F / A. Detta tryck överförs till och verkar på en större rörlig kolv som sedan används för att lyfta upp bilen. Detta går att beräkna med något som heter Pascals princip som kommer att förklaras i en bild bredvid denna text.

Användning av tryck i allmänhet

Konstruktionsarbete

Det har lett till att all typ av konstruktionsbygge nu mera är möjligt i och med att alla material har en bristningsgräns som ofta mäts med tryck har denna lära om tryck gjort det möjligt för människor att bygga stora skyskrapor i USA till att beräkna tjockleken på balkar så att ett tack i Sverige håller för snömängderna. Mycket konstruktionsarbete har med andra ord blivit möjligt tack vare läran om tryck. Detta är ju något positivt för oss människor då vi kan känna oss trygga i våra bostäder där taket istället kanske skulle rasat in under en kraftig vinter om vi inte visste något om trycket som kan uppstå på tak.

Hälsa

Vi har även tack vare läran om tryck fått bättre och lättare hälsa samt hälsokontroll inom sjukvården. Idag kan vi dra en snabb slutsats om kroppens allmänna tillstånd med ett enkelt blodtryck, som du förövrigt kan göra hemma. Något som man sedan kan utgå ifrån för att bedöma om man bör ändra på några matvanor eller andra hälsorelaterade punkter. Något som bidrar till en bättre allmänhälsa för många personer just för att det är så enkelt att kolla upp ett blodtryck. Läran om tryck har även möjliggjort det levnadssättet människan hr idag. Det är inte bara en del i en säker byggnadsprocess utan det är också bidragit till att vi har fungerande ventilation i våra byggnader. Något som leder till att vi faktiskt kan använda våra byggnader längre perioder och samtidigt hålla värmen i huset när det är kallt ute. Det gör även att elever och lärare på skolor för ny fräsch syrerik luft så de orkar arbeta fokuserat och driva Sveriges utveckling framåt. Detta är ett scenario som inte skulle vara möjligt att genomföra inomhus utan ventilations system.

Kärnkraft

Graf som visar förhållandet mellan tryck och vattens kokpunkt.

Graf som visar förhållande mellan tryck och kokpunkt för olika ämnen.

Ångtryck eller jämvikts ångtryck definieras som det tryck som utövas av en ånga i termodynamisk jämvikt med dess kondenserade faser (fast eller flytande) vid en given temperatur i ett slutet system. Jämvikts ångtryck är även en indikation på en vätskas avdunstningshastighet. Man kan säga att det är sannolikheten partiklarna har att fly från vätskan (eller ett fast ämne) som utgör ångtrycket. Ett ämne med högt ångtryck vid normala temperaturer är ofta kallad instabil. Ångtrycket hos ämnen ökar icke-linjärt med temperaturen Celsius. Kokpunkten för en vätska i normalt lufttryck (även känt som den normala kokpunkten) är den temperatur som krävs för att ångtrycket i vätskan ska vara lika med det omgivande lufttrycket. Med vidare ökning av denna temperatur blir ångtrycket tillräckligt för att övervinna lufttrycket och lyfter vätska med den varma luften som bildas i ångbubblor i substansen. Bubbelbildning djupare i vätskan kräver ett högre tryck och därmed högre temperatur eftersom vätsketrycket ökar när djupet ökar.⁸

Denna tryckkunskap är däremot väldigt viktig för människorna i alla möjliga delar av världen för det är så att utan denna kunskap skulle vi inte ha de effektiva kärnkraftreaktorer vi har idag. Utan kunskapen om att kokpunkten ökar när trycket ökar skulle våra kärnkraftsreaktorer med största sannolikhet leda till härdsmälta i samtliga reaktorer eftersom vattnet i bassängerna skulle koka bort helt okontrollerat. Det i sin tur skulle leda till en extrem miljö och hälsokatastrof med radioaktiva människor, djur och växter troligtvis skulle dö ut. Platsen vid katastrofen skulle bli obebodd på grund av den massiva radioaktiviteten som utsöndras vid en härdsmälta. Och vi idag skulle heller inte ha tillräckligt med elektricitet till dagens teknikberoende samhälle om det var så att de effektiva kärnreaktorerna inte funnits. Det skulle lett till att Sverige inte skulle stå där de gör idag med ett så pass välutvecklat och välfungerande land som det är idag. Vattenkraften skulle givetvis kunna ta över med det kräver mycket plats, låter mycket, förstör sin omgivning och vattendrag och är inte i närheten av den effektiviteten en kärnreaktor har.

Källkritik

Första källan: http://www.math.ucsb.edu/ugrad/fluid.pdf

Denna källa anses enligt mig trovärdig redan vid första ögonblicket jag såg den. Detta mycket eftersom länken går till utdrag ur en lärobok som används på Math Department avdelningen på Univerity of Carlifornia i USA. Som vanligt när det gäller böcker i allmänhet men framförallt läroböcker som blivit publicerade så gör en noggrann koll för att se så allt material är fullt korrekt innan slut publicering, något som definitivt stärker dess trovärdighet. Bokförlaget som ger ut boken (Pearson Education, inc) är speciellt inriktade på läroböcker och utför även egen forskning inom olika områden. Boken i sig innehåller en del mer avancerade uträkningar och beskrivningar vilket även det oftast tyder på att informationen har kontrollerats en extra gång så att uträkningarna stämmer och där med eliminerat falsk information i ytterligare ett steg. Denna bok är dock publicerade år 2006 men sådan information som framgår, det vill säga mestadels formler på olika tryck samt beräkningsexempel påverkas inte inom loppen av 8 år med tanke på att dessa formler redan har bevarats i massvis med år långt innan 2006.

Andra källan: http://www.mne.psu.edu/cimbala/Learning/Fluid/Pressure/pressure_basics.htm

Denna källan verkar vid en första anblick ha väldigt låg trovärdighet. Hemsidan är tråkigt gjord med suddiga bilder på uträkningar och en bakgrund som gör det jobbigt att läsa. Källan anger heller inte vem som skrivit informationen eller vad han/hon tagit informationen som framförs ifrån, vilket kan ge en syn på att personen i fråga försöker dölja sin närvaro ifall det skulle vara så att någon skulle upptäcka ett fel. Något som den däremot har med är högklassiga och mycket avancerade uträkningar inom diverse problem som rör tryck beräkningar, något som är ett plus för dess trovärdighet. Följer vi denna underdomän så kommer vi in till en sida som tillhör ett så kallat Department (grupp/organisation) tillhörande Penn State University. Den gruppen är specialiserad inom mekanisk och nukleär ingenjörskonst och inom det ämnet läses även vätskevetenskap vilket innebär att högklassiga tryckberäkningar är relevante för deras forskning. En grupp som arbetar med någon form av specialinriktning på ett universitet är enligt mig en väldigt tillförlitlig källa. I början känns det väldigt oseriöst men när du sedan kollar upp ursprunget på informationen inser du ganska snabbt att detta är information från personer som är kunniga inom ämnet och jag anser därför denna även denna källa som trovärdig.

Källor och Referenser

1. http://ubuntuone.com/11GOK2yGKGxmPNpZ0vMPrj (Hämtad 11/5 -2014)
2. http://ubuntuone.com/11GOK2yGKGxmPNpZ0vMPrj (Hämtad 11/5 -2014)
3. http://www.physicscentral.com/experiment/physicsathome/magicwaterglass.cfm (Hämtad 11/5 -2014)
4. http://www.physicscentral.com/experiment/physicsathome/magicwaterglass.cfm (Hämtad 11/5 -2014)
5. http://faculty.wwu.edu/vawter/PhysicsNet/Topics/Pressure/HydroStatic.html (Hämtad 11/5 -2014)
6. http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/WindTunnel/Activities/fluid_pressure.html (Hämtad 11/5 -2014)
7. http://www.math.ucsb.edu/ugrad/fluid.pdf (Hämtad 11/5 -2014)
8. http://www.chem.purdue.edu/gchelp/liquids/vpress.html (Hämtad 11/5 -2014)
9. http://www.mne.psu.edu/cimbala/Learning/Fluid/Pressure/pressure_basics.htm (Hämtad 11/5 -2014)