Bølger

Har du noen gang sittet og kastet småstein i stille vann og forsøkt å følge enkelte bølgetopper med blikket ? Det er ikke lett. Det ser ut som de alltid forsvinner eller blir avløst av andre bølgetopper. Og det gjør de også. Når du hiver steinen starter du et bølgetog som forplanter seg utover i en ring. Men toget går langsommere enn de enkelte bølgene det består av slik at hver bølgetopp som havner forrest i toget forsvinner mens det hele tiden blir skapt nye bølger bak i toget. Derfor blir det umulig å følge en enkelt bølgekam, den lever rett og slett ikke sålenge. Noe tilsvarende kan man se på havet når man er ute i båt: Bølgene er ikke konstante, de skifter stadig form og størrelse. Dette henger sammen med at lange bølger beveger seg fortere enn korte bølger. Når bølgene derfor tar hverandre igjen legger de seg oppå hverandre. Det fører det til at de skifter form, og at det også her blir umulig å identifisere en yndlingsbølge. Den vil alltid forsvinne igjen. For mennesket er bølger på vann en gammel kjenning. Vi har sett på dem siden tidenes morgen, og de er behagelig å hvile blikket på, akkurat som flammene i et bål. Det er kanskje derfor det kjennes skuffende å se filmatiserte skipbrudd eller stormfylte hav der bølgene har sitt egentlige opphav i et badekar med en leketøys båt. Det ser ikke ekte ut. Og grunnen til det er at småbølger som vises i sakte film rett og slett ikke oppfører seg som ordentlige, store bølger. Uansett hvordan du herjer med en leketøys båt i et kar er det umulig å få vannet til å bevege seg som rundt et virkelig skip i storm. Matematisk fysikk viser hvilke tall og egenskaper ved væskens strømning som gjør at det ene ikke er likt det andre. Men summen av alle detaljene som skaper et naturtro og bevegelig bilde av en stor bølge har ennå ikke kommet ut av en computer.

Fra pulvere til steinskred

De fleste som har hatt fysikk på gymnaset har lært om de tre aggregat tilstander: gass, væske og fast stoff. Vi lærte at dette var materiens måte å opptre på, enten som det ene eller andre. Gass fyller en beholder helt i alle kriker og kroker, væsker bare så langt volumet rekker, og faste stoffer, ja de beholder jo sin form selv om man dytter litt på dem.

Dette har vi lært en gang. Derfor er det overraskende å finne hverdags eksempler rundt omkring oss på alle kanter som ikke passer inn i disse selvfølgelige sjablongene:

Sand, korn og all slags pulvere---det som med en samlebetegnelse heter granulære medier---passer ikke inn, eller, de passer inn i alle tre sjablongene samtidig. Hvis du rister påen beholder med korn fyller den betingelsene for å klassifiseres som en gass. Heller du kornene langsomt ut strømmer de som en væske, og hvis du etterlater dem i en haug kan den anta former som slett ikke flyter ut som en væske, den oppfører seg som et fast stoff.

Granulær strømning kalles det når det er korn av en eller annen størrelse i stedet for en væske som strømmer. Nylig døde to bønder i Buskerud i et forsøk på å få orden på den granulære strømningen ut av siloene sine.

Problemet er at korn ikke strømmer likt hver gang man åpner slusen i bunn av siloen, strømningen avhenger av hva som har skjedd i forkant. Noen ganger låser det seg og alt kornet som er igjen i siloen oppfører seg som et stor fast blokk. Når man såforsøker å gjøre noe med det kan denne tilstanden brått gå over. Derfor kommer det av og tilpasse mye, av og til ingen ting og av og til alt på en gang. Og det kan ha fatale konsekvenser.

Mens de grunnleggende lovene for strømning av væsker har vært kjent i over 100 år har vi først de siste par tiårene begynt å forstå hvordan granulære medier strømmer. Det vil gjøre oss bedre i stand til å forstå jord-, stein og snøras, hvorfor siloer og kornbeholdere har en tendens til å bryte sammen og hvordan sanddyner flytter på seg.

Pulver som flyter:

Når finkornet pulver blir ristet kraftig så vil det fanges luft i pulveret. Denne luften vil ikke unnslippe med en gang fordi det tar tid for luften å strømme ut av pulveret. Pulveret vil da kunne begynne å flyte og skvulpe som en væske. Du kan selv sjekke dette ved å ha et fint pulver i en flaske og riste flasken kraftig. Rett etter at du har sluttet å riste flasken vil du se at pulveret fortsetter å skvulpe en tid før luften trenger ut av pulveret. Denne effekten er av stor praktisk betydning. For eksempel så begynte sementpulver å flyte på en tysk sementfabrikk. Flere tonn sement fløt ut på fabrikkområdet. Like etterpå begynte det å regne.

Tørre fotavtrykk på våt sandstrand:

De aller fleste materialer er slik at de blir mindre, det vil si komprimeres når en klemmer på dem. Et granulært materiale derimot vil utvide seg når du klemmer på det. Du har sikkert observert at når du går på våt sand, så blir fotavtrykkene etter deg "tørre". Dette skyldes at sanden utvider seg når du går på den.

(bilde)

Denne effekten kan enkelt demonstreres med et lite eksperiment hvor en klemmer på en ballong fylt med sand og vann.

Når en klemmer på ballongen vil vannet gå nedover i stigerøret, dvs inn i ballongen. Før en klemmer på ballongen vil sandpartiklene ligge så tett som mulig. Når en klemmer på ballongen så vil partiklene tvinges til å bevege seg i forhold til sine nabo partikler. Dette kan bare gjøres ved at det dannes mere rom mellom partiklene, dvs at sanden utvider seg.

Hvorfor blir trær høyere enn 10 meter?

Gjør man det begynner vannet å koke et sted underveis til 10 meter merket og alt man får med seg til topps er vanndamp.

Det er ikke det som skjer i et tre. Treets hemmelighet er at vannets strømningsvei opp til bladene er veldig smal og trang. Da blir kreftene som motsetter seg bobledannelse i vannet veldig store, og dampbobler vil rettog slett ikke overleve. Når så vannet fordamper fra et blad høyt oppe i toppen av et 20 meters eiketre må vannet følge på helt nede fra roten. Ved slike høydeforskjeller kan transporten av vannet bare forstås ved at det er strekk-krefter i vannet, på samme måten som i et tau. Det er ikke slik vi er vant til å tenke på vann. Men dypp fingeren i et vann glass og du vil se at det henger en dråpe fra den. Vannmolekylene trekker på hverandre og holder hverandre på plass, det er derfor de danner en væske og ikke farer fritt omkring som gass molekyler gjør.

Det er mulig å få en binders til å flyte påvannet i et glass---ikke fordi jern er lettere enn vann, men fordi bindersen hviler på overflate spenningen. Hadde det ikke vært for at overflaten påvannet er akkurat like sterk og like fleksibel uansett hvor mye den tøyes kunne den sammenlignes med et spent trommeskinn. Hvorfor er den der? Kunne ikke bare vannet sluttet der lufta begynte uten videre komplikasjoner og vanskeligheter? Grunnen er at vann består av molekyler som tiltrekker hverandre. Der de tiltrekkes omtrent like mye i alle retninger, slik som nedi vannet, merkes ikke dette så mye. Men på overflaten vil et vannmolekyl dras i alle retninger bortsett fra ut i lufta. Virkningen er at kreftene mellom vannmolekylene forsøker å få molekylene på plass slik at det blir minst mulig overflate mot lufta. Bindersen som kommer og dytter overflaten ned forsøker ågjøre det motsatte, nemlig å øke overflaten. Derfor svarer overflaten med å dytte tilbake.

Det samme gjelder overflaten mellom olje eller fett og vann. Dersom oljen sitter på en stekepanne for eksempel vil overflatespenningen dessuten føre til at oljedråper blir værende der de er. Derfor bruker vi såpe i oppvasken. Såpe består av spesielle molekyler. Disse såpemolekylene har en ende som tiltrekkes av vann og en ende som frastøtes. Derfor har de det med å finne seg til rette på overflaten av vannet, enten mot lufta eller fett og olje og slikt. Der får de stukket den ene enden i vann mens den andre får være i noe annet. Og såpemolekylene reduserer overflatespenningen slik at fettet eller oljen løsner. Dersom du slipper bare et lite såpekorn i vannglasset med bindersen, synker den straks.

Det er nettopp evnen til å samle seg akkurat på overflatene som gjør at du trenger ganske lite såpe per oppvask. Den smøres ut i lag som ikke er tykkere enn et molekyl. Dersom du kunne smøre maling ut så tynt ville du kunne tøye en liter til en kvadrat kilometer, dvs. at du kunne male hele Oslo sentrum med et spann maling.

Aerogeler er spinkle, åpne og dermed meget lette, materialer som er tørket slik at skjellettet (strukturen) består. Aerogeler er mer enn 90% luft, og de egner seg derfor utmerket som isolasjonsmaterialer i hus for eksempel. Porestørrelsen i aerogeler er slik at lys spres på den samme måten fra dem slik som lys spres av jordatmosfæren. Aerogeler ser blå ut sett fra siden av en lyskilde, mens de er røde sett mot en lyskilde, slik som himmelen er blå mens solnedgangen er rød. Dette kalles Rayleigh spredning av lys, og er også grunnen til at skummet melk er blålig.

Sukkerbiter, kaffetraktere og grunnvannet på Gardemoen:

Stikker du en sukkerbit nedi kaffen, stiger kaffen opp og gjør hele sukkerbiten våt. Selv om du ikke kan se gjennom en sukkerbit finnes det smale veier som kaffen kan strømme gjennom. Og det gjør den gjerne, for overflatespenningen virker slik at den trekker kaffen etter seg gjennom sukkerbiten. Et tilsvarende fenomen finner sted når du lager kaffen i en kaffetrakter. Vannet finner veien gjennom og tar med seg smaken av kaffe underveis.

Fullt så enkelt er det ikke når regnvann og annet vann finner veien ned igjennom bakken til grunnvannet. På Gardemoen ligger dette grunnvannet ca. 5 meter nede. Der er det sand, og alt mellomrommet mellom sandkornene er fylt med vann. Over grunnvannet er det sand, luft og noe vann. Når flyene tar av om vinteren driver det en god slump avisningsvæske fra flykroppen og vingene. Derfor finnes det underjordiske membraner påhver side av rullebanen som samler opp avisningsvæsken og fører den inn i renseanlegg. Men hva når disse overbelastes, eller når avisningsvæsken finner veien ned i bakken hvor regnvann bidrar til å skylle den ned? Da blir spørsmålet hvor lang eller langsom veien ned til grunnvannet er. Hadde jorden trengt å bli gjennomvåt, slik som sukkerbiten, før avisningsvæsken kom igjennom, hadde væsken brukt ganske lang tid---faktisk sålang tid at bakterier og kjemiske prosesser hadde tatt hånd om mye av forurensingen. Men slik er det ikke. Vannet velger selv ganske smale strømningsveier nedover. Der det er litt vått allerede, vil vannet lett strømme og gjøre det enda våtere. Det er noe alle vet som har forsøkt å tørke opp noe fra gulvet med enn tørr klut. Først når gulvkluten er litt fuktig begynner den å absorbere. Derfor er det vanskelig å forutsi akkurat hvor fort avisningsvæske og annen forurensning når grunnvannet. For ikke bare vil væsken definere sine egne veier, som katten hos Kipling, den vil og strømme langs alle mulige veier som planterøtter og lag av litt grovere eller finere sand som finnes der fra før, og som vi ikke vet om.

Fraktaler, fjell og fjorder

Dersom du hadde lopper og loppene dine igjen hadde lopper, som hadde lopper, som hadde lopper osv. ville du ha å gjøre med en fraktal. Dersom hver generasjon lopper ble suksessivt mindre ville silhuetten din kunne forstørres igjen og igjen og stadig ville man kunne se mindre lopper. Dersom man fant på å spørre hva er den typiske strørrelsen på detaljene i bildet?, ville man bli svar skyldig. For hver forstørrelse ville gi nye bidrag av stadig mindre lopper.

Det samme kan sies om norskekysten. Spør man etter lengden på denne kan man bare begynne å måle. Jo finere kartskala man bruker jo flere ujevnheter ville man avdekke, og det ville fortsette helt til man krøp langs fjæresteinene med linjal! Og stadig ville man finne flere ujevnheter, og stadig ville måleresultatet bli lenger. Slik er det også med horisonten som defineres av en fjellkjede eller en cumulus-sky, eller for den saks skyld, en blomkål. Selvfølgelig kan man ikke fortsette å forfine målingene i det uendelige, men for mange naturlige ting kan man drive på en god stund uten å finne en lengdeskala som er den endelige. De er fraktale innenfor et visst område.

Men mange ting er slett ikke fraktale. Det er intet fraktalt ved omkretsen av en bok, lengden av et tog eller overflaten til en vanndråpe. Boka, toget eller dråpen har alle sine bestemte lengder som de eksisterer på. I en viss forstand er fraktaler bare det høyst naturlige og allestedsnærværende uttrykk for at mange ting mangler en bestemt lengdeskala.

Fysiske fenomener i leire

Hvordan kan noe (som for eksempel en leirebit) være fast, eller flyte bare med en myk berøring av en hånd? Den detaljerte fysikken som er bakenfor og som kontrollerer slik innebygd tosidighet, det vil si tilsynelatende flytende og fast samtidig, er ikke forstått, ikke bare i leirer, men også i mange andre materialer.

Leire brukes i dag til for eksempel bygningsmaterialer, keramikk, til endring av flytegenskaper i produkter som maling, kosmetikk, rengjøringsmiddler og såvidere, leire settes til i papir, og kontroll av stabiliteten til leire er viktig i sammenhenger som oljeboring og forebygging av leirras.

Inntil nylig har ikke fysikerne betraktet leire som et "interessant og tilgjengelig" eksperimentelt og teoretisk fysisk system å forstå, men med muligheten som nå finnes for laboratoriestudeier av ren syntetisk leire, har dette endret seg, og det finnes nå en voksende vitenskapelig aktivitet for å knytte leire til moderne materialvitenskap, og til den omfattende fysikken forbundet andre komplekse myke materialer, slik som for eksempel mange matvarer, skum, biologiske materialer og væske-krystaller.

Væske-krystaller er materialene som brukes i skjermer blandt annet i bærbare PC'er, og slike væske-krystall materialer er et godt eksempel på hvordan kompleks fysikk kan overføres til dagligdagse nyttige anvendelser.

Det er mange paralleller med hensyn til de strukturene en finner på mikroskop nivå mellom leire og væske-krystaller. På mikroskop nivå, kan leire, slik som vi kjenner den fra naturen, brytes ned til to typer av veldefinerte "fundamentale byggeklosser (lego)", som kan tenke på som en kortstokk eller individuelle kort, slik som i dette bildet.

Et viktig poeng er at fysikere som jobber med denne typen systemer og materialer, må forstå hvilke typer av komplekse strukturer og aggregater disse "fundamentale byggeklossene" danner, og hvordan dette i sin tur oversettes og overføres til den oppførselen som for eksempel kommer til syne når en kustner former en leireklump.

Væsker som ikke er som vann

Ta en ketchupflaske og hold den opp ned mens den er åpen! Ingenting hender. For å få ut ketchup må du slå på flaskebunnen. Likevel vil ikke et hvilket som helst slag hjelpe deg. For lett slag, og ingenting hender. For hardt, og alt kommer ut på en gang! Gjenta nå forsøket med en flaske vann. Nå trenger du ikke å slå i det hele tatt. Vann er med andre ord en enklere væske enn ketchup, og det er studiet av slike fenomener som kalles vitenskapen om komplekse fluider, og rheologi.

De fleste fluider er komplekse bare du ser nøye nok på dem. Det er for eksempel stor forskjell på om du bruker olje eller vann for å smøre en bilmotor. Grunnen til at olje er et godt smøremiddel, i motsetning til vann, skyldes oppførselen til olje når den utsettes for krefter på tvers (foruten at olje har et mye høyere kokepunkt enn vann).

Polygoner i kaffe:

Se på en varm kaffekopp som blir belyst med en belysning nesten parallellt med overflaten. Da vil du se at overflaten har et merkelig polygon mønster.

(fig)

Disse mønstrene vil imidlertid forsvinne når kaffen avkjøles. Dersom bunnen på væsken er tilstrekkelig mye kaldere enn toppen av væsken, så vil væsken være ustabil og den varme væsken bevege seg oppover mens den kalde væsken vil bevege seg nedover. Denne strømmen (konveskjonstrømmen) utvikler seg til det komplekse mønsteret som vi observerer. Den varme væsken vil bevege seg oppover i den indre delen av hexagonene mens den kalde væsken vil bevege seg nedover på randa med andre hexagoner.

Is ved 15 grader pluss

Proteiner: Molekylære motorer og frysevæske

Økonofysikk