Natur og teknikk. 3 : Mekanikk, akustikk, kjemi [3] 8200250369 [PDF]

Zitiervorschau

Butschek Hofmeister Stolze

Natur Mekanikk Akustikk Kjemi

iversitetsforlaget I

og teknikk 3

.-«—4

© Yrkesopplæringsrådet for håndverk og industri Universitetsforlaget 1972

© Sellier OHG Freising Originalens tittel: Butschek, Hofmeister, Stolze: Wir erforschen die Naturgesetzte 3, 24.7.68.

Oversatt fra tysk av: Cand. paed. Adele Berg Wasenden

Sats: Trykk:

Grøndahl & Søn Boktrykkeri, Oslo 1972 Druckhaus Sellier OHG, Freising Tyskland 1972

ISBN 82 00 25036 9

Innhold Mekanikk

Kraft og motkraft Masse og tyngde Tyngdepunkt og stabilitet Treghet og treghetskraft Friksjon Sentrifugalkraft Arbeid og effekt Skråplanet Vektstang Sammenhengende rør - Overflatespenning Legemer som flyter oppdrift Luft og lufttrykk Flyging Vind- og vannkraft Dampkraft Eksplosjonskraft Reaksjonskraft

4 8 16 22 28 36 42 48 54 62 66 74 80 90 96 102 106 11 2

Optikk Lyskilder og lydbølger Tonehøyde og svingetall Refleksjon og resonans

11 6 124 132

Kjemi Syrer Baser Salter Byggematerialer - Glass og keramikk

138 146 152 160

å

Ul I I IX IX

Mektig legemskraft: Herkules beseirer en rasende løve med bare nevene

Kraft og motkraft

4

Berømte krefter

Menn med krefter utover det vanlige har til alle tider vært gjen­ stand for beundring. Man mente at slike krefter enten måtte være guddommelige eller trolldom. Sagnene beretter ofte om helt overmenneskelige helter. Goliat, som Bibelen forteller om, skal ha vært en kjempe. Han var anfører for filisterne som kjempet mot jødene, og må ha ruvet godt. Han var nesten 4 m høy, hadde en panserkledning som veide 78 kg og en bronselanse så tykk som en skipsmast. Det er ikke til å undre seg over at jødene var redde for et slikt over­ menneske. Trass i kjempekreftene ble han beseiret av David. Til å beseire Samson var det ikke engang nok med 3000 mann. Han var riktignok ingen kjempe, men usannsynlig sterk. Som ung grep han en løve i spranget og rev den i stykker med bare hendene. Han bar bort en byport da filisterne forsøkte å ta ham til fange og sprengte hver lenke som de prøvde å holde ham med. Til slutt ble han overmannet etter at de hadde klipt av ham håret, som var rot til hans kjempekrefter. Men enda en gang trådte den sanne Samson i aksjon: Filisterne holdt en stor fest for å feire at de hadde overvunnet ham, og lot Samson hente for å spotte ham. Rasende grep han om de to søylene som bar palasset. Bygningen styrtet sammen, og med Samson omkom 3000 mennesker i ruinene. ■

I dag sier man ofte om en uvanlig sterk person at han er «sterk som Samson» eller «en ren Herkules». Hva Samson var for jødene, var Herkules eller Herakles som han også kaltes, for grekerne. Herakles, som sagnet sier var sønn av gudekongen Zeus, var alt fra fødselen utstyrt med overnaturlige krefter. Som gutt tok han kvelertak på to redselsfulle slanger og drepte dem. Siden kom han på folkemunne på grunn av andre dåder: Han overvant et rasende uhyre som til og med gudene fryktet, og beseiret med bare nevene en løve som vanlige våpen ikke bet på. Med kraft førte han sverdet mot den fryktelige nihodete slangen Hydra, som hadde herjet buskap og marker, og hogg alle hodene av den. Herakles målte også krefter med ville, menneskeetende okser. Han temte dem. Til slutt stilte han til kamp mot underverdenens mørke makter. På grunn av sin styrke kom han også fra denne kampen som seierherre. Han overvant den trehodete, drakehalete hunden Kerberos som bevoktet porten til helvete. Herakles lenkebandt helveteshunden . . . Herakles, den sterke helten, oppnådde udødelighet. På samme måte som Samson ble han til et symbol på kraft. Kraft kan skape ulykke og gjøre gagn, ødelegge, men også skape nytt. Herakles og Samson symboliserer menneskelig muskelkraft og kraften i redskap og maskiner — de nyttige krefter i naturen.

7. Hvordan kan vi bruke vår egen muskelkraft? Hvordan ut­

2. 3.

4.

5.

nytter vi kraften ti! husdyra? Hvilke kunstige kraftkilder har menneskene skaffet seg? Vi fester et trestykke ti! en gummistrikk. Vi holder den ene enden av strikken fast mot bordplata, trekker i trestykket og slipper det. Hva skjer? Vi trykker den ene enden av en elastisk linjal, en neglefil eller et viskelær mot bordkanten slik at vi kan bøye den frie enden. Så legger vi en papirkute på den frie enden, trykker den lett ned og slipper hurtig. Hva skjer med papirkula ? Vi drar i en trekkfjær, først svakt, så kraftigere og kraftigere. Hva merker vi? 5

Bevegelse betyr kraft En bil suser av sted på motorveien. Det er en kraft som driver den. En gutt klatrer i et tre. Til dette bruker han kraft. Bonden pløyer opp åkeren. Han gjør dette ved hjelp av en kraft. Vann driver turbinen, elektrisk strøm driver maskinen, vinden beveger vindmølla . . . kraft. Bevegelse fins i rullende valser og hjul, i armen som svinger hammeren, og i et blad som flyter på vannet. Bevegelse er det motsatte av stillstand. For å bringe et legeme i bevegelse, må vi utsette det for en kraft. Kraft kan komme fra ulike kilder og får gjerne navn etter sin opprinnelse: muskelkraft, magnetkraft, fjærkraft, spennkraft, vannkraft, vindkraft, maskinkraft . . .

For å bringe et legeme i bevegelse må vi utsette det for en kraft.

Nar bilens kraft svikter, ma den menneske­ lige kraft tre støttende til

Vi kan ikke se en kraft, men vi kan kjenne den igjen på dens virkning. Kraft angriper. Det er kraft som trekker et legeme, skyver det, trykker, støter, dreier, utvider og sprenger det, river det i stykker og løfter det. Kraft virker. Den virker i en bestemt retning og beveger det på­ virkede legemet i denne retningen. Kraft mot kraft

Kraft utfordrer: Den som blir skjøvet, stemmer imot; den som blir trukket, drar i motsatt retning. Hvis vi spenner en fjær, merker vi hvordan den spenner imot. I fjæra oppstår det en kraft som virker mot vår muskelkraft (= motkraft). Uten denne motkraften kunne vår muskelkraft ikke angripe. Et lodd henges i en krok:

6

Kroken blir erstattet med et lodd :

Enhver kraft tvinger fram en motkraft. Så lenge muskelkraften er større enn motkraften, vil fjæra hele tiden strekke seg. Men den lar seg ikke strekke utover en viss grense. Muskelkraft og motkraft er her like store. De holder hverandre i likevekt. Hvis muskelkraften gir etter, trekker fjæra seg sammen inntil det igjen oppstår kraftlikevekt. Dersom muskelkraften overstiger fjærkraften, brister fjæra. Krefter i likevekt

Hvis en hylle blir for tungt belastet, vil den gi etter og bøye seg. Når vi trekker opp en flaske ved hjelp av korketrekker, vil det vare en stund før vi overvinner motkraften. Når vi laster opp en bil, gir fjærene etter. I polstrede stoler og madrasser bygger man inn stålfjærer. Selv i temmelig sterk vind er det sjelden at trærne knekker. Demningen i forbindelse med et vannreservoar må dimensjo­ neres etter vannmassene. Vi . . . . . . . . . .

h usker . . . . hva som må til for å sette et legeme i bevegelse . hvordan vi kan inndele kraft etter opprinnelse . hva en kraft kan gjøre med et legeme . hvordan vi betegner kraft etter arten av virkningen . hva vi forstår med motkraft

Vindkraften overvinnes: palmene greier seg i orkanen

Voldsomme naturkrefter holdes i tøm me: demning i Berner Oberland, Sveits

Den som vil seire i tautrekking, nia over­ vinne motkraften

Jo tyngre lasten er, dess mer bøyer bæretreet seg

1

Masse og tyngde

Spasertur i verdensrommet Den 3. juni 1966 klatret den amerikanske astronauten Edward White ut av luka på romskipet Gemini IV og oppholdt seg 20 minutter svevende i verdensrommet. Jorda lå 165 km under ham. Han og romkapselen Gemini IV beveget seg side om side med en hastighet av 28000 km i timen. Edward White var for­ bundet med romskipet med en forgylt spesialkabel som inne­ holdt oksygen- og telefonledningen Den skreddersydde, sølvglinsende romdrakten han hadde på, bestod av 21 lag, veide 14 kg og hadde kostet 210000 kroner. Det var andre gangen på kort tid at verden holdt pusten under akrobatiske øvelser i verdensrommet. Den 18. mars, 76 dager før, hadde det første mennesket beveget seg tyngdeløst (vektløst) i rommet. Sovjetrusseren A/exej Leonov hadde gått ut av romskipet Vostok II for å slå kollbøtter ved siden av kapselen. Og nå var det altså amerikaneren White som boltret seg i himmelrommet I /

8

Dette var pionérdåder. For første gang fikk mennesker praktisk erfare hva som venter dem i universet utenfor den beskyttende romkapselen. For første gang fikk millioner av mennesker over hele kloden se på fjernsynsskjermen hvordan tyngdeløs (vektløs) tilstand virket. På utsiden av romskipene var det nemlig montert spesialkameraer som sendte bilder tilbake til jorda. Det så ikke ut til at Leonov og White i det hele hadde noen tyngde. Det så nærmest ut som de svømte under vann, der de svevet om i det store intet, hvor det ikke finnes luft, men derimot farlig kosmisk stråling. Et lite puff mot romskipet — og astro­ nautene spratt bort som skvetne fisker. De måtte være forsiktige for ikke å komme i spinn, for da ville det være forbi med det ube­ skrivelige utsyn over kloden, hvor mennesker står med begge bein på jorda. Astronauten White var begeistret for sin utflukt i rommet. Han likte seg så godt at han først vendte tilbake til romkapselen etter at romskipets kaptein hadde kalt ham opp flere ganger. «Det var det tristeste øyeblikk i mitt liv,» beklaget han seg. Og det skulle også bli siste gang han svevet i verdensrommet. Godt og vel et halvt år etter, den 27. januar 1967, omkom han og to kamerater ved en brann i romkapselen under en prøve­ stad på jorda. Astronauten White døde i vitenskapens tjeneste. Han var en av de første som fikk erfare tyngdeløs (vektløs) tilstand, noe mange kanskje vil kunne oppleve selv i løpet av noen år.

Alt annet enn en komfortabel reise: astro­ nauten Edward White i romkapselen

7. Hvorhen beveger alle legemer seg når man lar dem falle? 2. Vi knytter en tråd i en nøkkel og fester tråden på en krok

(dørhåndtak, skapnøkkel) slik at nøkkelen henger tett ved golvet. Vi slipper forskjellige gjenstander fra kroken og legger merke til hvor de faller ned. 3. Hvordan kan man med stor nøyaktighet måie dybden av et tjern eller en innsjø ? 4. Hvilke innretninger bruker mureren for at ikke veggene han setter opp, skal bli skeive ?

9

Jordas tiltrekningskraft

Vi klipper over en tråd som det henger en stein i: steinen faller loddrett til jorda

Når vi tenker over det, er det i grunnen merkelig at vi bor på en stor kule uten å ramle av. Menneskene i Australia står med fottene mot oss: australierne er våre «motfotinger», våre anti­ poder. Sett ut fra vår del av kloden står de med hodet «nedover» i lufta. Likevel faller de ikke ned og forsvinner ut i rommet. En kraft holder australierne og oss fast til jorda. En bestemt kraft hindrer biler og jernbaner fra å forsvinne ut i rommet, og sørger for at fly som er i lufta, igjen kan lande. En kraft holder hus, fabrikker og monumenter fast på jorda og er årsak til at gjenstander faller mot bakken istedenfor å stige opp. Denne kraften utgår fra jorda selv. Jorda trekker alle gjenstander til seg. Vi kaller derfor denne kraften for jordas tiltrekningskraft. Som enhver annen kraft har også jordas tiltrekningskraft en retning som den virker i. Den trekker alltid legemer inn mot jordas sentrum.

Alle legemer blir tiltrukket av jorda. Jordas tiltrekningskraft virker inn mot jordas sentrum.

Fordi vi alltid vil oppfatte retningen på jordas tiltrekningskraft som «ned», har ikke australierne følelsen av å henge med beina opp og hodet ned. Alle legemer blir tiltrukket av jorda :

Gjensidig tiltrekning At jorda trekker til seg legemer, er bare et særtilfelle av en all­ menngyldig naturlov. Alle legemer, både himmellegemer og legemer på jorda, har en tiltrekningskraft. Bordet, stolen, skjeen ... de «virker» alle gjensidig på hverandre med sin tiltreknings­ kraft. Jorda trekker til seg legemer, og disse trekker igjen til seg jorda. ________________ ________

M\e legemer tiltrekker hverandre gjensidig. Den gjensidige tiltrekningen, som man kaller massetiltrekning, er en grunnegenskap alle legemer har. Størrelsen på tiltrek­ ningskraften avhenger av legemets masse. Tiltrekningskratten virker alltid mot jordas sentrum

10

Jo større masse et legeme har, dess større er tiltrekningskraften. _

Kraften som et bord og en stol gjensidig tiltrekker hverandre med, er forsvinnende liten. Sammenliknet med jordkloden har bord og stol en helt ubetydelig masse. Dette er grunnen til at gjenstandene på jorda ikke styrter mot hverandre til tross for gjensidig tiltrekning. Jordas tiltrekningskraft overvinner langt alle disse kreftene. Månens masse er bare en sjettedel av jordmassen. Av denne grunn vil månens tiltrekningskraft på legemer som befinner seg der, bare være en sjettedel av jordas tiltrekningskraft. Jupiter og sola har større tiltrekningskraft enn jorda.

Samme årsak — forskjellig virkning

Hvem vil like å få et piano plassert på fottene sine? Ingen. Og hvorfor ikke? Fordi det gjør vondt. Hvorfor gjør det vondt? Fordi pianoet trykker. Hvorfor trykker pianoet? På grunn av jorda, jorda trekker det til seg. Mellom jorda og pianoet befinner tærne seg. Ei fuglefjør på tærne ville vi ikke merke. Jorda trekker legemene til seg med forskjellig styrke, pianoet tiltrekkes kraftigere enn fjøra. Vi sier at legemene ikke er like tunge. Da det er jordas tiltrekningskraft som er årsak til legemenes tyngde, kaller vi dette også for tyngdekraft. Tyngden øver et trykk eller et drag på legemer.

Tyngde er en kraft. En stein henges i en fjær:

Steinens tyngde erstattes av muskelkraft:

Steiner med forskjellig tyngde henges i en

Den kraften som jorda trekker til seg de forskjellige legemer med, lar seg lett måle med en fjærvekt. Alt etter legemets masse vil fjæra strekke seg i ulik lengde. Vektas fjærkraft og legemets tyngde vil da holde hverandre i likevekt. Fjærvekta er en kraft-

måler. Et legemes tyngde er den kraften som det blir tiltrukket av jorda med.

Et lett liv De utøver en trekkraft av forskjellig stør­ relse

De samme svamp:

steinene

legges

på

en

myk

De utøver en trykkraft av forskjellig stør­ relse

Et menneske med 700 N jordtyngde veier på en satellittbane (vektløshet).................................... månen ................................... ca. Mars........................................ ca. P|uto........................................ ca. Venus..................................... ca. Jorda ..................................... ca. Saturn....................................... ca Jupiter................................... ca

12

ON 120 N 260 N 560 N 630 N 7oo N 790 n 1800 N

Et romskip lander på månen: Besetningen — i trykksterke månedrakter — stiger ut og beveger seg på måneoverflaten. Det ser ut som om mennene anstrenger seg for å se lette ut. En hopper over en smal fordypning. Han lander langt bortenfor den. Verdensrekorden i lengdehopp er langt overskredet. Men også når det gjelder høydehopp utmerker månefarerne seg. En lett sats — og dermed er de noen meter i været. Med lange og lette hopp beveger de seg bortover måneoverflaten. Noe ganske annet ville det være på Jupiter: Hvert skritt ville være en pine, som om det var festet blylodd til føttene. Mennesker på andre planeter vil møte problemer av helt spe­ siell art. På månen vil menneskene ha bare en sjettedel av sin «jordvekt». På Jupiter vil de være 2!4 ganger så tunge som på jorda. De samme mennesker, men to ganger med forskjellig kroppsvekt: har de lagt på seg eller tatt av? Nei. Jordmennesket opplever forskjellig tiltrekningskraft fra de forskjellige himmel­ legemer. Menneskenes «masse» er hele tiden den samme. Et legemes masse forblir uforandret. Den er uavhengig av sted.

Men den som tror at jorda i det minste vil ha samme tiltrek­ ningskraft overalt, han tar feil. Ved ekvator er tiltreknings­ kraften minst, fordi jordoverflaten der er lengst borte fra jordas sentrum. Størst tiltrekningskraft opplever vi ved polene. På grunn av utflatingen ligger polområdene nærmest jordas sentrum.

Et legemes tyngde er avhengig av stedet hvor det befinner seg. Mål for masse og tyngde Masse og tyngde er altså to forskjellige begreper og må ikke blandes sammen, især ikke hvis vi vil måle nøyaktig. Vi trenger et mål for masse og et annet for tyngde. Masse måler vi med en skålvekt. Med skålvekta sammenlikner vi et massestykke med et annet.

Jordas tiltrekningskraft er ikke like stor alle steder

Et legemes masse måles i kilogram (kg). 1 kg = 1000 g (gram) 1000 kg = 1 t (tonn) Jo større masse et legeme har, dess større er den kraften som trekker det til jorda, altså dets tyngde. Tyngde måler vi med en fjærvekt. Kraften som et 1 -kg-lodd drar i en fjær med, er 9,81 newton (N).

Krefter måles i newton (N).

13

å

Vi kan finne at det er en sammenheng mellom kraft, F, og masse, m. Da må vi også kjenne begrepet akselerasjon, a, som forteller hvor raskt forandringen i et legemes hastighet skjer. Akselerasjonen ved fritt fall på jorda er 9,81 m/s2. Sammenhengen mellom kraft og masse uttrykker vi slik:

F - m■ a Tyngden, som er jordas tiltrekningskraft, er for én 1-kg-gjenstand: F = 1 kg • 9,81 m/s2 = 9,81 N.

Fordi jorda tiltrekker masse . . . må vi anstrenge oss når vi skal løfte en stor stein lager vi fotspor i sand og snø kan et skip kaste anker kan vi hoppe i vannet fra et stupetårn blir et vaggkart strukket glatt av den nederste trestanga, og en gardin henger glatt på grunn av et innlagt blybånd nederst . . . trekkes sekken på ryggen eller pakken i hånden nedover . . . faller løvet ned på bakken om høsten

. . . . .

. . . . .

. . . . .

Hvis det ikke fantes noen massetiltrekning . . . .

. . . .

Vi . . . . . . . . . . . .

. . . .

. .

14

. . . .

. . .

kunne vi ikke helle noe flytende ut av en flaske kunne vi lekende lett skyve en bil kunne vi ikke løpe kunne ikke astronautene vende tilbake til jorda fra verdens­ rommet

h usker . . . hvilken virkning jorda har på legemer hva «ned» betyr på jorda hva vi forstår ved «massetiltrekning» hvorfor jordas tiltrekningskraft er større enn månens, men mindre enn Jupiters . hvorfor vi også kaller jordas tiltrekningskraft for tyngde . hvorfor vi kan betegne tyngde som kraft . hvorfor masse og tyngde ikke kan være det samme . hvorfor et legemes tyngde er avhengig av det stedet på jorda hvor den måles . hvilken måleenhet vi bruker for et legemes masse, og hvilken vi bruker for dets tyngde

. . . .

Her blir tyngden motvirket

Noyaktig kontroll

Her utnyttes tyngden

vektlodd kontrolleres av justérvesenet

Her misbrukes tyngden

Med tyngde «null»: romfarere i tyngdeløs tilstand

15

Til loven oppfylles, så lenge står ennå det skeive tårn i Pisa

Tyngdepunkt og stabilitet

Det skeive tårn i Pisa

På plassen rundt det skeive tårn i den italienske byen Pisa gjør oppvakte unge gutter og jenter en god forretning. De putter en liten seddel bak vinduspusserne på parkerte biler og forlanger 1 00 lire av bilføreren. De fleste betaler, og antar at det dreier seg om en parkeringsav­ gift. Men den som ser nærmere på den vesle papirlappen, oppdager at han med sine 100 lire ikke har fått noen spesiell parkeringstillatelse, men at han har tegnet en forsikring — en forsikring mot skader på bilen i tilfelle det skeive tårn plutselig skulle styrte sammen. Sikkert er det at tårnet står betenkelig skeivt, og det har det gjort i lange tider. I 1173 ble grunnsteinen og fundamentet bare gravd 3 m ned i sandjorda. Byggmester Bonnano hadde begynt å bygge. Da tårnet var 28 m høyt, viste det alt sin tilbøyelighet. Det be­ gynte å helle tydelig mot sør, og arbeidet ble derfor innstilt. Pisa hadde nå et halvferdig, skeivt tårn, og byen ble gjenstand for naboenes spott. Det var nemlig slik i tidligere tider at en bys anseelse ble større jo flere og jo høyere tårn som raget mot himmelen. Altså bygde man videre uten først å rive det 28 m høye tårnstykket for å lage et vannrett fundament. Murerne la tvert imot stein på stein på den påbegynte grunnstammen. 16

Skeivt vokste byggverket i høyden, og skeivt ble det gjort ferdig i 1350. Siden den gang har pisanerne stadig betraktet tårnet sitt med en viss bekymring. Hvert år har toppen av det gjen­ nomsnittlig hellet 8 mm lenger over mot sør. I dag henger overkanten mer enn 5,20 m utover. Stadig dukker det opp folk som mener at de har beregnet nøyaktig når tårnet vil bryte sammen for godt. Det mangler ikke på forslag til å redde det; i årenes løp har de pisanske myndigheter fått inn en hel mengde. En polakk fore­ slo at man for å støtte opp bygningen skulle sette opp en kjempemessig «bokstøtte» på sørsiden av tårnet. En professor i Pisa mente at det ville være klokere å heve tårnet opp fra fundamentet med en kjempekran, bygge et nytt fundament og så sette tårnet ned igjen på dette. Plan etter plan, hvilken er den beste ? I Pisa må man bestemme seg. Tyngde og stabilitet adlyder sine egne lover og gjør ingen unntak, selv ikke når det gjelder en så berømt turistattraksjon som det skeive tårn i Pisa.

7. Vi legger forskjellige gjenstander (linjal, spiseskje, tom­

2.

3.

4.

5.

mestokk, hammer . . .) på den utstrakte pekefingeren eller på lenet til en stol slik at de er i balanse, og merker av understøttelsespunktet. Vi sammenlikner. Stoler, bord og skap må som regel ha fire bein for å kunne stå. Vi forsøker om det lykkes å få forskjellige gjenstander (linjal, penal, bok ...) tit å stå på «ett bein», f.eks. på en trå dsne Ile. Vi stiller oss med hælene mot en vegg og forsøker med strake knær å berøre tåspissene med fingertuppene. Vi fester en rund blyant slik at den peker vannrett ut i lufta (i en skrustikke eller bokstabel). Så stikker vi en linjal inn på blyanten slik at den en gang peker opp og en gang peker ned. Vi bringer hver gang linjalen i balanse. Så gir vi den et puff og følger med til den igjen henger i ro. Hvilken forskjell viser seg? Vi stiller tre flasker ved siden av hverandre, en tom, en fylt med vann eller sand og en tom som står på hodet. Deretter undersøker vi hvilken flaske som lett og hvilken som vanskelig lar seg puffe over ende.

17

Tyngde: virker pa alle småpartiklene

Tyngdepunkt: den samlede tyngden for­ enes i et tenkt punkt

Den sammensatte teglsteinen En teglstein består av mange små leirkorn som er blitt san presset og brent. Også ethvert annet legeme består av e bittesmå partikler, f.eks. trepartikler, jernpartikler, lærpartikh Hvis vi bryter opp teglsteinen og finmaler den, får vi p enkeltpartiklene foran oss. Hver av disse småpartiklen påvirket av tyngdekraften, hver partikkel har sin tyngde vi legger sammen tyngden til alle småpartiklene, får vi tyr til hele teglsteinen. Hvis teglsteinen ligger med hele flati golvet, blir alle partiklene i den støttet opp: den ligger i ro vi behøver bare å støtte den opp på et bestemt punkt vil også da bli liggende vannrett. Dette punktet må vi lete Hvis vi forestiller oss at tyngden til alle teglpartiklene er s i et eneste punkt, vil dette være det punktet vi leter etter. I punktet virker teglsteinens samlede tyngde. Hos alle leg kalles dette punktet tyngdepunktet.

Ethvert legeme har et tyngdepunkt.

Oppskrift for artister Hvis vi plasserer en støtte direkte under tyngdepunktet, ikke tyngden sette legemet i bevegelse. Den blir motvirke en like stor kraft. Legemet holder seg i ro. Denne kjensgjerning blir utnyttet av alle balansekunst! For å få gjenstander til å balansere må vi støtte opp u tyngdepunktet. Et legeme velter så snart tyngdepunktet ikke lenger ligger over understøttelsesflaten. Treklossen skyves stadig nærmere bordkanten:

klossen tipper over på et bestemt punkt

En trekloss stilles stadig mer pa skra:

understøttelse av tyngdepunktet er viktig

Noen ganger i midten, andre ganger ikke

Bestemmelse av tyngdepunktet, i skjær-

Vi kan ikke se et legemes tyngdepunkt. Verken på gafler, tal­ lerkener eller dører finner vi et rødt eller grønt punkt som angir tyngdepunktet. Tyngdepunktet må vi finne ved hjelp av forsøk (balansering) eller konstruksjon. Ved regelmessige legemer (kuler, kvadrater, regelmessige mangekanter) av et enhetlig stoff ligger tyngdepunktet nøyaktig i midten. For å finne tyngde­ punktet hos uregelmessige legemer må vi bruke loddlinjer (tyngdelinjer). Vi henger legemet opp i et tilfeldig punkt og trekker en loddrett linje nedover fra opphengmgspunktet. Så henger vi det opp i et annet punkt og tegner enda en loddlinje. I skjæringspunktet for loddlinjene ligger tyngdepunktet. ----------------------------------- ----------------- ----------------------Tyngdepunktet for et legeme ligger i skjær­ ingspunktet for loddlinjene:

På vaklende bein Den som en gang har spasert på et smalt gelender eller en bom, vet av egen erfaring at det ikke er lett å holde seg oppe. Vi må gjøre de merkeligste vridninger for ikke å falle ned, for mennesket er et uregelmessig legeme. Hver bevegelse av armer og bein, hver dreining på kroppen forandrer «formen» på legemet. Dermed forskyver også plasseringen av tyngdepunktet seg, og vi holder stadig på å miste balansen.

Jo større understøttelsesflaten er, jo lavere tyngdepunktet ligger og jo større tyngde et legeme har, dess sikrere står det.

understøttelsesflaten og plasseringen av tyngdepunktet er avgjørende

19

Opphengt Et leqeme behøver ikke nødvendigvis stå på et underlag, det kan også plasseres hengende eller dreibart. Det holder seg sikrest i ro hvis tyngdepunktet ligger under opphengingspunktet Vi sier da at legemet befinner seg i stø eller stabil ,lkevek^ Hv'^ vi bringer det ut av stilling, vil det av seg selv pendle tilbake til

den opprinnelige, stabile stillingen. Hvis tyngdepunktet ligger nøyaktig over opphengingspunktet, taler vi om ustø eller labil likevekt. Det minste ayv.k fra denne stillingen vil få legemet til å tippe rundt og søke etter stabil N^/vi bærer en tung last på ryggen, prøver vi å oppna stabil

likevekt ved f.eks. å bøye oss framover. Linedanseren, som for­ søker å oppveie sin usikre stilling ved hjelp av en balansestang eller en paraply, må også hindre at tyngdepunktet forskyver

seg, så han tipper rundt.

V i h u ske r ... hvorfor ethvert legeme har et tyngdepunkt på hvilken måte vi finner tyngdepunktets beliggenhet . hvordan vi kan forbedre et legemes stabilitet . . hvor tyngdepunktet ligger når legemet er i stabil, og na det er i labil likevekt

Oppgaver

Vi lager «stå-opp-figurer»:

7. I/, blåser ut et egg og utvider hullet, den sp.sse enden ML

Så heller vi egget omtrent en tred/edel fullt med no tungt (hagl, muttere, /ernskruer. småsteiner) og fy på med flytende stearin. Vi kan i tillegg klippe ut en papirfigur (papirmann) og klebe på egget. 2. Vi lager en firkantet eske av skrivepapir og kleber et st\' e bly eller jern fast i bunnen nærmest et av hjørnene. så la esken «balansere» på dette belastede hjørne . 3 Vi legger to postkort oppå hverandre og kllPPe^ en akrobat etter figuren i margen. På hver av hend?n p den ene delen Urner vi fast en mynt delene sammen slik at myntene blir skjult. Akrobate balanserer på nesen. < 16

20

I

Jå vet vi hvorfor små vaser med store blomsterbuketter har lett for å velte hvorfor et bilde henger skeivt hvis ikke hempa er satt nøyaktig midt på bildet hvorfor fullastede høyvogner ofte velter hvorfor vi står utstøtt på ett bein og på tåspissene hvorfor vi står støtt når vi står med beina fra hverandre hvorfor kjøretøy må lastes riktig hvorfor et vinglass har bredere stett enn beger hvorfor golvlamper og hageparasoller monteres på en tung fot hvorfor seglbåter har kjøl hvorfor racerbiler er lave og har stor bredde mellom hjulene

'ektløfter: understøttelsesf laten tørres ved bred fotstil I ing

for-

Byggekran: det lavtliggende punktet hindrer velting

tyngde­

Linedanser: forskyvning av tyngdepunk­ tet avbalanseres med stanga

21

En flytende rullebane på det åpne hav: det atomdrevne hangarskipet «Enterpr.se

Treghet og treghetskraft

22

Manøver i Stillehavet Vi befinner oss på hangarskipet «Enterprise» et e.lerannet ste. i Stillehavet. Gjennom det grønnaktige glasset i k°mmar^ tårnet ser vi ut over flydekket. Om fa minutter skal de 100 je flyene som er stasjonert på kjempesk.pet, 9iennomtøre en start og landingsovelse. Travle, målbevisste men p andre i rode blå, brune og oransjefargede dresser. Gule t a torer trekker sølvgrå fugler etter seg, Propellmaskmene plassere helt akterut, jetjagerne stilles opp foran dem. Den tilsynelatende uorden på flydekket har for lenge iden fo andret seg til spent ro. Langsomt ruller den tosuet.agere fram Dpn stiller seq opp på en dampkatapult, en slags siyng Maskineriet starter med et brøl, dekkssjefen gir et tegm "2^ i utkanten av dekket beveger en løftestang, og ■ --me oye.M hlir flvet slynget ut i lufta med en uhyre hastighet, som om o var skutt ut av et kanonrør. Samtidig starter fly fra to andre ka pulter. Etter knapt 20 minutter er 100 jetjagere «kastet» ut i lu

Jå treffes allerede forberedelser til landingen. Over radio kalles lyene inn til landing. Kommandant og dekkssjef kontrollerer imhyggelig at dekket er tomt for hindringer av enhver art, at Ile mann er på post, og, først og fremst, at de tykke kablene >r i orden. En rekke tykke kabler er spent tvers over rullebanen. )e skal fange opp maskinene når de lander på hangarskipet med n hastighet av 300 km i timen. )etførste flyet kommer inn. Dertar det dekket, og fra halen skyter et ut en slags brodd som på en bie. Det er fangekroken som kal huke seg fast på en av kablene — og der skjer det! Piloten lir gass, kabelen strammer seg så det ser ut som den skal ryke ivert øyeblikk. Men den holder. På forhånd er den strammet inn tter tyngden på maskinen som skal lande. Jetjageren stopper >g blir hurtig trukket bort fra rullebanen. Ikke mer enn 30 seunder etter setter den neste piloten sitt fly på dekket, etter iye 30 sekunder følger den tredje. )et har gått en snau time siden første landing. De 100 flyene tår på nytt i hangarene, og den 5000 mann sterke besetning på iangarskipet «Enterprise» er igjen fulltallig fordi treghetskraften il de framstormende maskinene med hell ble overvunnet av nannskapet og noen få kabler.

7.

2.

3.

4.

5.

Kabler pa tvers av rullebanen: pa denne måten bringes flyet til å stanse

Hvordan kan vi få tak i den nederste boka i en bokstabe/ uten å røre ved de bøkene som Hgger oppå den? Vi stiller en tom flaske opp ned på et pengestykke. Med baksiden av en kniv forsøker vi å slå vekk mynten uten at flaska velter. Hvordan må dette gjøres? Vi dekker til et glass med et postkort og legger en mynt oppå kortet. Hurtig trekker vi kortet vannrett bort. Hva skjer med mynten ? Vi setter en fyrstikkeske oppå en linjal, a) først trekker vi linjalen sakte bortover bordet, b) så trekker vi rykkevis, c) og til slutt begynner vi sakte, trekker hurtigere og hurtigere og stanser så brått. Hva skjer med fyrstikkesken under de forskjellige øvel­ sene ? Hvilke trafikkuhell har de verste følger? 23

En kopp plasseres på en linjal:

Forandringer bare ved kraftpåvirkninger Vi setter oss på en sykkel. For å få sykkelen i gang må vi tråkke hardt på pedalene, men når vi først har fått opp farten, går det nærmest «som smurt». Plutselig må vi bremse. Med kraft står vi på fotbremsen inntil sykkelen stopper. Det er ikke noe legeme som kan komme i bevegelse av seg selv, heller ikke sykkelen. Det er alltid nødvendig å tilføre kraft. Men hvis legemet er i bevegelse, vil det fortsette å bevege seg. For å få det til å stanse må det igjen tilføres kraft. Den egenskap ved et legeme at det alltid prøver å opprettholde den tilstand det i øyeblikket er i, kaller vi treghet.

Et legeme som er i ro, vil ikke komme i be­ vegelse av seg selv. Et legeme som er i bevegelse, vil ikke selv stanse eller forandre bevegelsesretning For å forandre en tilstand er det nødvendig å tilføre kraft.____

Motkraft Legemer som er i bevegelse, kan ikke plutselig bringes i ro. På grunn av sin treghet beveger de seg inntil en motkraft har over­ vunnet treghetskraften. Et legeme i bevegelse støter med sin treghetskraft mot gjenstander som hindrer dets bevegelse.

Treghetskraften er et resultat av tregheten til legemer i bevegelse. Hvis en stein som er kastet, treffer en glassrute, vil den kunne knuse denne på grunn av sin treghetskraft. Om den gjør det, vil avhenge av steinens masse og hastighet. Det samme kan også en liten geværkule gjøre. Riktignok har den liten masse, men til gjengjeld har den en svært stor hastighet. Det er lege­ mets masse og hastighet som til sammen bestemmer størrelsen av treghetskraften, og dermed de følger som kan oppstå.

Jo større masse og hastighet et legeme i bevegelse har, dessstørreertreghetskraften.

24

reghetskraften vokser med kvadratet av hastigheten moderne trafikk lager treghetskraften store problemer. Her elder det å få hurtige kjøretøyer til å stanse på kortest mulig tid. iler og tog må altså ha hurtige og sikkert virkende bremser! loderne bremser prøver å «overliste» treghetskraften. På ett jnkt lykkes det dem. De griper så hardt at vekten av et kjørey bare har liten innflytelse på bremselengden. En lastebil kan anse like hurtig foran et rødt lys som en personbil. For å kunne ?tte har den sterkere bremser. en treghetskraftens andre, og langt farligere «venn», has}heten, kan moderne bremser ikke temme. Når det gjelder emselengden, er hastigheten avgjørende. Her gjelder regelen:

Treghetskraften vokser med kvadratet av hastigheten.

9t2eubu 7r at hv'S vi oker farten tH det dobbelte, tredobbelte edobbelte, vil treghetskraften øke til det firedobbelte, ni)bbelte og sekstendobbelte. Bremselengden vil også bli tilarende lengre. Når en bilfører kommer opp i en farlig situasjon, går det en viss , reaksjonstid, før han tråkker på bremsen, og enda litt tid før

25

bremsene begynner å virke. I denne tiden fortsetter bilen med full hastighet. Veilengden kjøretøyet tilbakelegger i løpet av reaksjonstiden, vil vi kalle reaksjonslengde. Reaksjonstiden, også kalt «skrekksekundet», er forskjellig hos de forskjellige mennesker og ligger mellom 0,3 og 1,7 sekunder. Når vi legger sammen reaksjonslengde og bremselengde, får vi stopplengden.

Treghet bidrar til ... ... at vi trenger mye kraft for å sette en sykkel i gang, men lite for å holde den i bevegelse ... at vi må bruke kraft for å øke hastigheten ... at vi må holde oss fast når vi er på tog, busser og trikker som stopper ... at kofferter og pakker lett slynges ut av bagasjenettet når toget bremser eller starter brått at vannet skvulper over hvis vi rykker i en full vannkjel ... at vi ved kulestøt, spyd- og diskoskast og lengdehopp må ta langt tilløp ... at vi kan feste hammerhodet ved å slå bak på skaftet ... at frukt kan ristes ned av et tre

På grunn av treghetskraften . . . . . . må vi være forsiktige når vi krysser gata . . må bilførere avpasse hastigheten slik at de til enhver tid kan stanse ... må hurtige biler være utrustet med bremseforsterkere . . . har vi bruk for sikkerhetsbelter i biler bør vi ved høy hastighet ikke plutselig trekke til forhjulsbremsene på bil eller sykkel

V i h u ske r ... . . . hvordan tregheten i et legeme kan merkes . . . hvorfor det trengs kraft for å bringe et legeme i bevegelse eller forandre på den bevegelsen legemet alt har . . . hva treghetskraften er avhengig av . hvordan økende hastighet virker på treghetskraften hva vi forstår med bremselengde, reaksjonstid og reak­ sjonslengde . . . hvordan stopplengden settes sammen

26

Vi regner

7. Bilførere øker sin hastighet fra 20 km i timen til 40 km i

timen, fra 30 km i timen til 75 km i timen, fra 80 km i timen til 120 km i timen. Hvor mye vokser treghetskraften i hvert av disse tilfellene? 2. En bil kjører med hastigheter 60, 80, 100, 120 og 140 km i timen og må plutselig bremse. Hvor mange meter til­ bakelegger den før den står stille ? Som et eksempel kan vi se på denne forenklede beregning ved en hastighet på 60 km i timen: a) Reaksjonslengde (gjennomsnittlig reaksjonstid 1 s). Hastighet 60 km/t = 60000 m/t = 16,5 m/s Reaksjonslengde: 16,5 m b) Bremselengde. (Prøv å finne bremselengden fra dia­ grammet.) c) Reaksjonslengde + bremselengde = stopplengde 16,5m + 22 m = 38,5 m

Legg merke ti! reaksjonslengden!

Treghetskraften motvirkes i vannbassenget

Treghetskraften motvirkes med fallskjerm

27

Liten årsak, stor virkning: kjedekollisjon på snoglatt motorvei

Friksjon

28

Farlig på holkeføre

På motorveien. Seinhøstes. Plutselig temperaturfall. Kvikksølvsøylen kryper under 0 °C. På et øyeblikk blir kjørebanen dekket med et speilglatt islag. Og så — en bil kommer i spinn. Føreren bremser, styringen virker ikke lenger, kollisjon I Bilene som kom­ mer bak, lar seg heller ikke stanse. På grunn av tregheten rutsjer den ene bilen etter den andre uten kontroll inn i bilen foran. Bulk på bulk, i løpet av noen sekunder oppstår det skader for tusener av kroner. Og alt dette er det bare et tynt islag som er skyld i. Siden vi ikke kan hindre at veiene våre på visse årstider blir dekket med is, må vi i det minste forsøke å overvinne farene ved det. Vi har her to muligheter. Enten må vi gå løs på isen med sand eller salt, eller så må vi finne fram til bildekk som også griper når det er is på veiene. Når det gjelder gode vinterdekk, finnes det alt tallrike modeller med de forskjelligste profiler. Uansett hyordan dekkene er kon­

struert, kan vi felle samme dom over dem: de kan bare gi en begrenset sikkerhet på hålkeføre. Foreløpig er de såkalte piggdekk tryggest. De har en kraftig profil hvor det stikker ut små stålpigger. Med disse piggene klorer dekkene seg fast i isen og får dermed bedre grep. Men heller ikke piggdekk gir noen garanti for at man kan kjøre fort og uforsiktig om vinteren. I praksis har det nemlig vist seg at slike moderne piggdekk ikke kan beseire vinteren i trafikken. Det sikreste er å vise forsiktighet og kjøre sakte på de vinterglatte veier der det mangler noe uunnværlig ved bilkjøring, nemlig friksjon mellom hjulene og veibanen.

Straffbar lettsindighet, med slike dekk er man ikke sikker i trafikken

7. Hvorfor er det lettere å trekke en kjelke på snø og is enn

på en Uke slett asfaltvei?

2. Hvilket knep bruker vi når vi skal flytte på et tungt møbel? 3. Vi fester en ca. 50 cm lang gummistrikk nær bunnen av en skoeske. Vi holder esken fast og spenner strikken. Så slipper vi esken. Den farer over bordflaten. Vi gjentar forsøket etter at vi har lagt en duk på bordet. Vi sammen­ likner hvor langt esken beveget seg i hvert av tilfellene. 4- Vi gjentar forsøket på den blanke bordflaten. Denne gangen sammenlikner vi bevegelsene til en tom (lett) eske og en full (tung) eske.

5. Vi legger den tunge esken på to runde blyanter eller på noen klinkekuler og setter den i bevegelse. Hva merker vi oss? 6. Hva har vi alt hørt om kulelagre ? 7. På et glatt pappstykke legger vi et viskelær. Vi løfter pappstykket på den ene siden inntil viskelæret begynner å skli. Så kleber vi et tykt trekkpapir på pappstykket. Vi gjentar forsøket med viskelæret og sammenlikner.

29

__

Friksjonen måles:

Friksjon og muskelkraft i likevekt

Hvor er kraften ? Under «skifting» av vognsett gir et lokomotiv en jernbanevogn et puff. Vogna kjører av sted alene. Etter noen hundre meter stanser den igjen. Dette er da tilsynelatende en selvmotsigelse. Et legeme som er i bevegelse på en plan flate må da på grunn av tregheten fort­ sette å bevege seg? Dette ville vært i samsvar med treghetsloven. Men i vårt siste eksempel blir vogna stående stille uten ytre påvirkning, den stanset nærmest «av seg selv». For at vi ikke skal ha lært noe galt, må det ha virket inn en kraft vi ikke kjenner, og den har hindret bevegelsen. En slik kraft finnes. Vi finner den der hvor legemet og underlaget som det beveger seg på, berører hverandre. Den kalles friksjon eller, fordi den er rettet mot bevegelsen, gnidningsmotstand.____________

Friksjon bremser enhver bevegelse. Snøkjettinger: friksjonen økes på hålkeføre

Skal et legeme holdes i bevegelse, må det stadig tilføres kraft som kan overvinne gnidningsmotstanden. Friksjon er altså en «kraftødelegger». Noen ganger stor — andre ganger liten Veidekke lager vi så glatte som mulig for å holde friksjonen så liten som mulig. Dette har mange fordeler for bilen. Men hvis dekket er for glatt, f.eks. ved hålkeføre, strør vi med sand for å øke friksjonen. Om vinteren er det mange bilførere som legger tunge sandsekker i bagasjerommet. Med dem føler de seg tryggere på snø- og islagte veier. Det er nemlig ikke bare be­ røringsflatens beskaffenhet som virker inn, men også legemets

tyngde. Jo ruere flatene som berører hverandre er, og jo større tyngde legemet har, dess større er friksjonen.

30

Det er bare én ting som ikke virker inn pa friksjonen: berørings­ flatenes størrelse. Hvis vi forandrer størrelsen på flaten som et legeme berører underlaget med, f.eks. ved at vi stiller en kasse på høykant, blir friksjonen likevel den samme. Mulighetene for å gni mot hverandre er riktignok mindre, men legemets samlede tyngde fordeler seg nå på den mindre flaten og presser flatene sterkere mot hverandre.

Trekloss på et skråplan: hindrer nedrutsjing

festefriksjonen

Friksjonen er uavhengig av størrelsen på flatene som berører hverandre. Friksjon holder fast Hvert år leser vi om skredulykker i fjellet. Lenge blir de tunge snømassene liggende i bratthengene. Det er en kraft som holder dem fast. Mellom snødekket og bakken virker en friksjon. Vi kan kalle denne friksjonen som gjør det mulig å holde et legeme fast på skrå underlag, for festefriksjon.

31

På grunn av soi- og varmepåvirkning smelter snølagene etter hvert. Festefriksjonen blir stadig mindre. Til slutt er den for liten, og snømassene glir som skred ned dalsiden. Festefriksjonen virker alltid når vi vil bevege et legeme på et flatt underlag. Vi må ikke bare overvinne legemets treghet, men også den kraften som holder legemet fast mot underlaget. Den gode idé

Kule- og sylinderlager: friksjonen sjal­ tes nesten ut

To menn forsøker å skyve en tung kasse bortover det ru tregolvet på et lager. Kassen rører seg ikke av flekken. — Da får en av dem en god idé . . . Ved å legge valser eller ruller (stenger) under kassen blir frik­ sjonen mindre. Ujevnhetene i berøringsflatene kan ikke lenger gripe inn i hverandre som mothaker. Valsene ruller lett bortover det ru golvet. På denne måten blir en ghdefnksjon forandret til en rullefriksjon.

Rullefriksjonen er mindre enn glidefriksjonen.

Kraften som er nødvendig for å holde en gjenstand i jevn be­ vegelse på en flat strekning, utgjør alt etter berøringsflatenes beskaffenhet en viss del av legemets tyngde.

Ved rullefriksjon:

Ved glidefriksjon: Tre på tre................................... Tre pa metall............................ Lær på metall............................. Stal på stål................................. Jern på snø............................... Stal på is...................................

32

48 % 40 % 40 % 15 % 2 % 1.4%

Jernbeslåtte hjul pa grusvei............... ......... 5 % brustein................................. 2 % asfalt.......................... • 1.5% Gummihjul på asfalt................................. 3.5% betong................................... 3 % Jernhjul på skinner . . 0,2%

For liten friksjon

Isete veier og gater er farlige. Vi må ikke kjøre med blankslitte bildekk. Når veiene er glatte, legger bilførerne kjettinger på hjulene og sandsekker i bagasjerommet. Vi må alltid prøve bremsene når bilen er blitt vasket. Bremsebelegg må ofte fornyes. Under golvtepper må det aldri bones. Glatte golv er farlige. Drivreimer må sitte stramt. Turnsko har gummisåler. En trapesturner gnir hendene inn med et hvitt pulver. Når vi skal skru opp lokk som sitter fast, kan en legge en fuktig klut rundt lokket. En fiolinbue blir gnidd inn med harpiks. Fjellbaner i særlig bratte skråninger bygges som tannhjulsbaner. Friksjon også på glatt underlag: aluminiumplate under mikroskopet

For stor friksjon

Dører må fra tid til annen oljes. Skiene trenger smøring. Skuffer som går tregt, smøres med såpe. En tilsnødd skøytebane må feies rein. Kjelkemeier, skøyter og stålkanter på ski må være fri for rust. Bevegelige maskindeler blir oljet eller smurt. Hjul festes på kulelager. Våre kroppsledd trenger også «smøring».

Uten friksjon . . .

ville ingen spiker bli sittende i veggen heller ingen kork i en flaske kunne vi ikke file, slipe, polere, bore kunne vi ikke gå et skritt kunne ikke vogner, biler, lokomotiver bevege seg kunne ikke kjøretøyer bremse ville enhver gjenstand gli ut av hendene på oss som sleipe fisker . . . kunne vi verken skrive eller tegne . . . kunne vi ikke tenne på fyrstikker eller fyrtøy . . . kunne vi ikke spinfte ull til tråd

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

33

Vi . . . . . . . .

husker . . . . hvilken innflytelse friksjon har på et legemes bevegelse . hvilke typer friksjon vi skiller mellom . hva friksjonskraften er avhengig av . hvordan friksjonen kan forstørres og forminskes

Her kommer det an på underlaget:

Vi regner 7. Karl drar en vogn som har tyngden 1200 N. Hvilken kraft

2.

3. Hva to mann klarer med nød og neppe

4.

5.

trenger han på en sti, en brusteinsvei, en asfaltert gate ? Bruk tabellen i teksten. En lagerarbeider skyver en trekasse på 800 N. Først skyver han den over et plankegolv, så drar han den på en 100 N tung slede. Hvor mye kraft sparer han ? En vogn med tyngden 100 kN blir ført til lasterampen. For å sette vogna i bevegelse trengs det fem arbeidere, for å holde den i bevegelse er det nok med én mann. Hvor stor kraft trengs det ? Hvor stor kraft må en elektromotor gi for å bevege en 20 kN tung trikk med 30 personer (gjennomsnittlig tyngde 700 N) bortover en plan strekning? Hvor stor kraft må et lokomotiv som har tyngden 1500 kN, yte for å dra et tog med 20 vogner som hver har tyngden 250 kN?

Oppgaver . . . kan selv et barn klare ved hjelp av kjelken

34

Vi legger en fyrstikk på bordet. På den legger vi vekselvis fra høyre til venstre til sammen 10—12 andre fyrstikker slik at de griper inn i hverandre (se figuren). Nå skal hele figuren løftes med den underste fyrstikken. Her bruker vi et knep: Vi legger en ny fyrstikk parallell med den underste. Nå lykkes det å løfte fyrstikkene, for tyngde og friksjon virker sammen.

ai

Glidefriksjon: isseglere fyker over isflaten

Festefriksjon : snømasser også i bratthenget

Rullefriksjon : hensiktsmessig transport av bokstabler

35

Romkapselen med landingsfartøyet kommer inn i månens tiltrekningsfelt

Romkapselen mister høyde, og landingsfartøyet frakoples

En av menneskehetens drømmer blir virkelighet: ferden til manen

Sentrifugalkraft

Måneferden Før ble det dyrket appelsiner på Merit-øya. I dag er det ikke et menneske ved Cape Kennedy som interesserer seg for appel­ siner. I sentrum står verdens største bygning, den 235 m lange, 170 m brede og 175 m høye montasjehallen for Wernher von Brauns verdensromsraketter. Ut av denne kjempehallen kommer det et kjøretøy på larveføtter, så høyt som et fleretasjes hus og så tungt som en liten krysser. Det beveger seg med sneglefart. På ryggen frakter det en last på 2600 tonn fram mot utskytningsrampen. Det er en Saturn-5-rakett. Den 1 6. juli 1 969 kl. 06.00 lokal tid stiger den 111 m lange ra­ ketten med Apollo- 7 7-romskipet mot himmelen etter et vold­ somt oppbud av krefter. Om bord er astronautene Armstrong, Aldrin og Collins. I en høyde av 50 km, 161 sekunder etter start, blir det første, alt utbrente rakettrinnet sprengt bort. Annet trinn begynner å arbeide, inntil også det løsner etter 9 minutter og 10 sekunder, og et tredje trinn blir tent. Noen få minutter etter blir rakettmotorene slått av. Apollo-romskipet er nå kommet inn i sin bane. !

36

Etter to omløp rundt jorda blir tredje trinn tent på nytt. Måneraketten forlater nå området for jordas tiltrekningskraft og setter kursen mot månen. Farten kommer opp i 40000 km/t. Rom­ skipet beveger seg da 14 ganger raskere enn et geværprosjektil. Kort etter løsner også det tredje utbrente trinnet. Romkap­ selen med det tilkoplede landingsfartøyet «Eagle» stiler mot månen uten rakettkraft. Etter tre dager kommer romfarerne inn i månens tiltrekningsområde. Romskipet «Columbia» går inn i sin bane rundt månen. Armstrong og Aldrin stiger over i landingsfartøyet, løser seg ut fra moderskipet og svever ned mot månen. Bremseraketter minsker landmgshastigheten. Den 21. juli 1969, kl. 21.17.42 norsk tid lander «Eagle» på månen. I over 21 timer var Armstrong og Aldrin på månen, av dem 3 timer utenfor landingsfartøyet. I mellomtiden kretset kommandoseksjonen med astronauten Collins uopphørlig rundt jorddrabanten. De to månebesøkerne nådde den kretsende kommandoseksjonen med sin måneferge og vendte uskadde tilbake til jorda. Den 24. juli falt den flere tonn tunge Apollo-kapselen i tre fall­ skjermer ned fra himmelen og landet i Stillehavet. Dermed hadde et av vårt århundres største eventyr fått en lykkelig slutt. Sentrifugalkraft og massetiltrekning spilte en avgjørende rolle, for uten disse to kreftene ville ferden i verdensrommet vært

En rakett skytes ut i verdensrommet skytingsrampen presses mot jorda

ut

7. Vi legger en klinkekule eller en Uten ball pa bordet og

stiller et tomt syltetøyglass på hodet over den. Vi forer glasset med hurtige sirkelbevegelser over bordet, slik at kula dreier med. Vi kan nå løfte glasset; kula eller ballen faller ikke ned. 2. Vi knytter en hyssing til et viskelær. Vi svinger snora med viskelæret rundt / en sirkel og slipper. Vi gjentar forsøket et par ganger, men slipper hyssingen hver gang pa et 'annet sted / sirkelbanen og legger merke til i hvilken retnmg viskelæret farer. (Forsøket gjøres naturligvis i friluft — pass opp for vindusruter.) 3. Vi stikker en ca. 40 cm lang snor gjennom hylsa til en kulepenn. Til den ene enden av snora knytter vi en mutter, til den andre 3—5 andre muttere som motvekt. Na slenger vi den ene mutteren i en sirkel, først langsomt, siden hurtigere og hurtigere, og legger merke til det som skjer med ballastmutterne.

37

En ball svinges noen ganger i sirkel:

Kraft og motkraft i likevekt

Kraft ved tvang Ofte hender det at en bilfører ikke «klarer svingen» og havner i grøfta med bilen. Mange biler både før og etter ham passerer samme sted uten uhell. Akkurat hans bil mistet styringen. Også her var det en treghet som var på ferde. Som vi alt vet, er treg­ heten årsak til at et legeme i bevegelse forblir i bevegelse. Men det vil også fortsette i samme retning. Bilen som kjører inn i en sving, vil altså bevege seg i en rett linje. Hvis den blir tvunget inn i en sirkelbane, opptrer det en kraft som forsøker å tvinge bilen til å gå i en rett linje som er tangent til sirkelen. Denne kraften kalles sentrifugalkraft.

Ballen slippes på bestemte punkter:

Sentrifugalkraften er en følge av legemets treghet.

Ikke alle legemer blir slynget ut av sirkelbanen av sentrifugal­ kraften. Hvis de blir holdt fast av en annen kraft, og dermed hindres fra flukt, kretser de videre til tross for sentrifugalkraften. Denne kraften er rettet inn mot sentrum og kalles sentralkraft eller sentripetalkraft. Hvis vi f.eks. svinger en gjenstand i en snor, hindrer trekkkraften fra hånden (sentripetalkraften) at gjenstanden flyr ut. ballen «flyr» ut i rett linje

Legemer av forskjellig tyngde svinges rundt med forskjellig hastighet: fjærvekta registrerer hver gang forskjell

lett legeme — liten hastighet

38

Sentrifugalkraft ved hastighet Forsiktige bilførere kjører ikke for fort, og især ikke når bilen er tungt lastet, for virkningen av treghetskraften ville bli svært stor i tilfelle av et sammenstøt. Dette gjelder også når man kjører i svinger: på samme måte som med treghetskraftens størrelse er også sentrifugalkraftens stør­ relse avhengig av legemets tyngde og hastighet. Jo tyngre et legeme er, og jo hurtigere det beve­ ger seg i sirkel, dess større er sentrifugalkraften.

Sammensetning av krefter

Sentrifugalkraften virker på alle massepartiklene i et legeme. På samme måte som for tyngden kan vi tenke oss alle disse kreftene samlet i en felles kraft som angriper legemet i tyngde­ punktet. Tyngdekraft og sentripetalkraftens motkraft angriper samtidig et legeme som beveger seg i horisontal sirkel, men kraftretningene står i rett vinkel på hverandre. Legemet følger i dette tilfelle verken den ene eller den andre av detkreftene, men opp­ fører seg som om det blir påvirket av en samtet kraft. Denne kraftens størrelse og retning lar seg framstille i et kraftparallello-

gram. Dersom et legeme blir utsatt for to krefter som danner en vinkel med hverandre, vil diagonalen i kraftparallellogrammet angi den samlede krafts retning og størrelse.

Sleggekaster: Jo hurtigere kula svinges, dess lenger flyr den

To lodd trekker med rett vinkel i en fjær:

39

tn syklist kommer gjennom svingen

Sikker gjennom svingen

Tyngdekraft og sentripetalkraftens mot­ kraft holdes i likevekt

40

En syklist lærer snart å kjenne hvordan tyngdekraften og drakraften utover i en sving virker sammen. Størrelsen på denne drakraften er avhengig av hastigheten. Alt etter farten må vi legge oss mer eller mindre på i svingen. Friksjon mellom dekk og vei hindrer at vi sklir ut. Ved å legge oss på i svingen inn­ retter vi oss slik at den samlede kraften går gjennom understøttelsespunktet. På denne måten tipper vi ikke over. Men en motorsyklist må helle så kraftig over når han kjører for full gass, at han ville rutsje ut av veien. Bilene kan i det hele ikke legge seg over og må derfor saktne farten. Her hjelper det med et knep: istedenfor å la kjøretøyene helle på seg, doserer vi veiene. I kurvene bygges ytterkanten av svingen høyere enn innerkanten. Slik får hurtige motorsykler og biler den korrekte, skeive kjørestillingen. Også tog legger seg over i kurvene. Her ligger den ytre skinna høyere enn den indre

Hvor sentrifugalkraften virker

«Dodsrytter»: her hjelper sentrifugalkraf­ ten

Veddeløpshester legger seg på i svingen. Skøyteløpere lener seg inn mot sentrum når de går gjennom svingene. Også fly må «ta» svingene riktig. En bobkjører går gjennom kurven på samme måte som en dødsrytter. I skarpe svinger blir bilpassasjerene presset utover. Biler og sykler må ha skjermer over hjulene. En slipemaskin må ha beskyttende deksel. Ved slengball- og sleggekast flyr ball eller slegge langt av sted på grunn av svingbevegelsen. Jo hurtigere en karusell dreier rundt, dess lenger svinger setene ut i lufta. Sentrifugalkraften anvendt i teknikken

I sentrifuger blir vannet drevet ut av våtvasken. Melkeseparering skiller den tyngre skummetmelken fra den lettere fløten. I slyngemaskinen renner honningen ut av vokstavlene.

Vi h usker . . . . . . hvilken kraft det er som kan bringe et legeme som beveger seg i sirkel, ut av sirkelbanen . . . hvilken kraft det er som tvinger legemer til å bli i sirkel­ banen . . . hva sentrifugalkraftens størrelse er avhengig av . . . hvordan vi utnytter sentrifugalkraften teknisk . . . hvor vi må kjempe mot drakraften utover . . . hvordan vi kan bestemme retning og størrelse av den samlede kraft av to krefter som virker samtidig . . . hvor sentrifugalkraft og tyngdepunkt virker sammen . . . hvorfor kurver doseres

Bohkiorer

sikkerhet i hoye kurver

Vi regner 7. To krefter med størrelser 6 N, 30 N, 2,5 N, 120 N og 3,5 N, 80 N, 4,5 N, 7 00 N virker / rett vinkel på hverandre.

Hvor stor er den samlede kraften i hvert av tilfellene? 2. Kreftene som er nevnt ovenfor, virker i vinkler på 140°, 50 , 100 og 30 Hvor stor er nå den samlede kraften i hvert av tilfellene? 3. Hvor stor kan hver av de to detkreftene være som virker ... 90 på hverandre og gir en samlet kraft på 6 kl\l? 41

Biler på løpende bånd: produksjonen økes med det mangedobbelte

Arbeid og effekt På løpende bånd

Den amerikanske bilfabrikanten Henry Ford grunnla Fordkonsernet, som i dag beskjeftiger hundretusener av mennesker over hele verden. Han regnes som oppfinner av samlebåndet, det rullende bånd. Arbeid og effekt er ikke det samme, sa han til seg selv. Uansett hvor hardt en mann arbeider, vil han aldri kunne sette sammen en automobil på en dag. Han vil trenge mye lengre tid. Det lønner seg ikke. Det gjør bilene for dyre. Den menneskelige arbeidskraft kan brukes meget mer effektivt ved samlebåndet. Henry Ford skriver om sin oppfinnelse: «Den 1. april 1913 gjorde vi vårt første forsøk med et montasjebånd. Resultatet var i korthet følgende: Innmonteringen av en motor i en bil, som før var utført av én arbeider, ble i dag delt opp i 48 separate arbeidsoperasjoner, og arbeiderne som ble berørt, ytet det tredobbelte av hva de før hadde gjort.» , l 42

Førtiåtte arbeidere ytet tre ganger så mye som før. Hver av dem utførte en enkelt arbeidsoperasjon på motorene som ble ført langsomt forbi dem på et bånd. Om dette sier Ford: «Noen arbeidere utførte bare ett eller to håndgrep, andre langt mer. En arbeider satte f.eks. en bestemt del på plass, men festet den ikke. Dette ble kanskje først gjort etter at flere andre operasjoner var utført. Mannen som driver inn en bolt, setter ikke på mut­ teren; den som plasserer mutteren, skrur den ikke fast.» Mutteren blir kanskje skrudd til av nestemann, eller av den deretter igjen. Alle arbeider som må til for å gjøre en bil ferdig, blir delt opp i enkeltoperasjoner, stasjoner. Ved stasjon nr. 34 blir det fylt bensin på den nye motoren etter at den alt har fått olje, ved nr. 44 blir kjøleren fylt med vann, og ved stasjon 48 kjører den ferdige vognen ut på gata. I de fleste store industribedrifter finnes det i dag samlebånd. Den enkelte arbeiders innsats får på denne måten større virk­ ning; effekten blir større. Daglig forlater f.eks. inntil 7600 kjøre­ tøyer samlebåndene i Europas største bilfabrikk. ' Ford bekjenner åpent at han selv ble overrasket over at arbeid ikke er noen fast størrelse, som man alltid hadde ment, og han skriver: «Jeg hadde ikke trodd at det var mulig å drive opp­ delingen av arbeidsoperasjonene så vidt.»

7.

2. 3. 4. 5. 6. 7.

8.

Henry Ford 1893-1943

Ved arbeid sikrer vi vårt livsopphold. Hvilke arbeider kun­ ne vi ikke under noen omstendigheter unnvære? Hvordan skiller legemlig arbeid seg fra åndelig? Når utfører vi legemlig og når åndelig arbeid? Akkordlønn — timelønn. Hva er forskjellen ? Hva forstår vi ved akkordarbeid? Hvilke sportsgreiner regner vi som prestasjonssport? Hvilke maskiner utfører arbeid? Vi spør mor hvor mye tid hun sparer når hun bruker elektriske apparater i husarbeidet. 43

Arbeid er ikke lik arbeid Arbeid er ikke alltid det samme i fysikken som i dagliglivet. Når vi holder en bøtte vann i hånden, trenger vi kraft for å mot­ virke tyngdekraften. Fysisk sett utfører vi imidlertid ikke noe arbeid. I fysisk forstand arbeider vi først når vi ved hjelp av muskelkraft løfter bøtten eller bærer den opp en trapp. Også når vi drar eller skyver en vogn, slik at vår muskelkraft må overvinne friksjonen over en viss veistrekning, utfører vi et arbeid.

Arbeid utføres når en kraft virker langs en vei. Lett og tungt arbeid

Ulike arbeider kan grupperes som lett eller tungt arbeid. Et stykke arbeid lar seg sammenlikne med et annet stykke arbeid. Når vi sammenlikner, må vi ikke bare ta hensyn til kraften som brukes, men også til veien som tilbakelegges. Jo større kraften og jo lengre veien er, dess større er arbeidet som utføres. Arbeid lar seg beregne ut fra kraft og vei. Arbeid = kraft (N) • vei (m) Arbeidet blir målt i newtonmeter (Nm).

44

Effekten kan økes

Mennesker, dyr og maskiner utfører arbeid. Da bøndene ennå spente hester foran plogen, varte pløyingen av et stort jorde kanskje flere dager. I dag har maskinene erstattet hesten. Traktoren trekker plogen gjennom jorda, og på noen få timer er den samme flaten pløyd grundig. Traktoren yter mer enn hesten, den er mer effektiv sier vi, og vi mener at maskinen kan utføre samme arbeid på kortere tid. For å sammenlikne effekten av arbeidsprestasjoner bruker vi som enhet det arbeid som ut­ føres i ett sekund. Det arbeid som utføres i ett sekund, kaller vi effekt.

På samme måte som vi beregner arbeid, kan vi beregne effekt. Jo kortere tid som brukes for å utføre et bestemt arbeid, dess større er effekten.

Arbeid og effekt må ikke forveksles. Når noen legger opp en vedstabel, er det arbeid. Om effekten var stor, kan vi først vurdere når vi vet hvor lang tid som ble brukt.

Istedenfor mange hester: en eneste traktor

Samme arbeid undersøkes med stoppeklokka:

45

Effekten til en hest ifølge James Watt:

Hest kontra dampmaskin Han arbeider som en hest, kan vi si om et særlig flittig menneske som sliter hardt. Hesten går for å være arbeidsdyret framfor noe. Da den ennå tjente mennesket som en rein «arbeidsmaskin», ble den til og med satt opp som målestokk for arbeidsytelser. James Watt gikk ut fra en hests arbeidseffekt da han ville bevise at hans dampmaskin var dyret overlegent. Han innførte be­ grepet hestekraft (hk), og sa at når hesten løfter 735,5 N 1 m på ett sekund, har den en effekt på 1 hk.

Gjennomsnittlig effekt elektromotorbarbermaskm .. kjøkkenmaskin , dreiebenk................................. trikk.......................................... lokomotiv................................. moped..................................... motorsykkel............................ personbil ................................. lastebil..................................... diesellokomotiv . .. skip .........................................

1/100 hk 1/3 hk 7 hk 169 hk 4400 hk 4 hk 6 hk 30—100 hk 120 hk 2200 hk 5000 hk

Siden er det slått fast at på lengre sikt er hestens effekt bare 1/2 til 2/3 hk (menneskets 1/10 til 1/8 hk) fordi hesten i mot­ setning til maskinen går trøtt.

Vi . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

husker . . . hva vi i fysikken forstår ved «arbeid» hva som må måles for å beregne arbeid hvordan arbeid beregnes hvilken rolle tiden spiller for å bestemme effekten hvilke måleenheter som gjelder for arbeid og for effekt hva vi forstår med betegnelsen 1 hk

Vi regner

Beregn størrelsen av arbeid og effekt i følgende oppgaver: 1. En heis med tyngden 5000 N og med 4000 N nyttelast når 5. etasje (20 m) på 1/2 minutt. 2. Rolf har tyngden 500 /V og klatrer på 9 sekunder opp den 6 1 /2 m høye klatrestanga. Karl på 400 N greier det på 10 sekunder, Hans på 600 N på 15 sekunder. 3. Finn har tyngden 500 N. Han løper opp en trapp på 60 trinn (hvert trinn er på 18 cm). Han tar to trmn i ett skntt og gjør to skritt i sekundet. 4. Hans (350 N) kommer til leiligheten sin i 2. etasje (7,5 m) på 20 sekunder, Odd (50 N tyngre) kommer til sin i 3. etasje (10,5 m) på 35 sekunder. 5. En fjellvandrer (750 N) med ryggsekk (250 N) går på 3 timer fra 600 m.o.h. ti! 1500 m.o.h. Han har hvilt i 20

46

Denne kjempestore mekaniske gravemaskinen kan med sin effekt erstatte en hel gjeng anleggsarbeidere

Det som en håndvever trengte flere uker til å prestere, gjor en maskin lekende lett på få timer

47

Fantastisk prestasjon med de enkleste midler: transport av en steinkoloss i oldtiden

Skråplanet

Til faraos grav

På flyplassen i Kairo lander det et moderne jetfly med turister fra hele verden. De har ikke kunnet motstå reisebyråenes lov­ prisninger: 5 dager Egypt — kamelritt til de berømte pyra­ midene i Giza — ferie i skyggen av faraonenes graver! Det er ikke uten grunn at pyramidene regnes blant verdens sju underverker! Faraonene som for nesten 5000 år siden lot sine gravmæler bygge i Giza, het Keops, Kafra og Mankara. Som alle egyptere trodde også de på legemets udødelighet. Alt mens de var i live, begynte de derfor å sørge for en behagelig tilværelse etter døden. Hundretusener av slaver ble tvunget til å slite med pyramidebygging. Oppføringen av en pyramide kunne vare 20 år og mer. Etter døden ble faraonene balsamert, likene ble overtrukket med gull, og med mat og drikke ble de bisatt i sine gravpalasser. De fikk også med slaver i graven, som kunne stå til tjeneste i det hinsidige. Disse utvalgte måtte late livet ved herskerens død. Først siden nøyde man seg med å framstille slaver, dyr, mat og all jordisk lykke på billedtavler som ble lagt i graven. På denne måte begynte en stor epoke i egyptisk kunst. Pyramider kunne bare faraonene tillate seg. For å sikre seg mot plyndrere og gravrøvere ble dødskammerne lagt i hjertet av bygget, omgitt av millioner av tonn m^d steinblokker. 48

______ .

Mankara bygde sitt gravmæle 60 m høyt. Kafra-pyramiden måler 142 m. Keops gravsted er med sine 146 m et av de største byggverk på jorda. Verdens fem største kirker, Peterskirken i Roma, katedralene i Firenze og Milano, St. Pauls katedral og Westminster Abbey i London, kunne få plass inne i den. Innpå tre millioner stein ble satt sammen til Keops-pyramiden, og av dem veide noen 30, enkelte helt opptil 150 tonn! Steinmassene kunne likevel ikke holde plyndrerne borte. Flere gravkamre ble brutt opp; gull- og sølvskatter ble røvet. Dette skjedde både med Mankaras og med Kafras gravsteder. Bare Keops-pyramiden har til i dag bevart sin hemmelighet og sine døde. Flere som har forsøkt seg på plyndring, er omkommet under store lidelser etter å ha gått seg bort i gangene inne i pyramiden. Dagens turister kommer ikke som skattegravere til pyramidene. Den overveldende opplevelse som det er å stå ansikt til ansikt med disse mektige byggverk reist av menneskehender, er lønn nok for kostbare og anstrengende reiser. Stumme står de der, og kan ikke begripe hvordan det var mulig for mennesker for tusener av år siden å føre opp slike monumentalbygg, å stable steiner på flere tonn oppå hverandre til en slik høyde.

Mektige byggverk oppført av menneske­ hender: de verdensberømte pyramidene

1. Hvordan kan man komme over et trappetrinn med en trille­ bår eller en håndkjerre ? 2. Hvordan kommer vi lettest opp et bratt ve istykke på sykkel? 3. Hvordan anlegges fjellveier? 4. Hva betyr varsel/fareskiltet ved siden av? 5. Mange mennesker vil være lure når de går opp en bratt fjellskråning og «kutter» svingene. Lønner det seg?

49

Lagt på skrå

Liten maur — kjempeprestasjon

En maur kan bære det tidobbelte av sin egen kroppsvekt. Hvis den hadde vært så stor som et menneske, kunne den alene ha slept et konsertflygel fra en etasje til den neste. Mennesket kan vanligvis bare løfte sin egen vekt, men forstår å hjelpe seg på andre måter: La oss forestille oss at vi skal løfte en tung tønne fra gata opp på lasteplanet på en bil. Hvis vi skulle løfte den direkte, måtte vi overvinne hele tyngden av tønna. Dette klarer vi ikke. Vi legger derfor en planke fra gata til lasteplanet, vi lager et skråplan. På dette ruller vi tønna opp. Det går lett, for på et skråplan trenger vi bare å løfte en del av vekta. Underlaget bærer den andre delen.

Skråplanet hjelper til med å spare krefter.

Skråplan kan ha stor eller liten stigning. Dette vil avhenge av hvor bratt planet settes opp. Stigningen angir vi i forholdet mellom skråplanets høyde og lengde. Skråplanets stigning = høyde : lengde

Jo mindre stigningen er, dess mindre er kraften som virker ned­ over parallelt med skråplanet (skråkraften). Jo mindre skråkraften er, dess mindre er også den trekk- eller skyvkraft (mot­ kraft) som må til for å holde et legeme. Jo mindre stigningen er, dess mindre må vi anstrenge oss. Nå kan vi forstå hvordan det var mulig å bevege steiner på mange tonn ved byggingen av pyramidene.

50

En liten vogn henges i en fjærvekt og trekkes opp ulike skråplan:

G = tyngde (gravitasjon) til jordas sentrum

Produktet av kraft ganger vei blir alltid det samme

Det kommer ut på ett Skråplanet hjelper til med å spare kraft. Jo mindre stigningen er, dess mindre kraft må vi bruke. Dette har vi slått fast. Sparer vi arbeid når vi ruller en tung tønne opp på en lastebil ved hjelp av skråplan? Dessverre ikke. Vi må riktignok sette inn mindre kraft, men til gjengjeld må vi tilbakelegge en lengre vei. Det kommer altså ut på ett: Enten er kraften stor, og veien liten, eller så er kraften liten, men til gjengjeld er veien lang. Regnestykket kraft ganger vei vil alltid gi det samme resultat. Eller for å si det på en annen måte: Arbeidet er alltid det samme. Dette uomtvistelige faktum be­ tegner vi som mekamkkens gylne regel.

Også dette er et skråplan:

skrue

Det vi sparer i kraft, må vi ta igjen i vei. Også det er skråplan

Med en dobbeltkile kan vi kløyve en trestamme. Jo mindre vinkelen på en kile er, dess lettere lar den seg drive inn. Også øksa har form som en dobbeltkile. Til å skru inn en skrue trenger vi mindre kraft enn til å slå inn en spiker.

papirtrekant vikles opp

51

Det går lettere når fjellbaner, fjelloverganger og bratte veier blir anlagt i sløyfer når vi går i siksak opp en bratt skråning når høyvogna kjører inn på låven over ei skrå låvebru når vi ruller trestammer opp på en vogn over skrålagte planker når vi bruker stige når man ved stabelavløpningen av et skip lar det gli over en skrå oppbygging ut i vannet

Vi h usker . . . . . . hva vi kaller skråplan

To skiløpere går opp en bakke. Hvem av dem gjør det med minst bruk av krefter?

. . . hvordan stigningen på et skråplan blir angitt . . . hvorfor vi sparer kraft ved hjelp av skråplanet . . . hvilken sammenheng som består mellom den nødvendige kraft og veilengden . . . hvorfor vi kan spare kraft ved hjelp av skråplanet, men ikke kan spare arbeid

Vi regner 7. På noen trafikkskilt står det: 12%, lengde 600 m, 15%,

lengde 800 m, 10%, lengde 200 m. Hvor stor er høydefor­ skjellen i hvert tilfelle? 2. En jernbane overvinner på strekninger av 1,2 km, 600 m, 3,8 km høyder på 60 m, 40 m, 350 m. Vi bestemmer stigningene i prosent og stigningsforholdet. 3. Et lokomotiv skal trekke en last på 5000 kN. a) Hvilken kraft trenger det på en rett strekning? b) Hvor mye mer kraft trenger det for å overvinne en stigning på 2% ? 4. Stigningen på velkjente alpepass er: Artbergpass 17%, Lille St. Bernhard 8%, Store St. Bernhard 11%, Brenner 14%, Grossglockner-høgalpevei 12%. St. Gotthard 10%, Loiblpass 24%, Malojapass 9%, Radstådter Tauern 20%, Gerlospass 16%, Turracher Hdhe 31 %, Zirler Berg 18% og Semmeringpasset 6%. Hvor mange grader er stigningsvinkelen i hvert av disse tilfellene ? (Vi tegner stigningen i riktig målestokk og måler vinkelen.)< 52

Fysisk tenkt: istedenfor å bruke kompliserte heiseinnretninger losser man uten vanskelighet over en skrå utkjøringsrampe

53

År 212 før Kristus: et hagl av stein møter de romerske skip

Vektstang

Den gamle mann fra Syrakus Det var byen Syrakus på Sicilia i året 212 f. Kr. Innenfor byens murer levde den gang en vitenskapsmann som var like berømt i oldtiden som Galilei, Newton og Einstein er i dag. Han het Arkimedes og var da 75 år gammel. Arkimedes hadde viet sitt liv til naturvitenskapen. Matematikk og fysikk hadde han studert inngående ved den berømte skolen i Alexandria. Han oppdaget en rekke naturlover som han siden prøvde riktigheten av i praksis. Hans samtidige var forbløffet over det han fant ut. Han viste f.eks. kong Hieron, herskeren over Syrakus, at man hadde bedratt ham med en gullkrone. Vekten av kronen var riktignok den samme som vekten av det gullet som var blitt levert inn, men halvparten av metallet i den ferdige kronen var sølv. Oppdagelsen av dette bedrageriet hadde sikret ham kongens vennskap. Hieron ble likevel enda mer be­ geistret ved følgende prestasjon: Et stort skip i den kongelige flåten skulle hales inn til land. Men det fantes ikke nok folk til å få kolossen i sig. Da tilkalte man Arkimedes. Da han hadde studert problemet, bygde han en enkel maskin. Ved hjelp av den drog han alene det fullastede skipel inn til land.

54

Resultatet av Arkimedes lidenskap for vitenskapen var likevel bare et liv så fortapt i tanker at han på grunn av arbeidet ofte glemte å spise og drikke, og han fikk en plutselig død. Etter at hans venn Hieron var død, måtte den 75-årige greker oppleve hvordan den romerske feltherren Marcellus angrep byen Syrakus. Mektige stridskrefter til lands og til vanns rykket fram mot syrakuserne. Byen syntes redningsløst fortapt. Da overtok Arkimedes forsvaret. Bak murene som beskyttet havnen, stilte han opp spesielt konstruerte maskiner som slynget tunge steiner langt utover vannet mot den romerske flåten som nærmet seg. Mektige steinmasser og tunge blylodd falt fra himmelen og senket de store.galeiene. De mindre skipene ble slengt mot klippene eller senket i havet med stavnen først. Skrekkslagne grep romerne til flukt, for de mente at gudene selv gjorde motstand mot dem. Først etter err åtte-måneders beleiring klarte Marcellus å sulte ut byen og innta den. Hans ærefrykt for Arkimedes var så stor at han befalte at han ikke på noen måte måtte skades. Soldatene fant den vise på stranda, fordypet i et matematisk problem som han hadde tegnet opp i sanden Han vegret seg for å gå til Marcellus, for han trodde at han nesten hadde klart å løse opp­ gaven. Rasende stakk en romersk kriger ham i hjel. Marcellus sørget hardt over den store, gamle mann fra Syrakus, som ved hjelp av enkle naturlover hadde laget slike vanskeligheter for romerne.

Arkimedes ca. 290-212 f. Kr.

7. Hvordan kan vi hjelpe oss når vi skal løfte en tung dør av

hengslene ? 2. V/ forsøker å trykke ned en dørklinke med en finger. Hvor på klinka går det lettest? 3. Vi bruker en linjal som vippe: Linjalen legges over en sekskantet blyant og avbalanseres. Så legger vi gjen­ stander av forskjellig størrelse på linjalen, slik at vi hele tiden beholder likevekten. Hva legger vi merke til med hensyn til avstanden som de forskjellige gjenstander har fra linjalens lagringspunkt? Vi bygger en automatisk vippe: Vi spikker bort stearinen / bunnen av et lys slik at veken kommer fri og kan tennes på. Ved å avbalansere lyset finner vi tyngdepunktet. Vi stikker en strikkepinne inn i lyset i tyngdepunktet. Strikke­ pinnen med lyset legger vi over to glass og tenner på lyset i begge ender. (Ikke glem å beskytte bordflaten mot den dryppende stearinen.) Hva ser vi? 55

Tunge legemer heves med en stang:

Løfte jorda av hengslene

«Undrene» som den greske fysiker og matematiker Arkimedes utførte for over 2000 år siden, er daglige fenomener for oss som lever i dag. Vi vet også at Arkimedes ikke kan ha ment bokstave­ lig dette som han skal ha sagt til kong Hieron: «Gi meg en lang nok stang og et fast punkt, så skal jeg løfte jorda av hengslene.» Han ville sannsynligvis med dette si at virkningen av menneskeeller dyrekrefter kunne forsterkes til det utrolige ved hjelp av sinnrike innretninger. Her er et eksempel: En arbeider vil flytte en tung stein. Han skyver en jernstang under den. Den frie enden av stangen presser han opp. Steinen beveger seg. Eller: Han kan legge en kloss på bakken like ved steinen og stikke stanga slik under steinen at den også kommer til å ligge oppå klossen. Presser han den frie enden av stanga ned, vil steinen bevege seg. Med jernstanga lykkes det altså arbeideren å spare kraft. Vi kaller en brekkstang vektstang. En vektstang kan brukes på forskjellige måter

Énarmet eller toarmet

På vektstanga er det to krefter som virker: på den ene siden tyngden av legemet (tasten) som skal beveges, på den andre siden kraften som skal bevege den. Enhver vektstang dreier seg om et punkt, dreiepunktet (D). Avstanden fra dreiepunktet til det punktet hvor lasten (L) befinner seg, kaller vi tast-arm. Avstanden til punktet hvor kraften (K) er, kaller vi kraft-arm. Etter hvor dreiepunktet ligger i forhold til last og kraft skiller vi mellom: énarmet vektstang, når last og kraft angriper på samme side av dreiepunktet, og toarmet vektstang, når last angriper på den ene siden av dreiepunktet og kraft på den andre. Virkningen ved én- og toarmete vektstenger: det vi sparer i kraft, må vi ta igjen i vei

56

Når vi sparer kraft Vi sparer mest kraft ved bruk av vektstang når vi gjør kraftarmen lengst mulig i forhold til last-armen. Arbeideren vil lettere kunne flytte den tunge steinen jo nærmere lasten han legger vektstangas dreiepunkt. Jo lengre kraft-arm, eller jo kortere lastarm, dess mindre kraft er nødvendig. Mekanikkens gylne regel gjelder for vektstanga på samme måte som for skråplanet: Arbeid blir ikke spart, for: jo mindre kraft som er nødvendig, dess lengre blir veien som den virker på. Da veilengden er avhengig av lengden på vektarmen, gjelder følgende lov for alle vektstenger:

57

Et lodd trekkes over en fast trosse:

Vektstenger er ikke bare brekkstenger (spett) med en særlig lang arm. På nesten alt verktøy anvender vi vektstangloven: Tang og saks er f.eks. toarmete vektstenger. Årer, spader og dørklinker er andre eksempler på vektstenger. Fast trisse

Ved siden av den store fordelen med kraftsparing har én- og toarmete vektstenger også en ulempe: De kan bare løfte lasten litt opp. Derpå må vi enten forandre dreiepunktet eller finne et nytt angrepspunkt for vektstanga. Men det lar seg gjøre å få en varig vektstangvirkning hvis vi anbringer vektstanga på en dreibar akse. Flere vektstenger ved siden av hverandre ordnet som eiker gir et hjul. Når det ikke lenger er noe mellomrom mellom de enkelte vektstengene, har vi en trisse. Ved hjelp av trisse og tauverk kan vi bringe last til store høyder. Tauet gjør det mulig for kraften vår å virke over større avstander. Det er ikke alltid vi sparer krefter ved å bruke trisser. Når vi setter inn en fast trisse, består lettelsen bare i at trekkraften virker i en mer behagelig retning, og at friksjonen minskes. Den faste trissa virker som en Ukearmet vektstang hvor last og kraft blir den sam­ me med like lang last- og kraft-arm.

Likevekt ved fast trisse: Kraft = last Den bevegelige trisse

Hvis vi henger lasten i en trisse som kan bevege seg på tauet, har vi en bevegelig trisse. Her vil det bli halvparten så lett å løfte lasten. Halve lasten vil bli båret av opphenget for tauet. En annen, en fast trisse kan brukes i tillegg, som «retningstrisse».

Likevekt ved bevegelig trisse: Kraft = 1 /2 last. Ifølge mekanikkens gylne regel vil vi heller ikke spare arbeid når vi bruker den bevegelige trissa. For at vi skal spare halve kraften, må tauet som løper gjennom hendene våre, være dobbelt så langt som den avstanden lasten skal løftes. Produktet av kraft og vei forandrer seg ikke. r~ 58

Talje

1 o eller tre bevegelige og like mange faste trisser under eller ved siden av hverandre kaller vi talje. Ved å fordele lasten på flere taulengder oppnår vi å spare kraft.

Likevekt ved talje: Kraft = last : antall tau som bærer lasten Jo flere trisser taljen har, dess lettere går det å løfte lasten, dess mindre kraft må vi bruke. Taljer nytter vi derfor når vi vil løfte svært tung last. Kranvogner, lasteramper i lagerhus og bygge­ kraner er utstyrt med taljer. Men også skosnøring er en form for talje. Belastningen som skoen må tåle når vi går, fordeler seg like mye på hvert stykke av skolissa. Også sømmen i klærne våre virker som taljer. 59

Av akse og hjul: aksehjulet

Ulike typer av vektstenger Knapt noen lov i mekanikken har så stor betydning i menneske­ nes daglige liv som vektstangloven. Vi treffer på vektstenger overalt og i mange «forkledninger». Slik gjelder vektstangloven også for bilrattet, hvor en ring er fast forbundet med en akse. En slik innretning kaller vi aksehjul. Også her spares det kraft. Derfor kan man med liten kraftinnsats dreie selv de store hjulene på en lastebil. Ofte er det ikke nødvendig å bruke hele hjulet. Det kan klare seg med én hjuleike. Istedenfor hjulet får vi da en sveiv som på alle håndkverner, skrunøkler og vindespill. Vektstenger kan ha tenner

Av akse og sveiv: sveivhjulet

Vektstenger kan også opptre som tannhjul. Men tannhjulene tjener ikke alltid til å spare kraft. Ofte vil vi ved å la flere tannhjul virke sammen forandre omdreiningstall eller omdreiningsretning. Mens f.eks. et hjul med 96 tenner dreier en gang om sin akse, må et inngripende hjul med 24 tenner gjøre fire om­ dreininger. Vi sier da at det inngripende hjulet har en firedobbelt utveksling. Eller: utvekslinasforholdet er 1 : 4. Utvekslingen angir forholdet mellom omdreiningstallene. Utveksling virker også når vi, som på en sykkel, overfører kraft fra et tannhjul til et annet ved hjelp av et kjede. Skiver (trisser) virker sammen når vi forbinder dem ved hjelp av reimer (reimskiver).

Kraft forandrer retning . . .

Vektstang: vann pumpes opp

når vi trekker for en gardin ved hjelp av snorer når vi bruker snelle for å dra en fisk opp av vannet når en bom beveges ved hjelp av tau når flagget heises når en seiler heiser seil når lodd strammer opp ledningene til elektriske jernbaner eller vaierne til fjellheiser . . . når loddet i en automatisk dørlukker drar døra til

. . . ... . . . . . . . . . . . .

Vi husker . . .

hvilke to måter en vektstang kan brukes på hva énarmete, toarmete og likearmete vektstenger er hvordan vi kan spare kraft med en vektstang hvordan vi uttrykker vektstangloven med en likning hvorfor en fast trisse er en likearmet vektstang hvordan vi kan beregne den kraften vi må trekke med når vi bruker talje . . . hvorfor trekkraften bare er halvparten så stor som lasten når vi bruker en bevegelig trisse . . . hva vi oppnår ved samvirkning av tannhjul . . . hva det menes med liten og stor utveksling ___________ . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Tannhjul: møllehjulene dreier seg

Vi regner

1. Finn (500 N) og Hans (250 N) vil huske på en 4,5 m tang planke. Hvordan må de legge opp planken? 2. På en 6 m lang vippe (likearmet vektstang) vil Karl (300 N) og Rolf (450 N) huske. Hvor på vippa må de sette seg? 3. Hvor stor kraft får vi når vi med en avbitertang klipper over en tråd som Hgger 2 cm fra dreiepunktet, og vi trykker de 15 cm lange vektstangarmene sammen ytterst med 100 N? 4. En sekk på 750 N skal løftes opp ved hjelp av en bevegelig trisse med tyngden 50 N. Med hvor stor kraft må vi trekke for å løfte sekken ? 5. En talje består av fire trisser. 12 N skal løftes 1,5 m. Hvor stor kraft er nødvendig? Hvor mange meter tau må ar­ beideren la løpe gjennom hendene ? Hvor stort arbeid blir dermed utført? 6. En bøtte på 280 N skal sveives opp. Aksens diameter er 22 cm, sveiv lengden 44 cm. Hvilken kraft er nødvendig?

Vektstang med akse: primitiv kornmølle

61

Ingen triumfbuer: bare vannledninger i det gamle Roma

Sammenhengende rør - Overflatespenning Vann til Rom

1000 I vann pr. innbygger pr. dag brukte Roma på Kristi tid. Daglig fløt det en million kubikkmeter vann inn til hovedstaden i det romerske verdensriket, dobbelt så mye som Munchen trenger i dag. I Roma ble det sløst med vannet: I tillegg til de 11 kjempestore varmtvannsbadene, som kunne ta imot mer enn 1 000 badende, fantes det i Roma også 850 mindre bad og 1 350 offentlige brønner og bassenger. En slik sløsing med vannet kan vi ikke tillate oss i dag. Ingen kjelde, ingen bekk i nærheten av byen var unyttet. Elleve store vanntilførsler sørget for at brønnene i Roma aldri tørket ut og at vannet alltid fløt til avkjøling i de luksuriøse privatboliger. Vannledningsnettet var over 400 km langt. Av dette lå 350 km under jorda og 50 km på såkalte akvedukter. Akveduktene spente fra dalside til dalside lik kjempemessige brubuer. Her fløt vannet i åpne renner. Det finnes fortsatt mange ruiner av disse akveduktene som ble oppført i tiden før Kristi fødsel. Vi må ha lov til å si at akveduktene på mange måter er bygningstekniske mesterverk. 62

Men alt før dette hadde andre ordnet sin vannforsyning på en en­ da mer imponerende måte. Et eksempel på dette finner vi i den lille greske byen Pergamon i det nordvestlige Lilleasia. Festnin­ gen Pergamon fikk i de tidligste tider vann fra en kjelde i en nær­ liggende bergskrent. Byen vokste hurtig, og snart var ikke denne kjelda nok. Den nærmeste andre kjelda lå 30 km lenger borte i fjellene. Grekerne ledet vannet herfra til et 367 m høyt fjell ved byen. Mellom Pergamon og denne høyden lå et dalføre med en dybde på 172 m. Bysisternen, den offentlige brønn, lå på en høyde av 332 m. Ingen akvedukt kunne ha overvunnet en slik høydeforskjell. Og likevel, vannet kom opp i høyden og inn i byen, takket være en naturlov. Da romerne besatte byen Pergamon noen århundre seinere og på nytt ville få orden på vanntilførselen, hadde de ingen tiltro til grekernes kunnskaper i fysikk og overtok ikke det enkle systemet. Isteden gikk de i store svinger rundt dalføret med en åpen ledning med kilometerlange akvedukter. Hvorfor gjøre det enkelt, når det også kan gjøres vanskelig!

7.

2.

3.

4. 5.

Ved en naturlov: vannet kommer «av seg selv» opp til borgen Pergamon

Vi regner opp hvor det brukes vann i husholdning, hånd­ verk og industri. / fjellområder er vanntilførselen enklere enn i låglandet. Hvorfor ? I/7 legger en helt tørr binders på en gaffel og slipper den forsiktig over / et glass fylt med kaldt vann. Bindersen flyter. l/z gjentar forsøket, først med varmt vann, så med kaldt vann tilsatt et oppvaskmiddel. Hva legger vi merke til nå? Hva kan vi ofte se på gammelt murverk i nærheten av bakken? Vi legger to reine, tørre glasskiver (diaglass) mot hver­ andre. På én side klemmer vi dem sammen med en kles­ klype, på den motsatte siden skyver vi inn en fyrstikk. Vi stiller så glassplatene loddrett i en tallerken med vann som vi har farget med blekk. Hva legger vi merke til?

63

Sammenhengende rør

Kjennetegnet på alle væsker er at de «flyter». Også væsker be­ står av molekyler. I motsetning til molekylene i faste stoffer forskyves væskemolekylene lett i forhold til hverandre. De blir alle trukket nedover av tyngden med samme styrke. Så «renner» de nedover til de er kommet lengst mulig ned. Av denne grunn blir vannspeilet alltid vannrett (horisontalt), uavhengig av bunnen i karet. Når to kar forbindes med hverandre (sammenhengende rør), vil vannspeilet på grunn av tyngdekraften stå like høyt i begge karene. I sammenhengende rør står vannet like høyt.

Denne viktige egenskapen hos væsker nyttiggjør vi oss ofte. I vannledninger stiger f.eks. vannet «av seg selv» opp til øverste etasje. Væsker henger sammen

Vi vet allerede at alle stoffer er sammensatt av små partikler, vann av vannpartikler, glass av glasspartikler, tre av trepartikler, jern av jernpartikler osv. Men disse partiklene ville rulle fra hver­ andre som perler hvis det ikke var en kraft som holdt dem sam­ men. Denne kraften som binder likeartete partikler til hverandre, kaller vi sammenhengskraft eller kohesjon. I faste legemer er denne kraften større enn i væsker og gasser. Likevel blir sammenhengskraften særlig tydelig på overflaten av væsker. Der danner væskepartiklene liksom en hud. Vi taler om overflatehinna hos væsker.

Overflatehinna er et resultat av sammen­ hengskraften (kohesjonen).

Jo varmere en væske blir, dess mer avtar overflatespenningen. Vannpartiklene i varmt vann henger ikke så fast sammen som i kaldt vann. Hvis vi tilfører oppvaskmiddel, såkalt «avspennende» middel, blir overflatespenningen enda mindre. Partiklene perler enda lettere fra hverandre og fjerner seLV inngrodd smuss.

I trange rør

Rør med forskjellig tverrsnitt senkes i vann :

Men også mellom partikler av forskjellig stoff finnes det tiltrek­ ningskrefter som holder dem sammen. Denne kraften heter vedhengskraft eller adhesjon. Adhesjonen får vanndråper til å feste seg til glass, og får trekk­ papir til å suge opp blekket. Den samme kraften får også vann i trange rør (hårrør eller kapillarrør) til å stige opp mot virk­ ningen av tyngden. Dette fenomenet kaller vi hårrørsvirkning eller kapillantet. Jo trangere rørene er, dess høyere stiger væsken. Det at vannet stiger opp i blomster og trær, er et resultat av dette fenomenet Hårrørsvirkningen er et resultat av vedhengskraften (adhesjon). Nå vet vi ... hvorfor tuten på en kaffekanne må være minst like høy som selve kanna hvorfor vi kan konstatere helling med et vaterpass hvortor vanndråper antar kuleform hvorfor grunnmurer tæres fra utsiden hvorfor potteplanter kan få vann på skåla hvorfor åkrer pløyes og valses hvorfor spritflammen brenner på en veke hvorfor løse stoffer (frottérhåndklær) er bedre til å tørke med enn tykke, glatte stoffer

Vannet i rørene stiger til forskjellig høyde

Også her virker sammenhengende rør:

Vi husker . . . • . . hva vi mener med sammenhengende rør . . . hvilken kraft som bestemmer hvordan væsken skal for­ holde seg i sammenhengende rør . • . hva vi mener med kohesjon og med adhesjon . . . hvilken kraft som lager overflatespenning og overflatehinne i væsker • . . hvordan vi kan minske overflatespenningen • • • hvilken kraft det er som skaper kapillaritet . . . hva som får kapillariteten til å vokse

Vannstandglass for å kontrollere vannmengden

Vannlåsen hindrer at illeluktende gasser stiger opp

65

En flytende by: «United States», verdens største passasjerskip

Legemer som flyter

Antikk rundbåt fra Mesopotamia

66

Også jern kan flyte Det er ikke tilfeldig at de fleste byer og landsbyer ligger ved elver eller sjøer. Vann er en livsbetingelse for menneskene. I mennes­ kenes tidligste tider var elver, vann og sjøer også de viktigste matleverandører. Fiskerikdommen var stor. Elver og sjøer var også de viktigste ferdselsveiene. De første båtene liknet lite på dagens båter. Det var trestammer eller flåter av sammenbundet siv som ble brukt. Menneskene brukte dem ikke først og fremst til å dra på langfart med, men til å fiske fra. Så fant man på å hule ut tømmerstokker. En passende trestamme ble formet utvendig med økser og kniver. Etterpå ble stokken hulet ut ved hjelp av ild. Denne formen for båtbygging finner vi fortsatt hos primitive folk i Mellom-Amerika. Laksefiskerne i Storbritannia og Irland bruker ennå en båt som i sin form minner om dem man brukte i de tidligste tider. Det er den såkalte «currach», en stor kurv av flettede vidjer, som før ble trukket med skinn, men som nå blir trukket med vanntett stoff. For 2500 år siden fantes det liknende båter i Mesopotamia. Med tiden bygde menneskene større båter og kalte dem skip. De ble utstyrt med årer. Jo flere roere som la seg i årene, dess hurtigere gikk båtene, og dess lettere kunne de komme fram mot strømmen.

Flere hundre man rodde de romerske galeiene under piskeslag og tilrop fra oppsynsmennene. Roerne var oftest fanger som var blitt dømt til umenneskelig tjeneste på disse båtene. Så kom tiden for seilbåter og seilskip. Store duker ble heist opp i masta, vinden grep fatt i dem og drev fartøyet framover. Med seilskip ble jorda utforsket. Vikingene for i sine «drakeskip» fra Grønland over havet til Amerika, som Kristoffer Columbus gjenoppdaget med sin seilflåte i 1492. Inntil begynnelsen av 1800-tallet ble skip og båter bygd av tre. I 1821 ble det første jernskipet bygd i England. Etter hvert for­ svant seilet fra de sju verdenshav, det ble dampmaskinen og propellen som drev de flytende kjempene framover. I dag drives de fleste skip med dieselmotorer, noen få drives med atomkraft. Det største passasjerskipet er «United States». Det bruker knappe 414t døgn fra Hamburg til New York. Dermed er den «flytende by» — kalt slik fordi det på dette skipet finnes alt som hører til i det moderne liv — også den hurtigste damper i verden.

Irsk currach til laksefiske

7. Hva har størst masse, 1 kilogram fjør eller 1 kilogram bly?

2.

3.

4. 5.

6.

Hvorfor er det så mange som går i fellen når de skal be­ svare dette tøysespørsmålet? Vi fyller et glass breddfullt med forskjellige stoffer etter tur, med mjøl, sand, salt, vann, og veier glasset hver gang. Tyngden av det tomme glasset må vi naturligvis trekke fra. Vi sammenlikner. Vt heller en teskje melk / et glass med vanlig vann og en teskje / et glass med saltoppløsning, og legger merke til hva som skjer i de to glassene. Vt legger et egg / et glass med vanlig vann og så i en sterk saltoppløsning. Hvordan oppfører egget seg i hvert av tilfellene ? Vi legger blikklokket tra en sa/veeske på en vannflate, først med baksiden ned og så omvendt. Hva skjer? Et premiespørsmål: Vi stiller et glass vann på en vekt og merker oss vekten. Så stikker vi en finger i vannet uten at det renner over, og uten at vi berører glasset.* VH tyngden av det fulle glasset forandre seg eller ikke? 67

Like store legemer av forskjellige stoffer henges i en fjærvekt:

Vi kan ikke se det på tingene

Om en sirkusklovn virkelig er så sterk at han kan løfte tunge vekter, eller om hans kraftoppbud er lureri, kan vi ikke fastslå ved første blikk. Men når så en liten dverg griper vektene med én hånd og med letthet bærer dem bort, skjønner vi at vi er blitt tatt ved nesen. Vi kan jo ikke se utenpå et stoff hva det veier. En stor mengde av ett stoff kan være mye lettere enn en liten mengde av et annet. Massen vil avhenge av stoffets art. Et jernlodd er f.eks. 50 ganger tyngre enn en like stor etterlik­ ning av skumplast. Massen av stoff med like stort rominnhold er avhengig av stoffenes sammensetning. For å kunne sammenlikne angir vi alltid massen av 1 cm3 av stoffet i gram (g) og av 1 dm3 i kilogram (kg) og kaller dette stoffets tetthet. Fjærvekta strekkes forskjellig

Massen av 1 cm3 av et stoff kaller vi stoffets tetthet. Tetthet angis i g/cm3.

Tettheten av vann er 1 g/cm3. Dette gjelder for vann av 4 °C, fordi vann har sin største tetthet ved denne temperatur. Vi sier at 1 cm3 vann av 4 °C har massen 1 g, eller at 1 liter vann (= 1 dm3) har massen 1 kg. Bestemmelse av uregelmessige legemers rominnhold :

Forskjellige stoffers tetthet (g/cm3): Kork..........................................

0,24

Fikentre (lufttørket) ............... 0,5 Eiketre ..................................... 0,7—1,1 Bensin ..................................... 0,7 Alkohol...................................... 0,79 Petroleum................................. 0,85 Parafin ..................................... 0,9

Den fortrengte vannmengde er så som legemets rominnhold

68

stor

Fett, olje................................... Is ..............................................

0,9 0,92

Vann .................... Sjøvann ................................... Melk.......................................... Menneskekroppen etter innånding............... etter utånding......................

1 1,02 1,03

g,98 -j Q2

Betong..................................... 1,8—2,5 Marmor..................................... 2,5 Granitt ..................................... 2,4 Vindusglass ............................. 2,6__ 3 Aluminium ............................... 2,7 Sink .......................................... 7,1 Tinn .......................... ............. 7,3 Jern .......................... ............. 7,9 Messing.................... ...............8,1 —8,7 Kopper...................... ............. 8,9 Sølv.......................... ............. 10,5 Bly............................. ............. 11,3 Kvikksølv ................. ............. 13,55 Gull ........... ............... ............. 19 3 Platina . . . ............ ............. 2^5

Isen blir på toppen

Om våren går isen opp på elver og innsjøer, og isflakene driver på vannet. At disse tunge, tykke isflakene blir båret oppe av vannet, forundrer oss ikke, for vi vet grunnen: is er lettere enn vann, og alle stoffer som er lettere enn vann, flyter på vannet. Hvis de er tyngre, synker de, f.eks. en stein, uansett hvor liten den måtte være. Foruten å flyte og synke kan legemer også sveve i væsker. Dette gjør de når de har nøyaktig samme tetthet som væsken.

Legemets tetthet er mindre enn væskens. Svever: Legemets og væskens tetthet er den samme. Synker: Legemets tetthet er større enn væskens. Flyter:

Selv om et legeme flyter i vann, betyr ikke dette at det ikke vil synke i en annen væske. Det kan synke når væsken er lettere enn vann. På den andre siden kan legemer som synker i vann flyte i tyngre væsker.

Et egg senkes i:

reint vann

svak saltopp­ løsning

Dumdristighet! Men isflakene bærer

I et måleglass flyter: sterk saltopp­ løsning

kork på bensin

i pare vartn

jern på kvikksølv

ynker

svevar

flyter

69

Legeme i et overløpskar:

Jern kan flyte på vann Det er ikke bare tettheten som avgjør om et legeme kan flyte eller ikke; også formen spiller en stor rolle. Et skip består nesten bare av jern, men det er ikke en massiv metallklump. Skipsveggene av metall skaper et stort «tomrom». I tomrommet er det luft, og luft er lettere enn vann. Jernet og all lufta veier til sammen mindre enn vann med samme rominn­ hold. Derfor flyter skipet. Men det vil dukke dypere og dypere ned i vannet jo tyngre det blir lastet. Tyngden virker på skipet og lasten. Den trykker skroget ned i vannet og fortrenger der­ med væske.

Massen av vannet som renner over, svarer ti! massen av legemet som flyter

Tyngden av den væskemengden et flytende legeme fortrenger, er like stort som tyngden av legemet.

Hvis et legeme har tetthet større enn 1, må det være hult for å kunne flyte på vann.

Flyte — sveve — synke Gummibåter og svømmevester blir blåst opp. Svømmevester består ofte av korkplater. Tomme oljefat brukes ofte som bøyer. Sjøfly har flottører på siden av flykroppen. Vi kan se at fisk «står» i vannet uten å gjøre svømmebevegelser. Også mennesker kan flyte i vann uten å bevege seg. Ubåter kan «sveve» i vannet. Et skip stikker ikke like dypt i en innsjø og i saltvann. Sportsdykkere bruker et belte med blylodd. Dypvannsforskere kaster ballast fra dykkerklokka når de skal stige opp.

Vi husker ... . . . hvor stor vannets tetthet er ... hva det betyr når vi angir tettheten på f.eks. kopper med 8,9 g/cm3 . . . hvorfor vi kan si at f.eks. granitt er 2,4 ganger så tungt som vann . . . hvordan et stoffs flyteevne og tetthet henger sammen . . . når stoff som er tyngre enn vann, kan flyte på vannet . . . hvor stor vannmengde et flytende legeme fortrenger

Flyte — sveve — synke: etter behov kan ubåten fylle flytetankene med vann eller blåse dem tomme

Vi regner

7. Hvilken kraft må F/nn bruke for å løfte en granittblokk med

målene 25/20/60 cm? Tettheten er 2,4 g/cm3. 2. En steinhogger vi! løfte en sandsteinsblokk (120 cm/ 80 cm/90 cm) ved hjelp av en talje med seks trisser. Hvor stor kraft må han bruke ? Tettheten er 2,6 g/cm3. 3. En lastebil med lasteevne 1,2 tonn skal transportere 100 jernplater (tetthet 7,9) med dimensjonene 2 m/1,20 m/ 0,5 mm. Kan bilen lastes så mye? 4. Hvor mange hektoliter vann fortrenger et skip med massen 28000 tonn ? Merknad: Det er vanlig å uttrykke et skips masse i m3 fortrengt vann. Størrelsen måles i bruttoreg/stertonn, lasterommet i nettoregistertonn. (1 register­ tonn tilsvarer massen av 2,83 m3 vann ) 71

5. Fortrenger et skip mest vann når det flyter, eller når det er blitt lekk og har sunket? 6. Et tungt lastet skip fortrenger 100000 hl vann. Hvor tung er lasten som skipet frakter, når selve skipet har massen 8000 tonn? 7. En ubåt på 1615 tonn fortrenger i undervannsstilling 24000 hl vann. Hvor mye vann må den fylle i tankene for å kunne gå ned? 8. En leider henger langs skipssiden ti! 1 m over vannflaten. Hvor langt vil leideren være fra vannflaten hvis vannet stiger 20 cm ? Oppgaver Denne lysbøyen har en hundre kilogram

72

masse på

noen

7. Vi bygger en ubåt:

a) / plastlokket på et tablettrør stikker vi et hull på 2 mm. Vi fyller røret med vann til det så vidt flyter i vann. Så stikker vi det med åpningen ned i en flaske bredd­ full med vann og setter på en kork. En gang trykker vi korken hardt inn, så løsner vi den igjen. Vi kan på denne måten se hvordan «ubåten» vår «dukker» og «tar inn vann». b) Istedenfor tablettrøret kan vi få et stykke friskt appel­ sinskall ti! å «dukke» og «ta inn vann». 2. Vi bygger et densimeter: På innsiden av et langt reagensrør trykker vi fast en papirstrimmel med centimeterinndeling. / glasset legger vi litt blyhag f Nå lar vi røret flyte i forskjellige væsker (vann, saltvann, melk, olje, terpentin . . .) og legger merke til hvor dypt det stikker hver gang. Resultatene sammen­ likner vi med væskens tetthet.

Med skip på ryggen: flytedokker bærer kjempestore skip uten å synke

En uvanlig landingsplass: bare sjøfly kan flyte

Krysse Atlanteren i sikkerhet på vannet

gummibåt:

luft gir

73

Oppdrift

Idéer lønner seg

Hvem kjenner ikke Walt Disneys Donald Duck, nervøs, alltid på kanten til å gå ut av sitt gode skinn, og alltid en ulykkesfugl ? Samtidig har Donald Duck oftest gode idéer, men han har dess­ verre ikke forstand på å få dem omgjort i klingende mynt. Så ble da heller ikke den stakkars Donald Duck rik på følgende gode tanke. Et sunket skip, en yacht, skulle berges: Donald Duck fylte båten med bordtennisballer, og den steg opp til overflaten. Donald Duck hadde vel aldri drømt om at hans enkle skipsbergingsmetode en gang virkelig skulle bli brukt. Det kom et transportskip fra Australia til Kuwait med 6000 sauer om bord. I havna i Kuwait sank skipet med hele lasten. De 6000 dyra druknet. Dette var i og for seg allerede en stor katastrofe, men en større truet. Ikke langt fra ulykkesstedet pumpet nemlig havnebyen vann opp av havet for å forandre sjøvannet til drikkevann ved å fjerne saltet. 74

Faren for epidemi var overhengende. 6000 døde sauer i et skip under vann, kadaver som etter hvert ville gå i oppløsning og forgifte havet i vid omkrets! Skipet måtte heves igjen så hurtig som mulig. Hvilket bergingsfirma trengte den korteste tiden? Den korteste tiden trengte en danske, nemlig nøyaktig 45 dager. Dansken hadde ikke hørt om Donald Ducks idé med bordtennisballer, men hadde i grunnen funnet på det samme knepet. Han foreslo at man skulle pumpe det sunkne skipet i Kuwait fullt av bittesmå plastballer. I ballene var det bare 2% plast, resten var luft. Den luftholdige plasten ble pumpet inn i skipet på havbunnen gjennom slanger og fylte ut alle tomrom, mannskapslugarene, lasterommet over de døde sauene, maskinrommet, kapteinens kahytt og kommandobrua. Så en natt beveget dødsskipet seg, kom løs fra bunnen, svevet først noe på stedet og beveget seg etter hvert opp mot over­ flaten, hvor det dukket brusende opp av bølgene. Kuwaits drikkevann var reddet. Den danske fagmannen og lufta i plastballene hadde utført hele jobben.

Donald Duck med en fysisk idé : bordtennis baller berger skip

1. Vi trykker et tomt kar ned i vann med åpningen opp. Hva merker vi? 2. Hva er påfallende når vi løfter en stor stein i vann? 3. Vi presser en tom, lukket dåse (tablettror) dypt ned i en bøtte med vann. Vi beveger også dåsen sidelengs under vannet og legger hele tiden merke til vannets motstand. Hva kan vi slå fast ? 4. Vi slipper dåsen vi holdt under vann. Hva skjer? 5. Vi skjærer lokket av en høy blikkboks, borer et hull i bunnen av den og flere hull i forskjellig høyde oppover siden. Deretter trykker vi boksen med bunnen ned i en bøtte med vann, og passer på at ikke noe vann kommer over kanten på den. Vi sammenlikner vannstrålene som strøm­ mer mn gjennom de enkelte hullene. Hva legger vi merke til? 75

Lodd med treklosser i forskjellig bredde stilles på en svamp:

Like stor trykkraft, men forskjellig trykk

Kraften i vannsøylen

De aller fleste som svømmer har sikkert forsøkt å dukke. Når vi gjør det, oppdager vi noe interessant: alt på 3-4 meters dyp merker vi et ubehagelig trykk i ørene, vi får «øresus». Dette øresuset kan vi forklare slik: Tyngden virker på vann som på alle andre legemer. Den trek­ ker hver enkelt vannpartikkel nedover. Derved oppstår vannets tyngde. Jo flere partikler det er til stede, dess større vannlasten er, dess større blir tyngden. Hvis vi dukker under vann, er det mange vannpartikler over oss. Tyngden av disse partiklene trykker på hele kroppsoverflaten. Særlig sterkt reagerer trommehinnen på dette trykket. Jo dypere vi dukker, dess større blir tyngden som hviler på kroppen. Dypvannsdykkere er derfor utstyrt med trykksikre dykkerdrakter. På hodet har de en dykkerhjelm som står imot vanntrykket. Forholdet mellom en kraft som virker på en flate og arealet av flaten kaller vi trykk. Vi sier at vi har et trykk lik 7 atmosfære (1 at) når en kraft på 9,807 N virker på 1 cm2. Trykk måles i atmosfærer. 1 at = 9,807 N/cm2

Trykket måler vi med en trykkmåler, manometer. Måler vi tryk­ ket av en vannsøyle på 10 m med et manometer, vil vi kunne lese av 1 at. På 10 meters dyp står det en vannsøyle over manometret som omregnet er 1000 cm høy. Med en grunnflate på 1 cm2 har vannsøylen et rominnhold på 1000 cm3. 1000 cm3 vann har en tyngde på 9,807 N. 9,807 N trykker på 1 cm2. På 1 0 meters dyp utgjør altså vanntrykket i at, på 20 m det dobbelte. Lufttrykket avtar jo høyere vi kommer over havet. Vanntrykket øker med 1 at for hver 10 m dybde.

Vanntrykket prøves på forskjellige steder: det er bare avhengig av dybden

76

Vann gjør lettere

En ballong fylt med vann senkes i vann:

Hvis vi senker en gjenstand ned i vann, fortrenger vi vannpartikler. Denne «forstyrrelsen» er ikke partiklene særlig begeistret for. De forsøker å gjeninnta sin gamle plass. De trykker derfor fra alle sider på det nedsenkede legemet.

Vannet trykker på et nedsenket legeme fra alle sider. Trykket på et legeme senket i vann er på samme dybde alltid like stort i alle retninger. Trykkene blir derfor utliknet. Men vanntrykket ovenfra og nedenfra er ikke det samme. Trykket nedenfra er alltid større en trykket ovenfra, fordi lege­ mets underside alltid vil stikke dypere i vannet enn oversiden. Kraften som oppstår på grunn av forskjellen i trykket nedenfra og ovenfra, kaller vi oppdrift.

ballongen blir trykt sammen med forskjel­ lig styrke

Legemer i vann får en oppdrift. Oppdriften virker motsatt av tyngden.“Den gjør derfor et legeme i vann lettere, nemlig så mye lettere som tyngden av det vannet legemet fortrenger. Dette gjelder ikke bare for vann, men for alle væsker. Oppdriften er lik tyngden av den fortrengte væskemengden. Nå kan vi forklare flyting og synking: Vi senker et legeme i vann. Hvis oppdriften da er større enn tyngden, flyter legemet på vannets overflate. I motsatt fall synker det.

77

Oppdrift hjelper En vannkanne som fylles i et kar, lar seg lettere løfte opp under vann. En tung stein kan vi nesten uten anstrengelse bære under vann. En druknende kan lett beveges i vannet av en redningsmann.

Vi husker . . . . . . hva trykk i vann har med tyngde å gjøre ... i hvilken retning vanntrykket virker . . . hvordan størrelsen på vanntrykket forandrer seg . . . hvorfor det er forskjell mellom trykk og kraft . . . hvilken måleenhet vi bruker for trykk . . . hva slags måleinstrument vi bruker for å måle trykk . . . hvordan vanntrykk og oppdriftskraft henger sammen . . . hvordan størrelsen på oppdriftskraften lar seg bestemme ... hvorfor legemer blir lettere når vi senker dem i væsker Vi regner Dybderekorder oppnådd i dykkerapparater:

7. Hvilket vanntrykk er det på 20, 50, 100, 200 m . . . vann­

2. |

3150 m Dybdeskip

1934 923 m Beebe og Barton USA

3.

1953 3150m Auguste og Jacques Piccard Sveits 1954 4050 m Houot og Willm Frankrike

4.

1960 10 916 m Jacques Piccard Sveits Don Walsh USA

5.

4050 m

Dypvannsskip ca. 11 000 m

78

6.

dyp? Kroppsoverflaten på en voksen mann utgjør ca. 2 m2. Hvor stor er den samlede kraften som trykker på mannen ved de samme dyp ? Dykkerkula til den amerikanske dypvannsforsker William Beebe hadde en diameter på ca. 1,4 m (overflate ca. 6 m2). Han kom med denne kula ned til en dybde av 923 m. a) Hvor stor var den samlede kraften som virket på kula ? b) På et vindu alene hvilte en kraft på 1000 kN. Hvor stor var vinduets overflate? En stein har tyngden 240 N. Hvilken kraft trenger vi for å løfte steinen under vann? Tettheten til steinen er 2,5 g/crrP. En sylinderformet bøtte som veier 3 N, rommer 12 1. Hvilken kraft må vi bruke for å trykke den helt (halvveis) ned i vann ? • Ved forskjellige svømmeprøver må man dukke henholds­ vis 2 og 4 m. Hvilket vanntrykk må kroppen tåle / hvert av tilfellene ? r

Jacques Piccards dykkerskip «Trieste» blir satt i vannet. Nesten 11 000 m dyptnådde Piccard med dette dykkerapparatet. Den veldige tanken er fylt med bensin, dykkerkula på undersiden er lagd av 1 2 cm tykke stålplater og er for dykkeren.

Dykking er ikke bare et spørsmål om tyngde: en stein skulle trekke dykkerklokka anno 1872 til store dybder. Det ble med modellen, for man hadde ikke tatt hensyn til noe viktig (venstre). Beint fram uhyrlig virker derimot en moderne dypvannsdykker, som må ha hjelp av en skipskran for å komme i vannet.

79

Lufttrykkets kraft blir vist på en tydelig måte: Guerickes oppvisningsforsøk ved Regensburg

Luft og lufttrykk

De magdeburgske halvkuler

«Bare erfaring kan gi løsning på all tvil,» sa borgermesteren i Magdeburg, diplomaten og naturforskeren Otto Guericke, for mer enn 300 år siden. «Erfaringen kan gi oss råd i alle vanske­ ligheter, og lære oss hva som er riktig!» Guericke, som satte erfaring over alt, gjennomførte en rekke fysiske forsøk. Kjepphesten hans var lufta, eller — for å si det nøyaktigere — det motsatte av luft, det lufttomme rom. Han eksperimenterte med tomme tønner og forsøkte å pumpe lufta ut av dem med en ombygd håndbrannsprøyte. Mange mennesker lo av ham, og mente at deres vitebegjærlige borger­ mester lekte seg til ingen nytte. Et rom uten luft var noe man ikke kunne forestille seg, noe man nesten var redd for. Men Guericke fortsatte med sin fritidsbeskjeftigelse, og stilte tønna som han ville pumpe lufta ut av, i et større kar fylt med vann. Pumpa ble satt på, to tjenestegutter betjente den ivrig. Da de hadde svingt pumpestanga opp og ned en stund så svetten rant, hørte de en lystig lyd fra innsiden av den lille tønna. Forskrekket ville guttene løpe sin vei. Men det var bare vannet, som trengte inn i den lufttomme tønna. 80

En dag var Guerickes tjenestegutter på nytt i gang med å suge lufta ut av en hul kopperkule med tynne vegger. Plutselig lød et høyt knall og lyd av knitrende metall. Den hule kula, som før hadde vært helt glatt og rund, lå foran dem, stygt sammenkrøllet som en papirlapp. Da var Otto Guericke sikker på at han var kommet på spor av en hittil ukjent kraft. For å presentere denne kraften for all verden laget han i stand til et forsøk som var det reine skuespill. Dette skulle finne sted på et jorde utenfor bymurene i Regensburg, hvor Guericke oppholdt seg som sin hjembys utsending til Riksdagen. Til forsøket trengte han to halvkuler av messing med en diameter på ca. 40 cm, en god pumpe og flere hester. Den 8. mai 1656 er alt klart. Tjenestegutter legger halvkulene mot hverandre med en lærring som pakning. Så pumper de til det ikke lenger er mulig for dem å bevege halvkulene. Nå lar Guericke hestene spenne for, først seks på hver side, så åtte. Gå på, hester, dra! Hestekarene lar piskene knalle, 16 hester legger seg i selen av all kraft. Men halvkulene holder sammen, som om de skulle vært en kule laget av ett stykke. Endelig, ved tredje tilsprang, faller de to delene fra hverandre. Tilskuerne var himmelfalne, og kongen ble så imponert over forsøket at han æret Otto Guericke med en adelstittel.

Otto von Guericke 1602—1686

7. Vi fester et stykke papir i bunnen av et høyt glass slik at

2. 3.

4.

5.

det ikke kan falle ut når vi snur glasset på hodet. Vi trykker så glasset med bunnen i været ned i vann til det er helt oversvømt. Vi løfter glasset loddrett opp igjen, og kjenner etter om papiret er blitt vått. Mange mennesker kan ganske enkelt ikke drikke av en brusflaske. Hva for feil gjør de? Vi suger på en tom flaske og bruker tungen for å hindre lufta i å strømme inn. Hva skjer? Vi fyller en flaske 3/4 med vann og stiller den opp ned på to fyrstikker i en dyp tallerken med vann. På forhånd har vi klebet en papirstrimmel med millimeterinndeling på ut­ siden av flaska. / løpet av noen dager undersøker vi vann­ standen i flaska. Hva vet du om «pressluft» ?

6. Luftas oppførsel kan på mange måter sammenliknes med vannets. Vann lar seg pumpe, driver hjul, bærer skip, lar senkede legemer stige opp. Hva med lufta?

81

Et glass senkes i vann med åpningen ned:

Vannet kan ikke trenge inn i glasset

De er der

Vi kan støte bort i et bord. Hvis vi faller i vannet, blir vi våte. Faste og flytende stoffer merker vi uten videre. Vi kan føle dem og smake på dem, vi kan se dem. Men faste og flytende stoffer er ikke de eneste stoffer som omgir oss. Det finnes også andre, men det er oftest vanskeligere å fastslå at de er der. Disse stoffene lar seg ikke gripe, noen ganger kan de luktes, sjelden kan de sees. De stoffene vi tenker på er gasser. Fordi de ikke kommer oss i møte på noen iøynefallende måte, legger vi ofte ikke merke til dem. Men de er der: luft f.eks. i oppumpede bilhjul, gass i gassledninger, hydrogen i ballonger. At lufta er der, merker vi når vinden truer med å kaste oss om kull. De eneste stedene på vår jord hvor vi ikke finner gasser, er der hvor det allerede finnes faste eller flytende legemer. Men et tomt drikkeglass er fylt til randen, breddfullt med luft.

Luft er en gass og fyller et rom.

Jordas tiltrekningskraft virker også på lufta. Den trekker de en­ kelte luftpartiklene nedover. På den måten får lufta tyngde. Én liter luft har massen 1,29 g.

Jordas tiltrekningskraft holder luftpartiklene fast til jordkloden. De lager et ca. 500 km tykt hylster om planeten vår, atmosfæren, som stadig blir tynnere jo lenger ut vi kommer.

Massen i g av 1 liter av forskjel­ lige gasser Hydrogen................................................... 0,09 Helium....................................................... 0,18 Lysgass ..................................................... 0,61 Acetylen..................................................... 1,17 Nitrogen................................................... 1,25 Karbonmonoksyd......................................1,25 Luft ............................................................ 1,29 Oksygen..................................................... 1,43 Propan....................................................... 1,98 Karbondioksyd.......................................... 1,98 Svoveldioksyd .......................................... 2,88

82

Vi har innstilt oss på det Selv om lufta er forholdsvis lett, er tyngden likevel merkbar på jorda. La oss ta luftas virkning på kroppen vår som et eksempel. På kroppen hviler en luftsøyle på ca. 500 km. Lufta trykker på hodet, på skuldrene, på hendene og på organene våre, selv om vi ikke merker noe til disse kreftene. Kroppen vår har tilpasset seg til at det på hver kvadratcentimeter av kroppens overflate (til sam­ men ca. 1,5 m2) hviler en tyngde på ca. 10 N. Denne kraften på 1 0 N virker ikke bare på hver kvadratcenti­ meter av kroppen vår, eller på hver kvadratcentimeter av alle andre levende vesener og ting. Den virker også på partiklene i de underste luftlagene. På samme måten som vannpartiklene lar luftpartiklene seg forskyve mot hverandre. De underste par­ tiklene forsøker å komme unna trykkraften fra de øvre luftlag og trykker i alle retninger mot sine naboer. Vi taler om lufttrykk.

Et glass fylt med vann dekkes med et post­ kort og vendes opp ned :

Vannet blir i glasset

Lufttrykket virker i alle retninger, også oppover.

Vokser og blir kortere

Lufttrykket måles: forsøket til italieneren Torricelli (1608—1647)

Trykket som atmosfæren øver på jorda, er ikke alltid det samme. Det kan forandre seg når som helst. Disse lufttrykksforandringene henger blant annet sammen med oppvarming og av­ kjøling av luftlagene. Endringer i lufttrykket varsler værforandring. Hvis lufttrykket faller, kan vi vente dårlig vær; hvis det stiger, tyder det på en bedring i været. Værstasjonene måler derfor stadig lufttrykket for å kunne gi værmeldinger. De første nøyaktige lufttrykksmålinger ble gjennomført i 1 643 av den italienske fysiker Torricelli. Han fylte et meterlangt glassrør som var lukket i den ene enden, med kvikksølv, og stilte det med åpningen ned i et fat som også var fylt med kvikksølv. Det tunge, flytende metallet i røret rutsjet et stykke ned, slik at kvikksølvsøylen ble ca. 76 cm (760 mm). Det var nå likevekt mellom trykket av kvikksølvsøylen og det ytre lufttrykk. Hvis lufttrykket ble større, trykket det kraftigere på kvikksølvet i fatet og skjøv det noe lenger oppover i røret. Kvikksølvsøylen vokste. Den ble kortere når lufttrykket falt. 83

Trykk i millimeter

Dåsebarometret (aneroidbarometret): fjærkraften og lufttrykket holder hverandre i likevekt

På et termometer kan vi lese temperaturen utfra lengden av kvikksølvsøylen. På samme måten kan lufttrykkets størrelse bestemmes ut fra lengden på kvikksølvsøylen. Til dette brukes en lufttrykksmåler, et barometer. En skala gjør hurtig avlesning mulig.

Lufttrykket blir angitt i mm-kvikksølvsøyle eller i millibar (mb). 750 mm kvikksølvsøyle = 1000 mb Med en grunnflate på 1 m2 har en 76 cm høy kvikksølvsøyle et rominnhold på 76 cm3. Massen av søylen utgjør da 13,6 g (massen av 1 cm3 kvikksølv) ganger 76, dvs. 1033 g = 1,033 kg. Tyngden av lufta på hver eneste kvadratcentimeter på jord­ overflaten blir altså 10,132 N. Dette trykket kaller vi en fysisk atmosfære. Vi måler det med et barometer.

1 fysisk atmosfære (atm) svarer til en kraft på 10,132 N som virker på 1 cm2. I motsetning til den fysiske atmosfære har vi den tekniske

atmosfære som måles med et manometer. 1 teknisk atmosfære (at) svarer til en kraft på 9,807 N som virker på 1 cm2.

Kvikksølv

1 at er trykket av en 1 0 m høy vannsøyle. Denne vannsøylen gir altså tilnærmelsesvis det samme trykk som den samlede 500 km høye luftsøylen i jordatmosfæren. Fordi kvikksølvbarometret er et uhåndterlig instrument, ble moderne lufttrykksmålere utviklet. Vanligvis bruker vi i dag dåsebarometret (aneroidbarometret) til lufttrykksmålinger. I daler og på fjellet

Da lufttrykket avhenger av tyngden av lufta som ligger på jord­ overflaten, er det ikke like stort på steder som ligger i forskjellig høyde over havet. På fjellet er det mindre enn nede i dalen, for på toppene er det mindre luft over oss. Dertil kommer også at lufta i større høyder er tynnere og derfor lettere. Kvikksølvbarometret: tyngden av kvikk­ sølvsøylen og det ytre luftlag holder hver­ andre i likevekt

84

Lufttrykket avtar jo høyere vi kommer over havet.

Kvikksølvsøylen måler gjennomsnittlig 760 mm ved havflaten. Inntil 2000 m.o.h. avtar lufttrykket med 1 mm kvikksølvsøyle for hver 11 m stigning. I fordypninger — områder som på samme mate som Dødehavet ligger lavere enn havflaten — stiger kvikk­ sølvsøylen over 760 mm. Barometret kan på denne måten også anvendes som høydemåler.

Barometret lar seg ikke bare bruke til måling av lufttrykket. Det kan også måle høyder

Luft med kraft Vi har allerede slått fast at alle legemer opptar et rom. Dette rom­ innholdet lar seg vanskelig forandre når det gjelder faste og fly­ tende stoffer. Luft og andre gasser lar seg lettere presse sam­ men. Luftpartiklene lar seg skyve mot hverandre, vi kan presse dem tett sammen. Luft kan vi fortette eller komprimere Men den sammenpressede lufta vil alltid presse på for å kunne gjeninnta sitt opprinnelige rom. Den trykker mot veggene i karet nvor den blir komprimert. Vi kan si at sammenpresset luft har

spennkraft.

J 85

Luft blåses inn i en lukket kolbe:

Overtrykket driver vannet ut

Ytre trykk 1 at

Luft suges ut av kolben:

Undertrykket får vannet til å strømme inn

Komprimert luft kan utføre arbeid når kraften som komprimerer den, blir opphevet. Den kan åpne en dør, utføre arbeid i presslufthammere, i trykkluftbremser og ved mange andre anlednin­ ger.

Luft lar seg fortette (komprimere). Fortettet luft har spennkraft.

Tykk og tynn luft

Overtrykk 1,4 ato

Luft og andre gasser blir oftest fortettet med maskinpumper, med såkalte kompressorer. Hvis vi med en kompressor fyller en tønne med fortettet luft, blir trykket inne i tønna større enn det normale ytre trykk. Det oppstår et overtrykk. Dette trykket måles i ato (atmosfæreovertrykk). Omvendt lar også luftpartiklene seg pumpe ut av et lukket kar. Vi får et tuftfortynnet rom. Hvis all lufta fjernes fra et rom, taler vi om et vakuum. Luftfortynningspumper kaller vi derfor også

vakuumpumper. Luft lar seg fortynne.

I et luftfortynnet rom er trykket lavere enn det ytre lufttrykk. Det hersker et undertrykk (atu — atmosfæreundertrykk). Overtrykk og undertrykk måles med manometer. I 86

Når volumet av en gassmengde øker, minker trykket, og trykket øker når volumet minker.

For en bestemt gassmengde ved en be stemt temperatur, gjelder denne sammen hengen mellom trykk og volum: Trykk ■ volum = konstant

Her virker lufttrykket

Med et sugerør kan vi suge melk ut av pappkartonger. Lokket på et hermetikkglass sitter tilsynelatende fast av seg selv. En lufttom innpakning smeller når vi åpner den (vakuumpakkede kaffebokser). Vi lager to hull i melkeboksen for at melken skal kunne renne ut. For å kunne suge ut et rått egg må vi lage to hull i skallet. Hvis vi skal drikke av en flaske, må vi la det slippe inn luft mel­ lom munn og flaskeåpning.

Forskjellige trykk

I

Overtrykk (ato):

Lysgass ........ ............................ . Blodtrykk ...................................... Trykkoker ...................................... Gummidekk: personbiler..............

lastebiler ................ fly............................. Vannledning ........................ Pressluftbor.................................... Bensinmotor.................................. Propangassflaske ......................... Dieselmotor.................................... Oksygenflaske............. •................ Dampkjel........................................

0,01 0,1 0,1 1,2—2,0

3—4 10 5 4—5 10 30 40 150 150

Sammenpresset luft har kraft

Med presslufthammere kan vi knuse gatedekker og betong. Bergverkslokomotiver kjører med pressluft. Spraybokser har i tillegg til innholdet også en sammenpresset gass. Pressluft (men også sammenpresset oksygen, hydrogen og andre gasser) må oppbevares i tykkveggete stålflasker. Mange kjøretøyer har luftfjæring. Lufta som presses inn i bilhjulene, bærer tunge laster. Sammenpresset luft slynger kula ut av et luftgevær.

Vi husker i hvilken retning lufttrykket virker hvilken kraft det er som skaper lufttrykket hva italieneren Torricelli har bidratt med når det gjelder utforskning av lufttrykket hvilket mål vi bruker for lufttrykket hvilken forskjell det er mellom en fysisk og en teknisk atmosfære hvorfor et barometer også kan brukes som høydemåler hvordan lufttrykket virker på væskers kokepunkt hva som skjer når vi fortetter eller fortynner luft hva vi mener med overtrykk og undertrykk

87

Vi regner

1. 72 liter luft blir presset sammen til 6, 4, 3, 2, 1 liter. Hvilket trykk og overtrykk oppstår i hvert av tilfellene? 2. Bildekk har et overtrykk f.eks. på 1, 2, 2,5, 4 ato. a) Hvilket trykk er det virkelige inne i dekkene i hvert av disse tilfellene ? b) Hvilket trykk må dekkene tåle? 3. En vanlig oksygenflaske (stålbeholder med 8,75 mm tykke vegger) rommer 40 liter. Fyllingstrykket utgjør 150 ato. Det finnes også flasker med et rominnhold på 20, 30, 80 liter. a) Hvor mange liter oksygen kan hver av disse flaskene ta ? b) Fyllingen av en 40-liter-flaske koster 30 kr. Hva er literprisen ? 4. Den tomme 40-Hter-ftaska har massen 75 kg. 1 liter ok­ sygen har massen 1,43 g. Hvor stor masse har den fulle flaska hvis gassen har et overtrykk på 150 ato? 5. Trykkmåleren på flaska viser ved sveising: før arbeidet 150 ato, etter arbeidet 140 ato. Hvor mange liter ble brukt ? 6. Hvor stor er kraften som lufttrykket utøver på en 1,5 m2 stor overflate av det menneskelige legeme? 7. Forsøket med postkortet (s. 83) gjennomførte vi med et sylinderformet vannglass med en diameter på 7 cm og som rommet 0,2 f Hvor stor var kraften som holdt postkortet fast ? 8. En bordplate er 1,2 m lang og 80 cm bred. Hvor stor er lasten som denne platen må bære ? 9. Et fjernsynsrør er nærmest lufttomt. Rørets bildeside har en flate på ca. 20 dm2. Hvilken trykkraft må det kunne tåle? Oppgave

Et postkort skal løftes fra bordplaten ved hjelp av et annet postkort, men uten at undersiden berøres. Vi ruller kort nr. 2 sammen til et rør. Så holder vi den ene enden av røret mot kortet som tigger på bordet, og suger lufta ut gjennom den andre enden. På denne måten oppstår det et tuftfortynnet rom, og det ytre lufttrykket presser postkortet

88

Manometret beviser det: trykklufta i dekkene bærer lasten

Med trykkluft: pressluftboret knuser veidekket

I tykkveggete stålflasker oppbevares oksygen med minst mulig rominnhold under stort overtrykk

89

Flyforsøk i året 1895: Otto Lilienthal flyr 37 meter med sin todekker

Flyging

Mellom himmel og jord Den 23. mai 1927 fortalte den amerikanske avisen «New York Times» sine lesere: «Paris, 21. mai: Lindbergh har klart det. Seint i aften, kl. 22.20, gled plutselig en hvit maskin ut av mørket foran øynene på 25000 spente tilskuere og kom inn for landing i en myk kurve. «Jeg har klart det!» sa Lindbergh med et lykkelig smil da den hvite, lille éndekkeren hadde stanset midt på jordet og de første var nådd fram til ham. Lindbergh ville hoppe ned, men tjue hender strakte seg opp og løftet ham som et lite barn ut av maskinen og opp på skuldrene.» Charles A. Lindbergh, en ung postflyger fra St. Louis, hadde som den første pilot foretatt en non-stop-flyging over Atlanter­ havet fra New York til Paris, en strekning på 5800 kilometer. Den 20. mai 1927, kl. 7.40 om morgenen, startet han med sin lille maskin «Spirit of St. Louis» fra Roosevelt-flyplassen i New York, med en utrolig stor ballast på 2000 liter bensin og 90 liter olje om bord. Flyet var reine mordvåpenet, tilstod Lindbergh siden i «New York Times». f

90

«Fordi jeg ville holde turen strengt hemmelig, startet vi (dermed mener jeg flyet og jeg) temmelig plutselig. Snart etter starten kom vi ut for tåke og regn . . . Det ble stadig verre. Over meg, under meg og på begge sider raste stormen . . . Det gjorde meg svært bekymret, og jeg kjempet med meg selv, burde jeg ikke likevel snu? Til slutt bestemte jeg meg for ikke å grunne mer på om jeg skulle snu eller ikke . . .» Den unge postflygeren Lindbergh fra St. Louis regner vi i dag blant flygingens pionérer. Rekken begynner med den geniale italienske kunstner og tekniker Leonardo da Vinci, som alt i middelalderen hadde laget utkast til flygemaskiner. Men først året 1783 steg varmluftballongene til brødrene Montgolfier og hydrogenballongen til franskmannen Cesar Charles opp mot himmelen. I 1800-årene var oppfinnerne opptatt med bygging av flygeapparater. Otto og Gustav Lilienthal i Tyskland klarte alt i 1890 å fly flere hundre meter med luftglidere, og brødrene Wright, to amerikanske sykkelfabrikanter, klarte å komme 260 meter på 59 sekunder med sitt motorfly. Men virkeliggjørelsen av menneskehetens gamle drøm, å kunne holde seg i lufta som en fugl så lenge en ville, gikk først i oppfyllelse med Charles Lindbergh.

Lindbergh og hans «Spirit of St. Louis»

7. Ballonger som vi blåser opp med munnen og binder til

en snor, henger nedover. Men ballonger som selges på tivoli, må vi holde fast for at de ikke skal fly bort. Hva kom­ mer dette av? 2. Vi svinger lokket på en stor pappeske gjennom lufta, først med smalsiden, så med bredsiden, til å begynne med langsomt, så fortere og fortere. Hvilken forskjell merker vi? 3. Vi lar en fyrstikkeske og en papirbit falle samtidig til jorda. Hva får vi se? Så legger vi papirbiten på fyrstikkesken og lar denne falle. Hva er nå annerledes? 4. Vi lar en titen bomuHsdott sveve rundt i rommet. Deretter fører vi et hefte, forsiktig med bredsiden til, helt i nærheten av dotten og trekker det svært hurtig sidelengs vekk. Hvordan oppfører bomullsdotten seg?

91

Lettere enn luft Det tar noen timer å fylle en ballong helt med lett gass. Så står den stolt opp i lufta, mens oppstigningen hindres av sterke tau. Først når tauene løsnes, svever ballongen mykt og lydløst mot skyene. Vi vet at en usynlig kraft skyver den oppover. En slik kraft finnes virkelig. Til tross for ballongens tyngde er den lettere enn den luftmengden den fortrenger. Derfor er den utsatt for oppdrift, på samme måten som en kork i vann. Den kan fly.

Oppdriften er så stor som tyngden av den fortrengte gassmengden.

Vannrett luftstrøm blåses over et loddrett rør:

Ballongen stiger og stiger, først hurtig, så etter hvert stadig lang­ sommere, til den svever i en viss høyde. Nå er den ikke lenger lettere enn den luftmengden den fortrenger, men akkurat like tung. På bakken var den lettere enn luft. Har den tiltatt i tyngde, er det kommet en mann til om bord? Ballongen har ikke forandret tyngde, men det har lufta. Som vi vet, blir lufta oppover stadig tynnere og dermed lettere. I store høyder har lufta svært liten tyngde. Lufta rett over bakken har størst tetthet og er altså tyngst. Nå kan vi også løse gåten: Det finnes soner hvor luftas tetthet er nøyaktig så stor som ballongens. Ballongen stiger ikke videre, den svever. Den vil først fly videre oppover hvis mann­ skapet gjør ballongen lettere ved å kaste ut ballast (for det meste sand). Ballongen vender tilbake til jorda når man gjør den tyngre enn luft: altså når gassen slippes ut.

Tyngre enn luft Like imponerende som det ser ut når et fly hever seg mot him­ melen med en dristig sving, like enkle er lovene for flyging med fly som er tyngre enn luft. Den sveitsiske naturforsker Daniel BernouiHi (1700—1782) var den første til å slå fast at lufttrykket synker så snart lufta be­ veger seg. Bare i rolig luft er normallufttrykket 1 atm (10,132 N/cm2). BernouiHi påviste at trykket blir lavere jo hurtigere lufta strømmer. På denne måten oppstår et undertrykk. Hvis hastigheten til en strømmende gass tiltar, synker trykket.

92

Bernouillis strømningslov kommer til anvendelse når et fly starter. Med 3-400 km i timen raser maskinen bortover startstripen før den hever seg fra jorda. Den blir skjøvet av raketter eller «trukket» av propeller. På vingeflaten virker luftkrefter som følger strømningsloven. Vmgeflatene framviser et særskilt tverrsnitt: på oversiden buer de utover, på undersiden innover.

Det blåses over et papirark som er klemt fast i en bok:

Trukket og hevet Når maskinen flyr, er den utsatt for en stor luftstrømning. Med stor hastighet glir lufta langs vingeflaten, en del stryker forbi på oversiden,- en del på undersiden. Lufta som «velger den øvre vei», må på grunn av buingen utover på samme tid tilbakelegge lengre vei enn lufta på undersiden av vingen. Den har altså større hastighet og får derfor et mindre trykk. Dette undertrykket utøver et sug som strekker flyet opp­ over. Annerledes er det med forholdene på undersiden av vingen: Veien, som lufta må tilbakelegge på samme tid, er der kortere. Strømningshastigheten er mindre. På denne måten oppstår det fra undersiden et overtrykk som løfter vingeflaten. Men begge kreftene virker mot tyngden, flyet holder seg i lufta.

Arket hever seg høyt

Undertrykk og overtrykk holder et fly i lufta.

93

Legemer av forskjellig form beveges hurtig gjennom vann :

Luft hindrer Overtrykk og undertrykk virker også på bakken, som når en bil kjører bortover veien. Luft stiller seg i veien for den som en hindring, kjøretøyet må skyve luftpartiklene til side. Det opp­ står et overtrykk foran kjøleren, foran støtfangeren, foran front­ ruta. Vi får et bremsende mottrykk foran bilen. Bak vogna oppstår det et luftfortynnet rom, altså et undertrykk. Det virker som et sug som forsøker å holde kjøretøyet tilbake. Det oppstår en virvel. Overtrykket og suget (undertrykket) gir til sammen den kraften som bremser på farten, luftmotstanden. Denne virker desto sterkere jo hurtigere bilen beveger seg, og jo større angrepsflaten er. I ■■■ —■ I . ■ I, —■ I

Luftmotstanden hemmer bevegelsen. Den vokser når hastighet eller angrepsflate blir større. Et strømhnjeformet legeme er utsatt for minst motstand. Her smyger luftpartiklene seg langs legemet som beveger seg. Ved denne formen strømmer lufta bak legemet til slutt sammen igjen. Fordi motstanden blir mindre ved strømlinjeform, sparer man kraft. Denne innsparte kraft kan settes inn for å øke hastigheten. I vannet opptrer de samme fenomener som i lufta. Det dannes virvler av forskjellig styrke

94

Her blir motstanden minsket Skip formes som fisker. Fuglekroppen var forbildet for flybyggingen. Racerbiler er helt overbygd. Skiløpere i utforrenn kjører i eggstil. Bilkarosserier må ha en glatt form.

Her blir motstanden økt Jetfly stanses ved hjelp av bremsefallskjermer. Fallskjermhopperen lander mykt på bakken. Vingefrø svever langsomt mot jorda. Jo svakere brisen er, dess større seilføring må seilbåten ha.

Vi husker . . . . . . hvordan oppdriften i vann kan sammenliknes med opp­ driften i luft . . . hvordan trykket i en strømmende gass kan forandres . . . hvilke luftkrefter som virker på en vingeflate . . . hvordan propellen på et fly arbeider . . . hva de forskjellige rorene på et fly tjener til . . . hvilke to krefter som danner luftmotstanden . . . når luftmotstanden vokser . . . hvordan vi kan minske luftmotstanden

Luftmotstanden minskes: Strømlinjeform på fly og racerbil; utforkjører i eggstil

95

Flo og fjære utnyttes: tidevannskraftverket i Rance-bukta

Vind- og vannkraft

96

Flo og fjære Havet er alltid i bevegelse. Havflaten stiger og synker i tide­ vannets faste rytme, noe vi merker som flo og fjære. I det nord­ vestlige hjørnet av Frankrike, på Bretagnekysten, utgjør for­ skjellen mellom vannstanden ved flo og fjære stundom mer enn tretten meter. Et fem-etasjes hus ville ved flo sjø stå med vann til over pipa. Vannets strømninger mellom flo og fjære frigjør veldige krefter som menneskene inntil nylig ikke har visst å nyttiggjøre seg. Det manglet de nødvendige maskiner, anlegg og kraftverk. Likevel har det vært mange som har tumlet med tanken om å nyttiggjøre seg havets kraft. En italiener skrev ved begyn­ nelsen av 1 600-årene: «Hvem har kunnet underlegge seg havet slik at det kan drive møller og være tjenlig til andre bevegelser? Vi tror at dette er mulig, riktignok ikke overalt langs kysten, men på havets smale steder.» Italieneren tenkte sikkert her på en naturlig bukt og fortsatte: «Det finnes også en annen måte som man kan nyttig­ gjøre seg havet på. Man graver ut en dam på stranda, så høyt oppe som vannet går ved flo sjø, slik at dammen fyller seg ved flo sjø. Ved fjære sjø renner vannet ut gjennom renner og kana­ ler og driver møller.» (

Det varte mer enn tre hundre år før man virkelig kunne utnytte havkraften på denne måten. Først i 1966 bygde et fransk elek­ trisitetsverk det første tidevannskraftverk i verden. Det ligger i en naturlig bukt som elva Rance, sammen med havet, har gravd ut på Bretagnekysten, altså der hvor forskjellen mellom flo og fjære stundom er mer enn tretten meter. Med en demning ble Rancebukta avlukket fra havet: Ved flo sjø løper nå havvannet inn i bukta gjennom sluser, som lukkes når vannstanden er på det høyeste. Når tidevannet snur, åpner man slusene igjen; det innfangede vannet strømmer tilbake til havet. Nå driver vannet maskiner som lager elektrisk strøm. Maskinene er bygd slik at de også leverer strøm når vannet flyter inn i bukta ved flo sjø, tidevannskraftverket gir derfor strøm 24 timer i døgnet. Kraftverket i Rance-bukta kan forsyne en by med 150000 inn­ byggere med strøm. Slik har altså en «urgammel» idé blitt til virkelighet. Ikke bare i Frankrike, men også på mange kyster verden over vil havet i framtiden stille sin vannkraft til mennes­ kenes tjeneste, slik som elver og bekker, ja, også vinden, har gjort gjennom årtusener.

Til 1

7. A v tegnepapir lager vi en vindmølle. Hvordan må vi holde

2. 3. 4. 5.

6.

7. 8.

den i vinden for å få den til å gå rundt? Hvordan kan vi få mølla til å gå rundt når det er vindstille ? Hvorfor bygges vindmøllene slik at de kan dreie seg i alle himmelretninger ? Hva skiller en ventilatorvifte fra en vindmølle ? F/nnes det et vannhjul i nærheten ? La oss i tilfelle studere det htt nærmere: Hvordan blir vannet ledet til hjulet? Hvilke maskiner driver det? / fjellområder treffer vt oftere på vannhjul enn i låglandet. Hvorfor ? Hva er forskjellen mellom et skovlhjul (som på en hjuldamper) og et vannhjul? Hvorfor kalles vannkraften også «de hvite kull»?

97

Arbeid overtas Når vi ikke lenger kan klare oss med egne krefter, prøver vi å få hjelp, hjelp hos naboer eller hjelp av verktøy og maskiner. Men vi kan også få hjelp av naturen. Vi utnytter kreftene i vind og vann. Bevegelsene i luft og vann kan overta tungt arbeid for oss. Luft i bevegelse (vind) og rennende vann kan utføre arbeid ved hjelp av maskiner som er bygd for dette formål.

Vind og rennende vann kan utføre arbeid. Evnen til å utføre arbeid kaller vi energi. Vind og rennende vann har altså energi.

Hjul dreier seg Felles for vind- og vannkraftmaskinene er at de nyttiggjør seg «bevegelsen». Vind og vann som strømmer, er ladd med be­ vegelsesenergi, som omsettes til mekanisk arbeid i maskinene. Hovedbestanddelen i vind- og vannkraftmaskiner er hjul, vindhjul, vannhjul. De blir drevet av strømningskraften. På denne måten virker vektstanglovene. Vind- eller vannhjulenes dreininger blir overført ved hjelp av hjulaksler og utvekslingshjul til maskiner som f.eks. beveger møllesteinene i en mølle eller stemplene i en pumpe.

Vindkraften utnyttes: vannpumpa fra 1438 og vindmølla arbeider etter nøyaktig sam­ me prinsipp

98

Vannhjulene Selv små krefter — f.eks. i en sakte rennende bekk — kan få betydning ved vektstangvirkningen. Vannhjulet (kraftarmen) ma bare bygges tilsvarende stort. De mektige vannhjulene dreier seg langsomt, med ofte bare ti omdreininger i minuttet. Hvis maskinene skal ha større hastighet, må man bygge inn tannhjul for overføring av kraften. Selv om vannhjulene går langsomt, er de ikke ulønnsomme, men de kan ikke utnytte den totale vannenergien. En stor del av vannet flyter nemlig unyttet forbi hjulet. Kraft går tapt. For å unngå dette er det bedre å innebygge hjulene og lede vannet inn gjennom rør Slik blir vannhjulene til vannturbiner. 99

Vannturbiner

To etasjer høyt: et Pelton-hjul installeres t et kraftverk

Turbiner kan dreie seg mye fortere enn vannhjul. Omdreiningene pr. minutt varierer sterkt etter turbinens størrelse og konstruk­ sjon. Med små turbiner kan en oppnå 3000 omdr./min. Store Kaplan-turbiner har bare ca. 68 omdr./min. Turbiner bygges for fallhøyder på opptil 1800 m, mens vannhjul bare kan tåle fall­ høyde på noen få meter. Ved fallhøyder på opptil 80 m og med stor vannføring (fossekraftverk) brukes Kaplan-turbinen (oppkalt etter den østerrikske oppfinneren Viktor Kaplan, 1912). Vannet strømmer fra siden inn i betongkammeret og faller så ovenfra ned på løpehjulet. Med stillbare skovler kan vanngjennomgangen reguleres. Tur­ binens ytelser reguleres dermed tilsvarende. Francis-turbinen (oppkalt etter engelskmannen James Francis, bosatt i USA, 1849) blir satt inn ved fallhøyder på opptil 500 meter. Fra et spiralformet kammer kommer vannet gjennom en krans av ledeskovler utenfra og inn i løpehjulet og strømmer herfra i akseretningen ut gjennom sugerøret. Fristråle- eller Pelton-turbinen (oppkalt etter den amerikanske oppfinneren Lester Pelton, 1880) brukes ved store fallhøyder. Vannet strømmer her ut av en dyse mot de skjeformede skovlene på løpehjulet. Vanntilførselen lar seg regulere ved hjelp av en dysenål. Turbinene brukes ikke som vannhjulene til direkte å drive arbeidsmaskiner, men er i kraftverkene koplet sammen med og driver dynamomaskiner (generatorer). Generatorene produserer elektrisk strøm. Strømmen setter elektromotorer i bevegelse, som igjen driver forskjellige arbeidsmaskiner.

Vi . . . . . . . . . . . .

100

. . . . . .

h usker . . . hvorfor vi kan si at vind og rennende vann har energi hva som er hovedbestanddelen i vind- og vannhjul hvilke typer vannhjul vi skiller mellom hvordan vektstangloven virker ved vann- og vindhjul hvordan de forskjellige typer vannturbiner er ordnet hvorfor vannturbiner kan levere mer energi enn vannhjulene

Løpehjulet i en Kaplan-turbin: (Kapian-hjulet)

Løpehjul Francis-tu (Francis-hju

Løpehjulet i Pelton-turbi (Pelton-hjulet)

101

Watt gjorde det mulig, dampmaskinen driver hjul i en papirfabrikk

Dampkraft

Teknikkens frammarsj

James Watt, den engelske teknikeren (1736—181 9), regnes van­ ligvis som dampmaskinens oppfinner, men det var han nok ikke. Han som oppfant dampmaskinen, het Thomas Newcomen. Han bygde den alt i året 1712. James Watt har bare forbedret konstruksjonen. Det som James Watt blant annet kritiserte ved Newcomenmaskinen, var at den bestod av alt for mye jern. For å kunne bygge en Newcomen-maskin måtte man først tømme en hel jerngruve, og for å kunne drive den, måtte man i tillegg tømme en kullgruve. Dertil kom at maskinen ikke kunne arbeide selv­ stendig, men måtte betjenes manuelt. Utgiftene stod ikke i for­ hold til prestasjonene, fastslo Watt nøkternt. Han hevdet også at en maskin først hadde en mening når den kunne gå av seg selv. Watt ville forbedre maskinen og satte alle sparepengene sine inn i prosjektet. Etter fire år med hardt arbeid stod maskinen der, og Watt var blakk. For i det hele tatt å kunne bygge maskinen hadde han nemlig måttet innrede et komplett verksted. 102

Det var bare en svak trøst for Watt da han den 5. januar 1 769 ble tildelt patent for sin forbedrede Newcomen-maskin, patent nr. 913 «for på en ny måte å minske damp- og brennstoffforbruket ved varmemaskiner». Av Newcomens trege kasse var det oppstått et raskt «arbeidsdyr» som var i stand til å yte det femdobbelte av sin grovbygde forgjenger. Og framfor alt: Watts maskin kunne arbeide helt selvstendig. Hva kunne så dampmaskinen til James Watt? Ikke mye; den kunne bare pumpe innstrømmende grunnvann ut av bergverkssjakter. Men dette fikk den foreløpig ikke gjøre. James Watt fant ingen fabrikant som ville serieprodusere maskinen. Imens gikk det ti år. Da dukket en dag en viss Matthew Boulton, en rik metallvarefabrikant, opp hos Watt. Han tilbød James Watt å bygge dampmaskinen. I Soho ved Birmingham grunnla de firmaet Boulton & Watt. Men den som nå trodde at gruveeierne ville komme styrtende for å sikre seg den nye, effektive grunnvannspumpa, han tok feil. Gruveeierne holdt fast ved sine lang­ somme maskiner. Etter hvert begynte også formuen til den rike Matthew Boulton å smelte bort som snø i solhelling. Forret­ ningen gikk svært dårlig. Enda en gang tok Watt fatt og forbedret sin forbedrede damp­ maskin. Da kom gjennombruddet! Den nye dampmaskinen kunne ikke bare drive pumper, den kunne også sette hjul i be­ vegelse, hjul i fabrikkmaskiner, på lokomotiver, skip, treskemaskiner. Watt og Boulton ble på nytt velstående. Teknikkens tidsalder var begynt.

James Watt 1736—1819

7. Hva vet vi om fordampning av vann?

2. Vi iakttar lokket på en kjele med kokende vann. 3. Vi fyller et par dråper vann i et tablettrør av metall og lukker røret med en tettsittende kork. Så holder vi røret med en klesklype eller en tang på skrå over flammen av et lys. Vi iakttar korken. (Forsiktig / Bruk ikke glassrør, og rett ikke åpningen av røret mot mennesker eller mot ting som kan gå i stykker !) 4. Hvis vi har en leketøysdampmaskin, setter vi den igang og forsøker å forklare hensikten med de forskjellige innret­ ningene.

103

Det blir trangt

Vi vet at når vannet varmes opp, forandres det til vanndamp. Vanndampen trenger mye større rom enn vannet. Av 1 liter vann blir det 1700 liter damp. Hvis dampen får slippe ut, blir det plass for de damppartiklene som kommer etter. Hvis derimot dampen stenges inne i karet, må stadig flere damppartikler nøye seg med det samme rom. Det blir trangere og trangere i beholderen. Men damppartiklene vil spre seg, de vil utvikle kraft, trykke på. Damptrykket i karet øker. Det er trykket som gir dampen evne til å utføre arbeid, altså energi.

Damp under trykk har energi.

Skjema over Newcomens dampmaskin

Damp fra begge sider

I dampmaskinen utfører damp arbeid. Dampen blir til en opp­ varmet kjele og ledes gjennom et rør inn i sylinderen. Der skyver den opp et stempel. Den engelske mekanikeren Newcomen måtte gjøre bruk av en annen kraft for å skyve stemplet tilbake til utgangsstillingen. Damptilførselen ble stengt av, og dampen ble kondensert ved avkjøling med kaldt vann. Slik ble damptrykket minsket, og det ytre lufttrykket skjøv stemplet tilbake. Newcomen-maskinen var en enkel dampmaskin, en «damppumpe». Alt tidlig i 1 700—årene ble den brukt i bergverk. Denne «varmemaskinen» utførte ikke mer enn noen få løft i minuttet, men den var likevel så effektiv at den kunne erstatte 50 hester, som ellers hadde måttet slite ved pumpegangspillet. Men for å regulere damptilførselen til sylinderen var det fortsatt nødven­ dig med manuell styring. I dampmaskinen til James Watt beveget damptrykket stemplet fra begge sider, opp og ned. Damptilførselen måtte ikke regu­ leres manuelt, men ble besørget av en «glider» som i rette øye­ blikk ble beveget av stemplet selv. Dette var den første selv­ stendige kraftmaskin. Ved stenger og ledd ble stemplets opp- og nedbevegelser forandret til en dreiebevegelse. En slik damp­ maskin var svært anvendelig. Snart var det ikke bare pumper som ble drevet «med damp». Det ble stadig oppfunnet nye mas­ kiner som kunne koples til dampmaskinen. 104

Damp fra dampkjeleSj

Skjema over en dampturbin og Watts dampmaskin Fast ledehjul

Svinghjui

Glider

Veiv" Stempel

Krumtapp;

Kryssyoplirr

—-—i.—...------

Løpehjul\ dreier seg\ / med aksen

Uten omveier Stempeldampmaskiner er i dag umoderne og forsvinner etter hvert. Men damp under trykk som energikilde, blir stadig brukt. Den skyver bare ikke lenger stempler opp og ned. Nå ledes den direkte mot hjul. På denne måten oppstår det i dampturbinene en dreiebevegelse uten at man må gå omveien om stenger og ledd. Damp under høytrykk presses ut av dyser, treffer skovlene i første løpehjul og setter dem i rask dreining. Skovlene i det faste ledehjulet omleder dampen og styrer den med opprinnelig retning mot skovlene i annet løpehjul osv. Dampturbiner kan dreie seg mye hurtigere enn stempelmaskiner (inntil 3000 omdr./min) og utnytter også energien bedre. Vi husker . . .

Oppgave: Modell av en dampturbin

. . . hvorfor damp under trykk har energi . . . hvordan damptrykket oppstår . . . hvilken avgjørende fornyelse som kom med Watts damp­ maskin . . . hvilken innretning det er som gjør dampmaskinen til en «selvløpende» maskin . . . hvilke deler på dampmaskinen det er som frambringer dreiebevegelsen . . . hvilken grunnleggende forskjell det er mellom en damp­ maskin og en dampturbin

105

1875: Den første bilen til Marcus

Eksplosjonskraft

Og kjører og kjører og kjører . . .

1898: Den første bilen til Renault

106

Sikkerhet er slagordet i bilproduksjonen. Framtidens bil vil for eksempel ikke ha ratt, som ved ulykker kan bore seg som en lanse inn i brystet på sjåføren. Forhjulene vil isteden bli beveget med spaker plassert ved siden av setene. Utenom vognføreren vil alle passasjerene sitte med ryggen til kjøreretningen. Ved en even­ tuell frontkollisjon vil ikke passasjeren i forsetet fyke på hodet ut gjennom frontruta, men tvert imot bli slynget bakover i setet sitt. Det er også mulig at bilene ikke lenger har hjul. Isteden vil dyser blåse luft loddrett ut av vognen. På disse luftsøylene vil bilen støttes opp som på en luftpute og bruse av sted over vann og land. Foreløpig kjører vi stadig med biler som i det vesentligste er konstruert på samme måten som den første bilen til wieneren Siegfried Marcus. Den bensinmotorbilen han konstruerte i 1875, var egentlig svært moderne. Motoren hadde vannkjøler og elektromagnetisk tenning, bilen hadde tre gear, en clutchpedal og et ratt. Men Marcus ble glemt. Ti år seinere rykket Karl Benz fra Karlsruhe og GottHeb Daimler fra Schorndorf i Wurttemberg fram i lyset: Benz med sin trehjulete motorvogn, Daimler med et firehjulet kjøretøy. Med dette kjøretøyet tilbakela han strekningen fra Cannstadt til Stuttgart med en halsbrekkende fart av 18 kilometer i timen. Daimler og

Benz gjelder som bilens egentlige oppfinnere. I hestedrosjenes tid var det mange som syntes at kraftvogna måtte være «helvetes yngel», der den beveget seg med torden og knall og uten å bli trukket. Med en hastighet som man den gang knapt kunne fore stille seg, for «djevletingesten» over humpete veier og stjal hørsel og syn fra både passasjerer og forbikjørte. Bak dem lå det en røykfane som fikk disse nymotens greiene til å se enda uhyggeligere ut for sine samtidige. Men man vente seg fort til framskrittet. Da franskmannen Renault i 1899 bygde den første bil med lukket karosseri, lot bilens seierstog seg ikke lenger stanse. Det var ikke lenger nødvendig å pakke seg inn i en eventyrlig forkledning for å ta en biltur. Nå satt man tørt, men man måtte fortsatt ut i frisk luft for å starte motoren. Den be­ gynte først å putre når det foran ble dreiet kraftig med en sveiv. Så ble den elektriske starteren utviklet. Bilene fikk brukbare bremser, brukbare drivhjul og en viss komfort. Da bilen til slutt ble produsert på samlebånd og dermed også ble overkommelig i pris for den alminnelige borger, var hestekjøretøyenes tid forbi. Nå «foret» man med bensin istedenfor med havre, og istedenfor å måtte godsnakke med en sta hest, stolte man på eksplosjonskraften. På den måten kom man fortere av sted.

1929: Opel «Laubfrosch»

I dag: Amerikansk superbil

7. Hva sier navnene på de forskjellige bilmerkene oss? 2. Hva betyr typebetegnelser som VW 1300, Opel 1700,

3. 4. 5. 6.

NSU 1000, Mercedes 250? Hvilke motortyper kjenner vi, og hvordan kan vi tyde de forskjellige betegnelsene ? Hva slags drivstoff fører bensinstasjonene ? Hvorfor er røyking forbudt på bensinstasjoner? Vi holder lett over utblåsingshullet på en sykkelpumpe og gjør noen pumpetak. Så kjenner vi oppover hete pumpesylinderen. Hva merker vi? 107

Systemet er godt James Watt forbedret ikke bare dampmaskinen, han var også ivrig etter å finne nye anvendelsesmuligheter for sin maskin. I 1759 bygde han som modell en liten dampdrevet sporvogn. I tiden som fulgte ble denne modellen stadig kopiert, og faktisk kjørte det omkring noen dampdrevne monstre i 1800-årene. Men snart skjønte man at dampmaskinen ikke egnet seg særlig til å drive selvkjørende vogner i sporveistrafikk. De var for store, for tunge, for trege og uhåndterlige. Kjeleanlegget og lagring av brennstoffet for oppvarming av kjelen trengte mye plass. Men selve systemet var i og for seg svært brukbart: I sylindrene ble stemplene drevet opp og ned. Lot det seg ikke gjøre å finne opp en maskin med det samme systemet, men mindre og mer hånd­ terlig? Finnes det ikke et brennstoff som er lettere å lagre, og som ikke etterlater rester? På denne måten tenkte bilens opp­ finnere. Først gjaldt det å finne det spesielle brennstoffet; man valgte bensin.

Trykk i motoren Karl Benz 1844—1929

Gottlieb Daimler 1834—1900

Vi kjenner bensin som en lett brennbar væske. Den fordunster fort, og dampen brenner med flamme. Den brenner best når den er blandet med luft. I en slik luft-bensindamp-blanding finner hver gasspartikkel i sin umiddelbare nærhet en oksygenpartikkel som den kan forbinde seg med. Alle gasspartiklene i blandingen kan altså brenne samtidig. Ved den plutselige for­ brenningen oppstår på en gang svært mye varme, forbrenningsgassen utvider seg raskt, det skjer en eksplosjon. Kraft frigjøres. Hvis den eksplosive blandingen er lukket inne i et rom, kan vi ut­ nytte kreftene. Når vi tenner på gassen, altså bringer den til å eksplodere, får den trykk og kan utføre arbeid på samme måte som innesperret damp. En blanding av luft og brennbar gass er eksplosiv. Spørsmålet om brennstoff var altså løst, om enn ikke helt. Hvordan skulle man egentlig framstille den eksplosive luft-gassblandingen av flytende bensin*? Forgasseren ble utviklet: luft strømmer inn over bensinen og river med seg bensindamp. Prinsippet med vertikale stempelbevegelser, som ble utprøvd i dampmaskinen, viste seg brukbart også i forbrenningsmotoren. Damp med høyt trykk driver stempler opp og ned i sylindrer. Bilfabrikantene har anvendt prinsipper på samme måte: i sylinderen brennes en blanding av luft og

108

Bensindamp biandes med luft i et papprør og antennes:

Ved eksplosjonen slynges lokket framover

Luftstrøm

Firetaktsmotoren 1. En blanding av frisk luft og gass strømmer inn i sylinderen (innsuging).

Arbeidsgangen i en firetaktsmotor

2. Blandingen presses sammen (kompresjon). 3. Tenningsgnisten framkaller eksplosjon (tenning— arbeids­ slag). 4. Forbrenningsgassene drives ut av stemplene (utblåsing).

Fordi denne motoren har fire ulike nødvendige arbeidsfaser — innsuging — kompresjon — tenning — utblåsing —, taler vi om en firetaktsmotor. Den avgjørende takten er tenningen, arbeidstakten. Veivakselen settes i sving og lar stemplene også fullføre de tre andre taktene. For at motoren skal arbeide regel­ messig, bygger man den med flere sylindrer. Motoren må settes i gang ved hjelp av fremmed kraft (starteren — en elektromotor). Når den er i gang, gjennomfører den med sin egen kraft også alle «biarbeider»;

styring av ventilene

tenningsregulering drivstofftilførsel strømframstiHing

ved hjelp av kamakselen (forbundet med veivakselen) ved hjelp av fordeleren ved hjelp av bensinpumpa ved hjelp av dynamoen 109

Rudolf Diesel 1858—1913

Totaktsmotoren Også her forbrennes en blanding av luft og gass, men de enkelte prosessene fullføres til dels samtidig. I tillegg til sylinderkammeret trekkes veivhuset inn som rom nr. 2. Hver annen takt er en arbeidstakt i denne motoren. Det er ikke nødvendig med ventiler. Dieselmotoren

Arbeidsgangen i en dieselmotor

110

Motoren som er oppkalt etter den tyske ingeniør Rudolf Diesel, arbeider etter et annet prinsipp enn en bensinmotor. 1. Innsuging: rein luft kommer inn i sylinderen. 2. Kompresjon: lufta presses sammen av stemplet og varmes opp til 500-700 °C. 3. Forbrenning: gjennom en dyse sprutes dieselolje inn i den gloheite lufta og antennes. 4. Utblåsing: stemplet presser ut forbrenningsgassene. Dieselmotoren trenger verken tennplugger eller forgasser. Før «selvtenningen» inntreffer ved start av kald motor, arbeider elektrisk oppvarmede glødeplugger. Fordelen med diesel­ motoren er at man kan bruke billig råolje. Ulempen er at sterke dieselmotorer veier svært mye. De brukes derfor helst i tunge lastebiler, skip, traktorer og lokomotiver. Den første dieselmotoren ble bygd i 1893 i maskinfabrikken MAN Augsburg.

Rotasjonsstempelmotoren

Den vanlige stempelmotoren har den ulempe at stemplene stadig må skifte bevegelsesretning. Dette koster energi og minsker ytelsen. Den tyske oppfinneren Felix Wankel var den første som klarte å bygge en motor hvor drivstoffet som for­ brennes, framkaller en umiddelbar dreiebevegelse av stemplet (1961). I Wankel-motoren dreier rotasjonsstemplet seg om en akse. Også rotasjonsstempelmotoren arbeider i fire takter. Motoren har ingen ventiler, bare inn- og utblåsingsåpninger. Oppfinnelsen av rotasjonsstempelmotoren kan sammenliknes med videreutviklingen av dampmaskinen (opp- og nedbevegelse) til dampturbin (umiddelbar dreiebevegelse). Fordi det alltid er tre arbeidshulrom i sylinderen, foregår det samtidig tre forskjellige takter. Av denne grunn overgår Wankel­ motoren enhver vanlig stempelmotor når det gjelder rolig gang. Motoren har bare to bevegelige deler (rotasjonsstemplet og akselen) og behøver ikke noe veivhus. På denne måten blir den mindre og lettere enn en vanlig stempelmotor med samme yteevne.

Vi h usker . . . . . . hvordan det oppstår høyt trykk i sylinderen til en forbrenningsmotor . . . hvilken oppgave en forgasser har . . . hvordan de enkelte takter i en firetaktsmotor følger etter hverandre . . . hva totakts- og firetaktsmotoren har felles, og hva som skiller dem . . . hvorfor en dieselmotor verken trenger forgasser eller tenn­ plugger

111

Utskytingsrampen på Cape Kennedy: Herfra jager milliarder av dollars ut i verdensrommet

Hvorfor raketter?

Reaksjonskraft

112

Hvorfor vil menneskene til månen? Hva søker de etter der, på Mars og på andre planeter og stjerner hvor det ikke finnes luft til å puste i og ikke noe vann, hvor det ikke vokser planter og ikke lever dyr? Hvor det kan være bitterlig kaldt og gloende varmt? Hvor bakken består av karrig stein, hvor krater og avgrunns­ dype spalter åpner seg? Hvorfor blir det egentlig brukt så mange penger på spranget ut i verdensrommet, milliarder av kroner hvert år i mange land? Hvorfor — når millioner av mennesker på jorda fortsatt er truet av hungersnød ? Når millioner av mennesker verken kan lese eller skrive? Når pengene mye heller kunne brukes til forskning for å beseire kreftsykdommen, som daglig tar livet av tusener av mennesker? Hvorfor raketter? Rekker det ikke med fly som er hurtigere enn lyden, og som rykker kontinenter tett sammen på vår en gang så store klode? Liknende spørsmål ble stilt da de første flyene hevet seg mot himmelen. Menneskene hører til på jorda, het det, ikke i lufta. Men likevel dreide snart en stor del av teknikken og økonomien seg om fly. Mennesker fikk arbeid, konstruktørene fikk nye idéer. Nye motorer ble utviklet, ny drivkraft, nye bremser; nye legeringer ble smeltet til nye materialer. Det som yiste seg å være gunstig

for fly, kunne også brukes til andre formål: i bilproduksjon, skipsbygging og motorbygging. I dag er rakettene teknikkens mest moderne barn. De er i stand til å trenge ut til områder som stiller menneskene foran helt nye oppgaver. På nytt er et stort område åpnet for forskning. Vi nyter alt godt av framskrittet. Satellitter beveger seg på himmelen. Raketter har brakt dem dit. Via satellitter sender vi nyheter og fjernsynsprogram fra et kon­ tinent til et annet. Satellitter sender meldinger om været flere dager i forveien. Ved hjelp av signaler som reflekteres fra satel­ littene, kan skip og fly bestemme sin nøyaktige posisjon. Romfarten fører til utvikling av nye stoffer som kan tåle de nye ytre forholdene. Det som passer i rakettspisser, kan også brukes i husholdningen. Det finnes nå en ny type glass som tåler både sterk hete og sterk kulde. Av dette glasset blir det framstilt gryter og panner. Fra dypfryseren direkte på en gloende plate — fat av det nye stoffet går ikke i stykker. Super-kunststoff som er hardere og mer motstandsdyktig enn betong, jern eller titan, er alt blitt utviklet takket være rakettforskningen. Av dette stoffet vil det bli mulig å bygge brupilarer som ikke er mye tykkere enn en barnearm.'Skyskrapere vil snart kunne få fasader av glass som ikke kan knuses, og som likevel er så tynne som papirark. Dette er bare noen få eksempler på tekniske framskritt som romfartsutviklingen har utløst. Og likevel — er disse utgiftene nød­ vendige? Kunne det ikke klare seg med fly når det gjelder å bringe oss ut i verdensrommet? Trenger vi raketter?

Start mot verdensrommet: en Atlas-rakett sendes av sted på sin lange reise

7. Nyttårsaften — vi setter opp fyrverkeri. Hvordan tenner

vi på rakettene ? 2. Vi blåser opp en luftballong som vi slipper uten å binde for åpningen. Hvordan oppfører ballongen seg? 3. Vi tar en hånddusj i slangen og lar den henge ned i bade­ karet. Så skrur vi på vannet, sterkere og sterkere. Hvilke bevegelser legger vi merke fil på dusjhåndtaket? 4. Vi gjentar forsøket med tablettrøret (oppgave 3, s. 103). Men nå lar vi røret henge fritt. Hvordan oppfører tablett­ røret seg i det øyeblikket korken flyr ut?

113

Trykkfordeling i en oppblåst ballong:

Trykkreftene holder hverandre i likevekt

Framover ved reaksjon Det snakkes meget om raketter i dag, både om de tårnhøye ut­ formingene som bærer romskipene ut i verdensrommet, og om de slanke flylegemene i supermaktenes våpenarsenal, laget for å bringe ødeleggende bombelaster over lengre strekninger. Rakettene behersker vår tidsalder, men er likevel ingen ny opp­ finnelse. Det er en gammel skikk å la himmelen lyses opp av fyrverkeri ved festlige anledninger. Slike raketter skal alt de gamle kineserne ha kjent til. Om man setter opp fyrverkeri eller utløser startmekanismen på en verdensromsrakett — det er den samme enkle grunnlov som virker: gasspartikler innelukket under trykk i en beholder utøver det samme trykk mot alle veggene i beholderen. Hvis beholderen er sterkt nok bygd, spiller trykket ingen rolle, og kreftene framover, bakover og mot sidene opp­ hever hverandre gjensidig. Hvis vi åpner beholderen på baksiden, vil gasspartiklene som trykker bakover, slipper ut. Trykkreftene vil altså ikke lenger virke på denne siden. På veggen rett imot virker de fortsatt og beveger beholderen, dvs. raketten, framover, altså motsatt den retningen som gasspartiklene beveger seg i. Dette fenomenet kalles reaksjonskraft.

Reaksjonskraft kan sette et legeme i bevegelse. Luft er ikke nødvendig

Luft-gass-blanding antennes i et rør med «dyse»:

Ved eksplosjonen skyter røret framover

114

De utbrente raketthylsene faller ned på jorda igjen, hvis de ikke eksploderer, brenner opp samtidig med brennstoffet, eller brenner opp når de kommer inn i atmosfæren igjen. Reaksjonsprinsippet kan også anvendes i spesiallagede mo­ torer, såkalte jetmotorer. Sammenliknet med tradisjonelle forbrenningsmotorer har jetmotoren en forholdsvis enkel konstruk­ sjon. Den har ingen stempler. Likevel utnytter også jetmotoren trykket i eksploderende gasser. Det høye trykket blir også her framstilt ved hurtig forbrenning av drivstoff. De opphetede gasspartiklene suser fra hverandre og blåses ut gjennom en bakoverrettet dyse. Jo hurtigere dette skjer, dess større er reaksjonskraften. Det er bare med slikt maskineri at våre hurtigste fly kan oppnå sine kolossale has­ tigheter. Reaksjonskraften har enda en avgjørende fordel: da det ikke er nødvendig med luft, er reaksjonskraften den eneste mulighet

Skjema over en jetmotor

kompressoren

vi har for å drive raketter fram gjennom det lufttomme verdens­ rommet. Rakettene må likevel, i tillegg til drivstoffet, ha med oksygen til forbrenningen. Ved hjelp av reaksjonskraften lar rakettene seg også styre. I det lufttomme rom svikter nemlig de vanlige høyde- og sideror som brukes på fly. En kort dysestråle mot høyre styrer rakettene mot venstre, og omvendt.

Framover ved reaksjonskraft: rakettflukt

Reaksjonskraft også her

En vannspreder dreier seg av seg selv. En skytter må presse geværet fast mot skulderen. Kanoner plasseres bevegelig på en skinne. Hvis vi hopper i land fra en båt som ligger ufortøyd, beveger båten seg i motsatt retning. Det finnes leketøysraketter som blir pumpet opp før start. Stålflasker med sammenpressede gasser må oppbevares opp­ reist. Vi husker . . . . . . hvilken kraft det er som gir jetmotoren framdrift . . . hvorfor også jetmotorer hører til forbrenningsmotorene . . . hva ved oppbygning og konstruksjon som prinsipielt skiller en jetmotor fra andre motorer . . . hvorfor raketter i tillegg til drivstoffet også må ha med oksygen . . . hvorfor raketter egentlig ikke skytes opp, men «slippes av sted»

115

ll':

I

Også det er straffbart: Fonmetret peiler nøye inn støysynderne i trafikken

Lydkilder og lydbølger Fienden

Alt i forrige århundre, mens det ennå gikk mye stillere for seg på gater og i fabrikkhaller, skrev den berømte legen Robert Koch: «For å kunne eksistere vil mennesket en dag måtte be­ kjempe støy like ubønnhørlig som kolera og pest.» Støyen er en slags farsott. Den slår seg på sinn og nerver. Den gjør oss oppfarende, ukonsentrerte og irriterte. Den kan være årsaken til hodepine, hjertebesvær, kretsløpsskader og nervesykdommer. Men støy er ikke bare en plage, den kan også bli en sykdom: det finnes mennesker som ikke lenger kan tåle stillheten. Uten opp­ hør lar de radioapparatene stå på. På vei til arbeidet, i fritiden, på badestranda, på fotturer, overalt sleper de med seg lydkulisser i form av reiseradioer og transistorutstyr. I Wien ble en mann sinnssyk på grunn av den vedvarende gatelarmen som trengte inn i værelset til ham. En dag sprang han plutselig opp og løp ut på gata. Rasende hogg han løs på alle bilene med en tung øks. 116

Legene har fastslått at den farligste støyen er den som opptrer ganske plutselig, og som hele tiden forandrer seg. Til denne form for støy hører blant annet hundeglam, dører som smelles i, plutselige pip, eksplosjoner, stigende og synkende hyl av mo­ torer, gatelarm med varierende styrke. Ørene våre tåler ikke denne akustiske belastningen. De har ikke engang noen form for beskyttelsesinnretninger, slik som øynene har, når pupillene trekker seg sammen ved skarp belysning. I beste fall kan vi be­ skytte oss mot støy ved å stoppe vatt eller voks i ørene. Dette er ofte også helt nødvendig, for støy kan være drepende. Fra det gamle Kina blir det fortalt at alle som våget å krenke keiseren eller gudene, ble straffet med døden. Denne straffen ble fullbyrdet på en spesielt grusom måte: Forbryteren ble pint med støyinstrumenter inntil han til slutt døde under store smerter. Så syk kan man altså bli av støy, og for oss er støyen en alvorlig trusel. Men hvor kommer denne fienden fra?

Kamp mot støyen: Gatelarm kan skade hørselen. Ennå finner vi ikke slike tavler i norske byer. Men om utviklingen fortsetter — kommer de kanskje

7. Hva hører vi gjerne, og hva plager ørene våre? 2. Vi framstiller toner selv:

a) Vi spenner en gummiring rundt en sigareske uten lokk og trekker den ut og slipper. Hva merker vi da ? b) Vi fester en strikkepinne slik at den ene enden er fri. Hva ser vi tydelig når vi knipser til pinnen ? c) Vi henger en glassperle slik at den berører kanten på et vinglass. Så slår vi lett på glasset med en blyant, det klinger. Og hvordan oppfører glassperlen seg ? 3. Vi spiller på en kam som vi har viklet inn i silkepapir. Hva merker vi på leppene ? 4. Vi legger et armbåndsur på den ene siden av en tom bord­ plate, på den andre siden trykker vi det ene øret mot platen mens vi holder for det andre. Hører vi noe ? «Så legger vi uret på en vattplate eller et sammenbrettet lommetørkle. Hva kan vi nå fastslå når vi legger øret mot bordplaten ? 117

Etter at stemmegaffelen er slått an, trek­ kes den over en sotet plate:

Når legemer svinger

Mennesket harfem sanser. Med øyneneser vi verden; med nesen registrerer vi behagelige og ubehagelige lukter; med fingrene føler vi gjenstander; med tungen smaker vi mat og drikk, og med ørene hører vi: hundebjeff, maskindur, pianospill, skram­ ling med blikkplater, geværskudd, susing i trærne, drønn av motorer, fuglekvitter, din stemme, min stemme. Alt som vi kan oppfatte med ørene, kaller vi lyd, enten det er behagelig for øret eller ikke. Også støy er lyd. Lyd kommer fra en lydkilde og oppstår når legemer utfører hur­ tige fram- og tilbakebevegelser, svingninger. Alle legemer, både faste, flytende og gassformige, kan lage lyd. Svingningene avtegner seg på sotflaten

Lyd oppstår når et legeme kommer i svingninger. Vi skiller mellom forskjellige hovedtyper av lydfornemmelser: tone, klang, støy og smell.

Toner og klang oppstår ved regelmessige svingninger. Flere toner sammen gir en klang. Hvis lydkilden svinger uregelmessig, hører vi støy. Hvis en lydkilde bringes i svingning bare én gang, men da svært voldsomt, oppstår et smell.

Forskjellige svingninger og deres bilder:

118

Bølger i lufta

Hvis vi på varme dager ønsker å avkjøle oss, vifter vi luft mot oss. Foran ansiktet svinger vi en sammenbrettet avis, et pappstykke eller en vifte fram og tilbake. Vifta river lufta med seg, det oppstår en svalende vind. Det blir en liknende fram- og ti!bakebevegelse av luftpartikler når en streng svinger. Disse luftbevegelsene tjener riktignok ikke til avkjøling, men over­ fører lyden fra lydkilden til vårt øre. Lufta hjelper oss til å høre, og det foregår på følgende måte: En lydkilde som svinger utover, støter sammen med de omlig­ gende luftpartikler på samme måte som en vifte, og trenger dem sammen. Det oppstår en luftfortetning. Når lydkilden svinger tilbake, oppstår det bak den et sug, en luftfortynning. De fortrengte luftpartiklene inntar sin gamle plass, ja, ikke nok med det, de har nå større plass til rådighet enn før, for det sving­ ende legemet slår jo ut mot den andre siden. Det oppstår ny luftfortetning når legemet svinger tilbake igjen. Fortetningen avløses av luftfortynning osv. Så lenge legemet svinger, så lenge vil også «fram- og tilbakebevegelsene», svingningene i lufta, fortsette. Luftpartiklene som ligger litt lenger borte, vil da rives med i svingningene. Også her vil det oppstå luftfor­ tetning og -fortynning. Disse luftpartiklene vil igjen bringe sine nabopartikler i svingning, og slik fortsetter det til alle luftpar­ tikler i en viss avstand fra lydkilden beveger seg i samme rytme som det svingende legemet. Luftfortetning veksler med luft­ fortynning. For å lage oss et bilde av de usynlige bevegelsene i lufta kan vi se på overflaten av et vatn når vi kaster en stein ut i det. På det stedet hvor steinen treffer, kommer vannpartiklene i svingninger. Bevegelsen brer seg som bølgeringer videre utover.

Vi blåser over åpningen på et reagensrør:

Utlikning på grunn av luft­ trykket)

Sug og trykkutlikning gir en fram- og tilbakebevegelse av lufta (svingende luft­ partikler)

Som lyden: vannbølgene brer seg sirkelformet i alle retninger

119

En strikkepinne svinger:

Noe liknende finner sted i luft. Vi taler om «lydbølger». For­ skjellen er bare at lydbølgene, fortetningen og fortynningen av luftpartiklene, sprer seg kuleformet ut fra lydkilden. Hvis lyd­ bølgene når fram til øret vårt, vil de svingende luftpartiklene sette trommehinna i svingning: vi hører. Lyden brer seg i lufta ved lydbølger i alle retninger.

Hvor det ikke finnes luft, altså i et lufttomt rom, kan det ikke opp­ stå noen lydbølger. Vi er derfor ikke i stand til å høre noe hvis det er et lufttomt rom mellom lydkilden og vårt øre. Lyden forplanter seg ikke bare i gasser, men også i faste og flytende stoffer. Også her svinger partiklene som stoffet er bygd opp av, fram og tilbake og støter på nabopartiklene. Erfaringen har vist at jo tettere et stoff er, dess bedre leder det lyden. Vi skiller mellom gode og dårlige lydledere. Luftfortetning og luftfortynning lager lyd­ bølger

Lyden forplanter seg også i faste stoffer og i væsker.

Dårlige lydledere brukes overalt hvor lyden skal holdes til­ bake, oppdemmes. Vi taler om lydisolerende materialer.

Lyd bruker tid Et lett slag mot en membran:

Den lille kula får et støt på grunn av den andre membranen

120

Hvis vi ser på noen som banker tepper et stykke borte — 50 meter, 100 meter — kan vi iaktta noe underlig. Normalt hører vi et høyt smell i det øyeblikket bankeren treffer teppet. På større avstander oppfatter vi smellet av bankeren først når den er løftet ut til neste slag, altså når bankeren svinger i lufta igjen. Hvordan skal vi forklare dette? Lydbølgene bruker en viss tid på å til­ bakelegge veien fra lydkilden til øret vårt. Målinger har vist at lyden i luft tilbakelegger 333 meter i sekundet. Dette er bare en gjennomsnittsverdi, for hastigheten er avhengig av luftas temperatur og trykk.

Lydens hastighet i luft = 333 m/s.

Lydhastigheter Kork............. .................................... 480 B!v................................................... 1200 Vann.................................................. 1485 Teglstein .................. 3650 Tre............................. 3000 m/s—5000 Stal............................... 5100

m/s m/s m/s m/s m/s m/s

Lyset er mye hurtigere enn lyden. Det forplanter seg med 300000 km i sekundet. Ved teppebankingen ser vi derfor slaget før vi hører det. En lysstråle bruker 8 minutter og 1 3 sekunder fra sola til jorda, og en sterk lyd derfra ville først bli hørt etter 1 62/3 år. (I virkeligheten ville den aldri bli hørt, fordi det jo er et lufttomt rom mellom sola og jorda!) Lyden har en høyere hastighet i faste og flytende stoffer, hvor partiklene ligger tettere sammen enn i luft.

Mach 1

Ernst Mach 1838—1916

Vi omtaler ofte vår egen tidsalder som «fartens tidsalder». Has­ tighet er ingen heksekunst. At det pleier å suse fly gjennom lufta med en hastighet på 2000 km/t, forbauser oss ikke lenger. Teknikerne har lett etter sammenlikningsmuligheter — og det har de også funnet. Hurtige er fly eller raketter først, sier de, når de kan bevege seg like fort som lyden. Slik ble lydens hastighet en målestokk for store hastigheter. Den tyske fysiker Ernst Mach (1838-1916) var særlig opptatt med akustiske problemer, og fant fram til et nytt mål for høye hastigheter. Han foreslo at alt som var like hurtig som lyden, skulle tildeles siffer 1, det som var dobbelt så hurtig, siffer 2, tre ganger så hurtig, siffer 3 osv. Derfor sier vi i dag om jetfly at de flyr med en hastighet av mach 1 (altså med lydens hastighet), med mach 1,5 (en og en halv gang lydhastigheten) med mach 2 (dobbel lydhastighet) osv. Når de flyr hke hurtig som lyden, bryter de igjennom den såkalte lyd­ muren. Da kan vi ofte høre et kraftig smell. Det kommer av at støyen fra forskjellige steder av jetflyets bane samtidig når fram til øret vårt.

121

Legemer svinger . . .

. . . når havet slår i brenninger mot kystklippene . . . når racerbiler, motorsykler og jetfly skjærer seg gjennom lufta . . . når insekter surrer omkring med raske vingeslag . . . når strengene slås an på en gitar, lutt, harpe eller fiolin . . . når det slås på trommer eller spilles på klokkespill

Fordi det gjaller . . . kan innesperrede gruvearbeidere gi tegn fra seg ved bankesignaler . . . kan vi høre reparasjoner på vannledninger og radiatorer over hele huset . . . blir asbest, mineralull og kunststoff brukt ved bygging . . . har vi tepper på golvene . . . legger vi filt under skrivemaskiner i kontorlokaler . . . trekkes stoler i opera- og konserthus med stoff, og veggene får en uregelmessig utforming

Vi . . . . . . . . . . . . . .

husker .... . hva vi kaller lyd . hvordan lyd oppstår . hvilke hovedtyper av lydinntrykk det finnes . hvordan lyden forplanter seg i lufta . hva vi forstår ved lydisolerende stoff . hvor stor hastighet lyden forplanter seg med . hva vi forstår ved «mach»

T rådtelefon

Festing av tråden

122

1. Vi lager klokkelyder: Vi henger en kniv, gaffel eller skje i en tråd som figuren / margen viser. De to lange trådendene trykker vi inn / øret med pekefingrene og lar en annen skje slå mot den hengende gjenstanden. (Vi kan også henge et helt be­ stikk i tråden.) Nå hører vi et «klokkespill». 2. Vi bygger en trådtelefon: Vi tar to pappruller, ca. 10 cm lange med en diameter på 5—6 cm, og spenner et stykke pergamentpapir over den ene åpningen på hver av dem. Gjennom midten av membranen trekker vi en ca. 10 m lang tråd som festes til en fyrstikk. Når vi taler, må tråden strammes.

Her svinger strenger

Her svinger luftsøyler

Her svinger flater

123

Musikk utforskes matematisk: grekeren Pytagoras oppdager sammenhengene

Tonehøyde og svingetall Kanskje harpen, kanskje fløyten

Inderne hevder at det var de som oppfant det første musikk­ instrumentet. Ifølge en gammelindisk eventyrsamling fant en gang en brahmin-prest de lufttørrede tarmene til en ape mellom greinene på et tre. Det skal ha vært de første spente strenger. De klang i deilige toner når vinden strøk over dem. Etter denne opplevelsen laget brahminen en slags harpe, en lyre, og form og strengeutstyr er siden blitt forandret og utviklet på alle mulige forskjellige måter. Vi kan i dag ikke si om harpen virkelig var det første musikk­ instrument, heller ikke om den ble oppdaget på denne måten. Noen hevder da også at det slett ikke var harpen som var det første instrumentet, men derimot fløyten. I tidenes morgen skal eventyrfuglen føniks ha eksistert. Nebbet til fugl føniks var formet som en fløyte, langstrakt og gjennomboret av en rekke små hull. Med dette nebbet skal den ha laget de vidunderligste lyder hver gang den pustet ut. Det heter så at menneskene ble så begeistret for musikken til fugl føniks at de begynte å kopiere nebbfløyten. Den første fløyten, og dermed det første musikk­ instrument, skal være blitt skåret ut av skinnebeinet på en trane. 124

Men heller ikke dette behøver å være riktig, og sannsynligvis var det ikke slik. Det eneste som er sikkert, er at menneskene laget den første musikk med stemmen og ved å slå hendene sammen. Kanskje skar de siden ut de første piper av sivrør og slo med trekjepper på treklosser. Kanskje kom så rangler og tamburiner, deretter trommer og pauker og klokker, og videre fioliner, harper og båsunér. Musikkinstrumentenes opprfnnelse er høyst uklar. Vi kan bare påvise at instrumenter og musikk helt fra begynnelsen har vært knyttet til menneskene, at musikk alltid har vært et menneskelig uttrykksmiddel på samme måte som språk og bilder. I dag kjenner vi omkring 120 musikkinstrumenter, og nye blir stadig oppfunnet, blåseinstrumenter, strengeinstrumenter, me­ lodi- og rytmeinstrumenter. Alle har de noe til felles: De kan lage forskjellige toner, dype toner, høye toner; de kan klinge bløtt eller hardt, svakt eller høyt, melodisk eller skjærende skarpt. Klangfargen som hvert enkelt instrument har, har likevel ikke oppstått helt tilfeldig.

Et blikk på orkestret: musikk skapes av mange enkeltinstrumenter sammen

7. Vi betrakter strengene på et instrument. Hvilken sammen­

2.

3. 4. 5.

6.

7.

heng er det mellom strengenes beskaffenhet og tone­ høyden ? Vi kjenner instrumenter som har samme form, men for­ skjellig størrelse. Kan vi ut fra dette trekke noen slutninger om høyden eller dybden på tonene som kan lages med disse instrumentene ? Hvordan forandres tonehøyden når vi stemmer strenge­ instrumenter ? Hvordan oppnår vi toner av ulik høyde når vi spiller på fiolin eller gitar? På klaver? Vi spenner gummiringene strammere rundt sigarkassen (se side 117). Så forkorter vi de svingende delene ved å sette inn en «.sto/'». Hvordan forandrer tonehøyden seg? Vi blåser over halsen på en flaske og får fram en tone. Så heller vi vann på flaska og fyller mer på etter hvert. Hvor­ dan forandrer tonen seg ? Hva er påfallende ved pipene på et orgel?

125

En fastklemt strikkepinne settes i sving­ ning :

Den lange enden svinger langsomt og gir en dyp tone

Høy og dyp Vinden piper rundt huset. Stundom synger den i de høyeste toner, til andre tider er det som den dypeste bass. Denne sær­ egne «vindmusikken» oppstår på en enkel måte: I vindusnisjene, ved hushjørnene og under takskjegget fanges lufta opp og be­ gynner å svinge. Dette lager tonene, og etter vindens styrke og hindringenes art får de forskjellig høyde. Høyest lyder de når vinden kommer susende med stor hastighet, svært dype blir de når det blåser litt. I det første tilfellet svinger lufta hurtig, i det andre langsomt. Tonehøyden er altså avhengig av svingningenes hastighet. Hvis et legeme svinger langsomt, lages det dype toner; svinger det hurtig, oppstår det høye toner.

Jo hurtigere lydkilden svinger, dess høyere blir tonene.

Langsomt og hurtig

Den korte enden svinger hurtig og gir en høy tone

Hvor hurtig legemer er i stand til å svinge, er avhengig av den formen de har, og av de stoffene de er laget av. For strengein­ strumenter spiller også strammingen av strengen en rolle. Her tonehøyden avhengig av lengde, tykkelse og stramhet på strengen, og av om det er stål- eller tarmstrenger som brukes. Generelt kan vi sette opp følgende skjema: svinger den: Hvis strengen er: kort, tynn, kraftig spent hurtig lang, tykk, lite spent sakte

126

og gir: høye toner lave toner

Forskjellige svingeformer

Svingende luftsøyler sammenliknes med fjærer.

II f*

Åpen

Åpen ... Løs

Svingende streng

Oval på langs

1’1 II •I

Fast

Oval på tvers

Fast Svingende metalltunge

Svingende klokke

Signalfløyte

7 Løs Åpen Blokkfløyte

Også for andre musikkinstrumenter er tonehøyden avhengig av de ulike svingende delene. Munnspill: Xylofon: Klokkespill: Tromme, pauke:

Orgel: Blåseinstrumenter:

metalltunger av ulik lengde staver av ulik lengde klokker av ulik størrelse skinn av forskjellig størrelse, med ulik spenning piper av forskjellig lengde lengden på den svingende luftsøylen forandres med et drag (basun) med klaffer (saxofon, klarinett) med fingrene (blokkfløyte)

Når vi taler og synger, svinger stemmebåndene i strupehodet. Båndene kan strammes med forskjellig styrke. Når vi puster, er de slappe.

Den spesielle tonen For en uordnet strøm av toner som stiger opp av orkestergraven før konserten begynner! Hver musiker spiller for seg selv uten å bry seg om sine sidekamerater. Orkestret stemmer seg inn. Blåserne lager kunstferdige skalaer, pianisten lar fingrene leke som mus bortover tangentene, og aller ivrigst er fiolinistene. Stadig stryker de prøvende over én bestemt av strengene, «a-strengen». Den stemmer de om igjen og om igjen. På denne strengen knipser de, og stemmeskruen som hører til, vrir de fram og tilbake. Det varer lenge før de er fornøyd med denne

127

strengen, med denne tonen. Så kommer de tre andre strengene etter tur. Her går stemmingen nokså hurtig. A-tonen er i musik­ ken en ganske spesiell tone. Alle de andre tonene blir justert etter den. Man kaller den kammertone, og skriver den som «a». Den som nøyaktig vil vite hvordan kammertonen lyder, slår an en a-stemmegaffel. Etter den kan han så stemme a-strengen på en fiolin, eller stemme et klaver.

Svingetall

Det som skiller en a-tone fra en annen tilfeldig tone, kan vi i beste fall slå fast gjennom øret, men aldri med det blotte øye. Oftest kan vi ikke se om lydkilden svinger eller ikke, og vi er slett ikke i stand til å telle svingningene. Hvis vi vil gjøre det, trenger vi et spesielt apparat, en såkalt oscillograf. Med den kan vi kontrol­ lere at stemmegaffelen eller strengen som lager kammertonen, og lufta som fører den til våre ører, svinger 440 ganger fram og tilbake pr. sekund. Vi betegner svingningenes antall pr. sekund som svingetall eller tonens frekvens. Antall svingninger pr. sekund kaller vi svingetall eller frekvens.

Hvis det svingende legemet fullfører én fram- og tilbakebevegelse i løpet av et sekund, angir vi dets frekvens med 1 Hz. Det er en forkortelse for hertz, oppkalt etter den tyske fysiker Heinrich Hertz, som levde fra 1857 til 1894. Han undersøkte fysikalske sammenhenger særlig ved elektriske svingninger og oppdaget radiobølgene.

Heinrich Hertz 1857—1894

1 svingning på 1 sekund = 1 Hz (hertz) 1000 Hz = 1 kHz (kilohertz) 1 million Hz = 1 MHz (megahertz) Slik ser frekvensområdet ut ved tale og sang: Tale: Mannsstemmer...................... Kvinnestemmer......................

100—200 Hz" 200—400 Hz :

Sang: Bass....................................... Tenor..................................... Alt .......................................... Sopran...................................

64—320 130—430 170—640 260—830

128

Hz Hz Hz Hz

Med forente krefter Enhver tone bygger på et ganske bestemt svingetall. En rekke av åtte toner med en fastlagt forskjell i frekvens kaller vi skala (tonestige). Den åttende tonen, oktaven, har dobbelt så mange svingninger pr. sekund som den første tonen, grunntonen. Hvis flere toner med ulik tonehøyde klinger samtidig, kan det oppstå en velklingende akkord, samklang. Den best kjente akkorden er treklangen i durskalaen. Her har tonenes frekvens alltid for­ holdstallene 4:5:6. Som eksempel kan vi ta A-dur-treklangen: 1. tone (grunntonen)........................ 440 Hz 2. tone (ters)...................................... 550 Hz 3. tone (kvint)..................................... 660 Hz Denne treklangen kan vi gjøre fyldigere ved å føye til den åttende tonen i skalaen, altså: 4. tone (oktav) .................................. 880 Hz (= 2 ■ 440 Hz) I følge med overtoner Når vi hører en fløyte, forestiller vi oss noe lett, fanfarer minner om krig, lirekasser setter vi i forbindelse med markedsplass. Alle instrumenter har sin egen klang som vi kan kjenne dem igjen på. Kammertonen a klinger annerledes fra et piano enn fra en fiolin. Likevel har tonene det samme svingetall. Vi snakker om et instruments klangfarge. Klangfargen har altså ikke noe med frekvensen å gjøre. Den oppstår på følgende måte: Enhver «tone» på et instrument er satt sammen av en rekke toner med forskjellig lydstyrke. «Tonen» er i virkeligheten en akkord, for en streng svinger ikke bare som en helhet, men samtidig også som mindre enheter. Slik oppstår det ved siden av grunntonen, som klinger sterkest og bestemmer tonehøyden, en rekke «følgetoner» av forskjellig lydstyrke. De kalles overtoner, fordi de har et svingtall som utgjør det dobbelte, det tre- og firedobbelte av grunn­ tonen. Grunntoner og overtoner til sammen gir klangfargen som er særegen for hvert enkelt instrument.

En streng svinger samtidig i sine forskjel­ lige deler:

Grunntone

Lydløse fløyter Det menneskelige øret kan bare oppfatte toner med svingetall som ligger mellom ca. 1 6 og 20000 Hz. Lyd med høyere frekvens enn 20000 Hz blir kalt ultralyd. Hos menneskene gir ultralyden ingen hørselsinntrykk. Men noen dyr er i stand til å oppfatte slike toner. Mange hundeeiere har for eksempel en ultralydfløyte som gir fra seg så høy tone at et menneske ikke kan høre

Overtoner

129

den, men hunden kan. Ved hjelp av slike fløyter kan politi­ hunder få en «lydløs» befaling. Forbryteren hører ikke at lovens vokter har satt en forfølger på sporet. Om flaggermusa vet vi at den knapt kan se, men likevel be­ veger den seg gjennom lufta med utrolig sikkerhet. Til og med tynne telegraftråder unngår den behendig. Dyra orienterer seg ved hjelp av ultralyd; skrikene som de utstøter, har frekvenser mellom 30000 og 80000 Hz. Ultralyd anvendes også i medisinen. Her brukes den til å utføre dybdemassasje. Tannleger bruker dem til rensing av tannhalsen. Mange vaskemaskiner arbeider med ultralyd. Lyden setter vaske­ vannet i små, hurtige svingebevegelser, som løsner skitten fra klesplaggene.

Oppgaver 7. Vi bygger opp en «tonestige»:

Hullsirene

130

a) Vi stiller åtte tomme, Uke flasker på rad og blåser over halsen på den første flaska. / den andre flaska heller vi så mye vann at den ved blåsingen gir en tone som Hgger en note høyere. Slik fortsetter vi ti! den åttende flaska. Med en linjal sammenlikner vi høyden på luftsøylen i de enkelte flaskene. b) Åtte Uke papprør, av den typen som brukes tiI sending av bilder eller til å ha inni tøyruller, skjæres til i for­ holdet 48 :45 :40 :36 :32 :30.27 :24. / begge ender blir rørene bundet sammen parallelt med en tråd på en slik måte at de ikke berører hverandre. Vi får nå en «xylofon» som kan spilles på med skaftet av en skru­ trekker. 2. Vi bygger en hullsirene: / en pappskive med diameter 20-25 cm stikker vi ut fire ringer med hull, fra innerst til ytterst følgende antall: 24, 30, 36, 48. Vi Urner skiva på en trådsnelle som vi har stukket en blyant inn i hullet på. Ved hjelp av blyanten fester vi skiva fast i muffen på en boremaskin med størst mulig utveksling. (Vi kan også feste skiva til en elektro­ motor.) Nå dreier vi regelmessig på sveiva på boremas­ kinen. Samtidig holder vi spissen av en kulepennhylse over den første hullraden og blåser så kraftig at vi får fram en tone. Vi blåser også mot de andre hullradene og sam­ menlikner tonehøydene. (Klem boremaskinen fast i en skrustikke 1)

Vi husker . . . . . . hvordan tonehøyden henger sammen med svingetallet . . . hvordan en streng må være for å gi en høy eller en dyp tone . . . på hvilken måte tonehøyden kan forandres på de forskjel­ lige instrumentene . . . hva som kalles en tones svingetall eller frekvens . . . hvilke måleenheter som brukes når vi måler svingninger . . . når vi taler om tonestige (skala), og når vi taler om en akkord . . . hvilket forhold svingetallene i en durtreklang har til hver­ andre . . . hva vi kaller ultralyd . . . hva vi mener med klangfarge, og hvordan klangfarge opp­ står

Flaggermus: lyd fanges opp

Lege: lyd avlyttes

Sirene: lyd forsterkes

131

Intet ekko: denne veggen i et lydlaboratorium kaster ikke lyden tilbake

Refleksjon og resonans Eventyr og virkelighet

Grekerne i oldtiden forsøkte ofte å omgi naturfenomener som de ikke kunne forklare, med eventyrlige skildringer. I tidens løp oppstod det på den måten en rik skatt av sagn, en samling for­ tellinger som handlet om opprinnelsen til jord, varme eller vann. I et slikt sagn fortelles det at jorda og lufta hadde hatt en datter sammen, en nymfe som het Ekko. Ekko var en livlig jente. Hun var alltid fornøyd og snakket fra morgen til kveld som en snad­ rende gås. Det var reint så det kunne gå på nervene løs! Så møtte Ekko en dag en vakker ung mann som het Narkissos. Ekko forelsket seg i Narkissos, men han ville ikke vite noe av den skravlende jenta. Nå fikk Ekko kjærlighetssorg og gråt nesten øynene ut av hodet. Til slutt var hun helt uttæret av sorg, skjelettet var det eneste som ennå var igjen av henne. Plutselig forvandlet knoklene seg til en stor, grå klippe, til en uvanlig stein: den kunne nemlig tale. Ekkos stemme var ikke død, men tonte av og til klagende ut av fjellet. __ 132

Med dette sagnet forsøkte de gamle grekere å forklare natur­ fenomenet ekko. Men vi må ikke dermed tro at de ikke skjønte fysikk. Ved siden av de eventyrlige forestillingene om hendelsene i naturen hadde de også ganske nøyaktige fysiske kunnskaper. De var for eksempel i stand til å bygge store teatre på en slik måte at skuespillernes replikker tydelig kunne oppfattes selv på de bakerste benkerader. Under tilskuerradene plasserte de nemlig «lydfat», bronsefat med et stort hull i. De hadde åpningen rettet mot scenen, så lyden fra scenen «forhøyet ved forsterk­ ning kan komme tydeligere og mer behagelig til tilskuernes ører», som den romerske byggmester Pollio Vitruvius skrev på 1000-tallet e. Kr. i sin bok om byggekunsten. Disse «lydforsterkningsanlegg» kan vi ennå finne i mange kirker fra middelalderen: på korveggene står lydfat med åpningene vendt mot kirkeskipet. I dag bruker vi for det meste elektriske høyttaleranlegg for å forsterke ord og musikk. Likevel bygger dagens arkitekter rom med så gode akustiske forhold at selv hvisking kan høres tydelig i det bakerste hjørnet. Dette er bare mulig fordi grekernes oppdagelse er blitt videre utforsket, fordi man bak eventyret om Ekko fant virkeligheten.

Omvendt «lydpotte»: på denne måten dem­ pes den lyse tonen

7. Vi forteller om opplevelser med ekko.

2. Når vi skal tale i friluft istedenfor inne i et rom, hvilken forskjell merker vi da ? 3. Vi lar en ball først rulle rett mot en vegg, og så stadig mer på skrå. / hvilken retning vi! ballen hver gang rulle bort fra veggen? 4. Vi åpner lokket på et piano og trår på den høyre pedalen. Så plystrer vi kort en tone ned i kassen. Hva hører vi? Hva merker vi når vt kort etter plystringen slipper pedalen igjen ? 5. Vi lar et garnnøste dingle i en tråd. Så blåser vi på det. Garnnøstet begynner å svinge. Hvordan må vi fortsette å blåse for å få det ti! å pendle videre?

133

Et ur legges på bomull i et glass. Speilet stilles opp slik at uret kan sees:

Fram og tilbake

Lydbølger er som baller. Hvis de treffer en vegg, blir de kastet tilbake. Lydbølger som treffer en vegg, blir kastet tilbake (reflektert). Praktisk er dette slik: Hvis vi taler mot en vegg, får vi to lydinntrykk, det talte ord og det reflekterte. I små rom følger disse to lydinntrykkene så hurtig etter hverandre at øret slett ikke kan oppfatte dem som to atskilte lyder. På denne måten oppstår det en forsterkning av lyden. Derfor hører vi hvisking tydelig inne i et rom, mens vi i friluft alltid må tale høyt for å bli hørt. Den svake tikkingen fra uret kan nå høres tydelig

Avbrytelse Store rom, saler og kirker byr ofte på vanskelige akustiske for­ hold. Hvis vi sier noe, blir vi nærmest avbrutt av den lyden som blir kastet tilbake, før vi får sagt et ord. Denne etterklangen gjør det vanskelig å forstå det som sies. Under foredrag og konserter virker den oftest svært forstyrrende. Vi sier da at rommet har «dårlig akustikk». Akustikken kan forbedres ved at rommene bygges om på en riktig måte, eller ved at man kler veggene.

Gi seg tid Forsterket gjennom en ropert: lydbølgene reflekteres og går mer parallelt

134

Når vi er ute, kan vi ha mye moro med å rope mot en vegg. Lydene kommer tydelig tilbake som fra en åndestemme. Øret Ran bare oppfatte forskjellige lydinntrykk hvis det er et tids­ intervall mellom dem på ca. 1/10 sekund. På denne tiden tilbake­ legger lyden ca. 34 meter. Vi kan altså først tydelig høre lyden som blir kastet tilbake, når den reflekterende veggen er minst 1 7 meter borte. Vi hører da et ekko. Ved større avstander kan vi oppfatte flere stavelser etter hver­ andre. Vi taler i slike tilfeller om et «flerstavingsekko». Hvis derimot flere vegger kaster lyden tilbake, oppstår det et «mange­ dobbelt ekko». (I Kdnigsee ved Berchtesgaden i Tyskland finnes det et 10-dobbelt ekko, ved Lorelei-klippen ved Rhinen til og med et 17-dobbelt.) r—

Svingninger på grunn av svingninger

Tonen som en stemmegaffel lager, er svært lav. For å kunne høre den tydelig må vi etter anslaget holde stemmegaffelen tett opp til øret. Vi kan også hjelpe oss på en annen måte: straks etter anslaget holder vi for eksempel stemmegaffelen mot en bordflate. Tonen kan nå høres mye sterkere. Hemmeligheten med denne form for toneforsterkning ligger i at stemmegaffelen nå ikke svinger alene, nå svinger også treet i bordplaten. Det blir satt i svingning av svingningen i stemme­ gaffelen. Dette kaller vi resonans. Hvis et legeme kommer i svingninger på grunn av svingninger i et annet legeme, taler vi om resonans.

Ekkolodd : fiskestimer peiles inn ved reflek­ sjon av lydbølger

På grunn av bordplatens store overflate kan svingningene nå bli gitt videre til mange flere luftpartikler. Dette fører til en for­ sterkning av tonen. Forutsetningen for en god resonans er at begge legemer stemmer overens i frekvens. Det er ikke alltid nødvendig at det svingende legemet direkte be­ rører det resonerende. Resonans kan også oppstå gjennom lufta over visse avstander. Jerikos murer skal for eksempel ha styrtet sammen ved trompetstøt og kamprop. Her er resonans

Når vi hører, blir trommehinna satt i svingninger. De tynne strengene på en fiolin trenger en «resonanskasse». Piano og flygel har en stor «resonansbunn». Når vi synger, er brystkassen «klangbunn». Stofftrekket på eti høyttaler vibrerer ofte særlig sterkt. Hvis en tung lastebil kjører forbi oss, merker vi en sitring i bakken eller en klirring i vindusrutene. 135

Fordi lyden blir reflektert . . . . . . kan vi på vannet i stille vær høre tale og åreplask over hundrevis av meter . . . holder vi hånden som en trakt foran munnen for å forsterke stemmen vår . . . holder vi også hånden bak øret når vi vil høre bedre . . . kan vi høre hver eneste fotgjenger på en nattstill gate . . . spisser mange dyr ørene når de lytter . . . hører vi torden mangedobbelt som såkalt tordenrulling

V i h u sker ... . . . hvilke kjente fenomener vi kan sammenlikne refleksjoner av lydbølger med . . . hvordan stemmen vår forsterkes i et rom, men ikke i friluft . . . hvorfor stemmen får gjenlyd i store rom . . . hvorfor forheng i rommene kan hindre at stemmen vår får gjenlyd . . . hvor langt vi må være borte fra en vegg for å høre et ekko . . . når vi taler om et «flerstavingsekko» og om et «mange­ dobbelt ekko» . . . når vi taler om resonans . . . hvordan resonansen virker på tonestyrken . . . hva vi mener med resonanskasse eller resonansbunn (klangbunn)

Oppgaver

Støy fra en eske: Vi borer et hull i en av sideveggene på en eske og stikker igjennom en blyant som vi har bundet fast i en tråd. Med en hånd holder vi esken, med tommel og pekefinger på den andre hånden spenner vi tråden og lar den gli mellom fingrene. Vi hører nå en kraftig støy. Det blir kraftigere virkning om vi gnir tråden med harpiks. Istedenfor esken kan vi bruke en hermetikkboks eller en annen hul beholder.

Vi regner

7. Vi teller 7 sekunder fra vi ser et lyn til vi hører torden­

2. 3.

4.

5. 6.

7.

skrallet. Hvor langt borte omtrent er uværet? Et fly flyr med lydens hastighet. Hvor mange kilometer tilbakelegger det på en time? En tidtaker på en 10O-metersbane må trykke på stoppe­ klokka når han ser røyken fra startpistolen. Hvor stor er feilen hvis tidtakeren først trykker etter smellet? Et énstavelsesekko høres etter 3/4 sekund. Hvor langt borte er veggen ? Vi står 200 m fra en fjellvegg. Hvor lang tid går det før vi hører ekkoet av et smell som lages der vi står? Ved en ekkolodding bruker lyden fra sender til mottaker 1/3 sekund. Hvor dypt er det på dette stedet? (Se tabellen s. 121.) Hvor mange omdreininger pr. sekund må en hullsirene med 40 hull g/øre for at vi ska! høre kammertonen a ?

En valse istedenfor en plate: i 1877 oppfant Thomas Alva Edison fonografen, som snart ble berømt over hele verden som «tale­ maskinen»

Lydopptegning

På grammofonplaten blir luftsvingninger over en membran ved hjelp av en nål gravert i en plate som snurrer rundt. Det oppstår lydriller som svarer til de opptatte frekvenser. Når vi spiller av platen, glir en nål i lydsporet. Nåla må gjøre alle de inngraverte bevegelsene. Den svinger altså fram og tilbake som opptaksnåla gjorde. Disse bevegelsene blir overført til en membran. Membranen overfører svingningene til lufta i en lydtrakt, og lydbølgene når fram til våre ører. I dag bruker vi ikke lenger noen trakt. Nålas bevegelser blir direkte omsatt til elek­ triske strømvariasjoner, som forsterkes og omsettes til lyd i en høyttaler. Etter samme hovedprinsippet arbeider lydbåndspilleren. De elektriske svingningene magnetiserer lydbåndet — et plastbånd med bittesmå innpressede magneter — i samme rytme, noen ganger sterkere, noen ganger svakere. Når vi spiller av båndet, blir de forskjellig sterkt magnetiserte stedene ført forbi en innretning som omsetter variasjonene i det magnetiske kraft­ feltet til strømvariasjoner. Disse blir igjen forsterket. Vi får lyd over høyttaleren.

Skjema over et lydopptakerapparat:

137

Kunst ved hjelp av syre: et blikk inn i et kopperstikktrykkeri i middelalderen

Syrer

Kjemi i Schwabing

Munchen består av mange bydeler, den mest kjente av dem er Schwabing. Her bor kunstnerne, skuespillerne, billedhoggerne, malerne og studentene. Schwabings hjerte er Leopoldgata. Når været er pent, er det her et yrende liv til langt på natt. Mange Schwabing-kunstnere kommer nemlig om aftenen ut av sine atelierer og befolker gata. Ved flammen av stearinlys eller i det matte skinnet fra petroleumslamper stiller malerne og billed­ hoggerne ut sine arbeider under åpen himmel. Bilder, figurer og lystig krimskrams blir budt fram til salg. I Schwabing sitter pengene løst i lomma hos de fremmede, især når gjenstandene som blir budt fram, ser så «ekte kunst­ neriske» ut. Koppersmykker er det for eksempel stor etterspørsel etter: armringer med kunstferdige ornamenter, mansjettknapper, slipsnåler, ringer og nåler. 138

En som ikke har greie på det, tror at de fantasifulle tegninger og ornamenter er håndgravert i koppersmykkene med flid og møye. Den som ikke vet bedre, tror også at disse smykkene er meget verdifulle og betaler en høy pris. I virkeligheten er ikke smykkene stort verdt. Sannheten er at kjemien har hjulpet denne «kunsten» ikke så helt lite, og det på følgende måte: Skal man lage et meget utsmykket kopperarmbånd, skjærer man en avlang remse av kopper, som man pensler flere ganger med en svart, tjæreliknende masse. Med en stålstift blir så ornamentene risset inn i det svarte overtrekket til kopperet kommer fram. Dermed er det meste av arbeidet gjort. Kopperstrimmelen legges nå noen mi­ nutter i et syrebad. Det syder og freser — og graveringen er ferdig. Det som står igjen, er å bøye kopperstrimmelen til en armring, file litt og polere. Nå, metoden er ikke ny, og slett ikke noe kunsthåndverkerne i Schwabing har funnet på. Allerede for hundrer av år siden ar­ beidet kopperstikkerne på denne måten, selv om man den gang ikke skjønte så altfor mye av kjemien. Men ett visste man: selv om syrer er meget farlige, kan de også være nyttige. I kunst­ håndverket har man derfor alltid brukt slike væsker: ved gra­ vering, ved framstilling av trykkplater, eller for å gjøre et smykke eller et pengestykke «gammelt».

7. Hva smaker surt ?

2. Hva vet vi allerede om syrer? 3. På syretlasker er det klebet en etikett med et «dødningehode». Hva betyr dette ? 4. Hvordan bruker vi eddikessens ? Hva sier etiketten på en eddikessensflaske oss ? 5. Det er forbudt ved lov å oppbevare eller å fylle syrer på brus-, øl- og vinflasker. Hvorfor? 6. Vi legger et kopperstykke noen dager i eddik. En de! av stykket skal være oppe / lufta. Hvilke forandringer i me­ tallet legger vi merke til? 139

Av blått blir rødt

Blått lakmuspapir dyppes i syre:

Syrer er stoffer som har en sur smak. I rein tilstand ser de ut som vann, de er altså fargeløse. Hvis vi nøyaktig vil fastslå om en væske er en syre, bruker vi lakmuspapir. Det er et slags trekkpapir gjennomtrekket av et fargestoff som er utvunnet av et slags lav. Dersom syre kommer i forbindelse med lakmusfargestoff, blir dette rødt. Syre smaker surt og farger blått lakmuspapir rødt.

Lakmuspapiret farges rødt (påvisning av syre)

Fare fra flaska

De fleste syrer er meget farlige. Hvis syredråper faller på huden, på klær eller på gjenstander av metall, tre, stein eller andre stoffer, har den en etsende og oppløsende virkning. Vi må derfor aldri bruke tungen for å fastslå om en væske er en syre eller ikke I Også syredamp er ofte svært giftig. Hvis du puster den inn, ødelegges det fine vevet i åndedrettsorganene.

Syrer har en sterkt etsende virkning på mange organiske og uorganiske stoffer.

Vis forsiktighet ved fortynning av svovel­ syre med vann :

Syrer brukes for det meste ikke konsentrert, men i fortynnet form. Ved fortynning er det noe vi under alle omstendigheter må ta hensyn til: Ved fortynning må vi alltid helle syre i vann, ikke omvendt.

Særlig konsentrert svovelsyre har den ubehagelige egenskap at den «sluker» vann (vi sier den er hygroskopisk). Når den tar opp vann, blir syra sterkt oppvarmet. Heller vi altså vann i den sterke syra, vil det plutselig koke, og som ved en eksplosjon vil syra slynges utover. I tillegg vil det være fare for at glasset skal gå i stykker på grunn av den plutselige oppvarmingen.

De fire store

Under omrøring helles syra langsomt vannet; temperaturen begynner å stige

140

i

Blant de mest kjente syrene finner vi eddiksyre, saltsyre, svovel­ syre og salpetersyre. Den svakeste av disse syrene er eddiksyra, den mest virksomme er salpetersyra. Denne syra angriper alle metaller, bortsett fra gull og platina. En blanding av salpetersyre og saltsyre, «kongevann», tærer også på disse to edelmetallene.

De «fire store» og deres kjennetegn

Eddiksyre

Lukt forsiktig:

Glasstav med salmiakkspiritus:

Trepinne stikkes nedi

Gåsefjær stikkes nedi

Drypping på kopper:

Eddiklukt

Hvit røyk

forku es

Gulfarging

Grønt skum

Saltsyre

Konsentrert svovelsyre

Konsentrert salpetersyre

Syrer — nøyere sett

Svovelsyre (H2S04): Navnet røper at den inneholder svovel. Dette gule, faste grunnstoffet er brennbart. Ved forbrenningen, altså forbindelse med oksygen, oppstår svoveldioksyd, en gass med stikkende lukt. Hvis den oppløses i vann, får vi en svak syre, svovelsyrling (H2SO3). Ved den tekniske framstillingen av svovelsyre (H2S04) framstiller man svoveldioksyd (S03) av svoveldioksyd ved tilsetting av oksygen gjennom spesielle prosesser. Svoveltrioksyd oppløst i vann gir svovelsyre (S03 + H20 -> H2S04). Svoveldioksyd finnes i røyk og gir surt regn.

141

Forbrenning av karbon:

1 atom

2 atomer

1 molekyl

• + ’ •• — Karbon C

Oksygen 0,

Karbondioksyd C02

Karbondioksyd i vann:

1 molekyl

Karbondioksyd C02

1 molekyl

Vann

1 molekyl

Karbonsyre

H2°

Karbonsyre (H2CO3): Også her kan vi ut fra den kjemiske be­ tegnelsen slutte oss til en bestemt bestanddel av syra, nemlig karbon. Vi vet om dette svarte, faste stoffet at det finnes i alle organiske stoffer og i stoffer som stammer fra organiske stoffer. Det forbrennes til karbondioksyd (karbonsyregass), som løser seg i vann og danner karbonsyre. Denne svake syra, som vi kjenner i mineralvann og selters, går lett tilbake til sine bestand­ deler, altså til vann og karbondioksyd. Vi ser at gassen slipper bort i små bobler for eksempel når vi åpner en brusflaske. På samme måten som med svovelsyre og karbonsyre kan det også oppstå andre syrer. Det er da alltid et ikke-metall som for­ binder seg med vann. Ikke-metalloksyder og vann danner syrer. Slik dannes syrer

Svovelsyre Karbonsyre Fosforsyre Salpetersyre

Oksygen

Svovel Karbon Fosfor Nitrogen

Svoveldioksyd Karbondioksyd Fosforpentoksyd Nitrogendioksyd

Syre

Ikke-metall

142

Vann

Skke-metalloksyd

Saltsyre (HCI): Denne syra er et av unntakene. Hvis vi spalter den ved elektrisk strøm, får vi bestanddelene hydrogen og en grønnaktig, giftig gass med stikkende lukt, klor. En forbindelse av disse to elementene gir saltsyregass, også kalt hydrogenkloridgass (HCI), som løser seg opp i vann og danner saltsyre. Man har gitt syra denne betegnelsen fordi den teknisk vanligvis framstilles av koksalt. Da hydrogenklorid er den vesentlige be­ standdel i den vannaktige oppløsningen, får saltsyra også den kjemiske formelen HCI. I motsetning til andre syrer inneholder saltsyre ikke oksygen. Oksygenet er altså ikke en forutsetning for syredannelse. I alle syrer finner vi derimot et ikke-metall og hydrogen. ------------- ------------------------------------------------------ ------Syrer består av et ikke-metall og av hydro­ gen. Ofte inneholder de også oksygen. Som «bevis» for denne påstanden ser vi på formlene for kjente syrer: Svovelsyre H2S04 Salpetersyre HNO3 Karbonsyre H2CO3 Saltsyre HCI Tallet ved de enkelte grunnstoffene angir hvor mange atomer av hvert grunnstoff som er forent i et syremolekyl. I f.eks. svovelsyre er det 2 atomer hydrogen, 1 atom svovel og 4 atomer oksygen. 143

Hvor syrer blir brukt

Svovelsyre for eksempel i bilbatterier, til å tørke gasser, til framstilling av kunstgjødsel, ved framstilling av kunststoffer.

Salpetersyre Karbonsyre: ufarlig og velsmakende

for eksempel til framstilling av trykkplater (sink, kopper), som «skillevann» (eller «skjevann») for å skille gull og platina fra andre metaller, til framstilling av krutt, dynamitt, kunstgjødsel.

Saltsyre til å fjerne belegg fra gryter, vannbeholdere, blomstervaser, til å fjerne kalk- og sementsprut fra fliser og murverk, til å reingjøre metaller, til å framstille loddevann (sink oppløst i saltsyre), også som medisin ved mangel på magesyre (magesafta inne­ holder 0,3% saltsyre).

Uskadelige syrer

I tillegg til de farlige syrene finnes det også forskjellige ufarlige syrer, som vi ofte finner i næringsmidlene. Som krydder for­ bedrer de ofte smaken og pirrer fordøyelsesorganene til å skille ut mer væske. Slike syrer er: fruktsyrer (eplesyre, vinsyre, sitronsyre), melkesyre (i surmelk), karbonsyre (i brus, øl, musserende vin).

Vi h usker hvordan vi kan påvise syrer med lakmuspapir hvilke enkle kjennetegn det er som tjener til å skille de for­ skjellige syrene fra hverandre hvordan syrer virker på ulike stoffer hvorfor også syredamp kan være farlig hvorfor vi må være svært forsiktige når vi skal fortynne syrer hvilke syrer som er ufarlige hvordan syrer oppstår hvorfor saltsyre er et unntak blantjsyrene 144

Dyptrykk: svake steder på sylinderen etterbehandles med syre

Sinkklisjé: syre etser ut trykkbildet nøy­ aktig på en sinkplate

Garving av lær: de avhårede skinnene behandles i syrebad

Så farlig er syre: en kopperplate holdes noen få minutter i et begerglass med salpetersyre

145

Såpefabrikasjon i 1700-årene: av treaske og dyrefett blir det framstilt et vaskemiddel

Baser

Innsåpet

Skitt virker frastøtende og uappetittlig. Det er en selvfølge at vi vasker oss hver dag, at vi minst én gang i uken såper oss inn fra topp til tå, og at vi alltid har reint undertøy. Men det var tider da reinsligheten ikke stod særlig høyt i kurs. Den franske solkongen Ludvig 14. (1643—1735) kunne for eksempel rose seg av at han aldri hadde hatt en dråpe vann på kroppen. En trist rekord! Hans «kroppspleie» bestod ganske enkelt i å fukte øyenlokk og fingertupper med parfyme hver morgen. En romer derimot, med noe respekt for seg selv, tok daglig sitt bad og skiftet undertøy. Til vaskingen klarte han seg med reint vann. Men hvordan fjernet romerne fettflekker fra klærne sine, og hvordan fikk de rødvinsflekkete togaer kritthvite igjen? Man var ikke fintfølende i Rom: Klær ble vasket i urin, et billig og riktig brukbart vaskemiddel. I tillegg visste fullonerne, de romerske vaskere, også å sette pris på gallens reingjøringsevne. Såpe kjente de ikke. Den ble først brakt til Rom av gallerne og germanerne, men hadde da et helt annet formål enn den har i dag. 146

Den romerske historieskriver Plinius forteller: «Nyttig er her også sapo, som gallerne har oppfunnet, og som de bruker til å gi håret en rødlig glans. Man lager den av talg, helst geitetalg, og av aske, fortrinnsvis bøketresaske.» Denne «sapo», som er blitt til vårt ord såpe, ble altså først brukt som hårpomade. Under Karl den store laget såpekokerne såpe til vasking av dyrefett og treaske etter gamle germanske oppskrifter. Likevel ble såpa først skikkelig kjent i Europa under korstogene. Korsfarerne brakte nemlig duftende såpekuler med fra Orienten. Disse gikk for å være spesiell luksus og ble mest brukt i medi­ sinen til sårbehandling. Bare rikfolk kunne komme på en så «forrykt» tanke som å vaske seg med såpe; for alle vanlige døde­ lige var det uoverkommelig. Dette forandret seg ikke, selv om det oppstod mange såpekokerier i løpet av 1 300- og 1400-årene. Med mye hokuspokus, dyrefett og treaske kokte såpekokerne en «smurning», som sikkert ville virket frastøtende på alle i våre dager. Smurningen ble likevel brukt til vask av finere klær. Til vanlig klesvask brukte man nå som før et brygg av treaske og varmt vann. Så lenge såpekokerne framstilte såpe av treaske og fett, ble den for dyr til alminnelig bruk. Dette forandret seg da den franske kjemiker Nicolaus Leblanc (1742—1806) oppdaget en metode som erstattet treaske i såpefabrikasjonen: den kunstige sodalut (natriumkarbonat). Dermed begynte såpefabrikasjonen for alvor. Først nå kunne enhver såpe seg inn.

7.

2.

3.

4. 5.

Lut, baser — hvor har vi hørt om det før? Vi sammenlikner smaken av en vasketut med smaken av eddik etter sitron. Vt stikker tommel og pekefinger ned i en sterk vasketut og gnir dem mot hverandre. Det samme gjør vi med reint vann. Vi sammenlikner. Hva merker vi hvis vi får såpe i øynene når vi vasker oss? Vi skyller to glass med litt matolje som vi slår ut igjen. Så fyller vi glassene halvveis med vann og drysser litt vaskepulver i det ene glasset. Vi holder over åpningen på glasset med håndflaten og rister kraftig noen ganger før vi heller vannet ut. Vi ser på innsiden av glassene — hvil­ ken forskjell viser seg?

147

Rødt lakmuspapir dyppes i en base:

Av rødt blir blått

Baser er stoffer som kjennes sleipe, og som har en emmen (basisk) smak. Også for å påvise baser bruker vi lakmuspapir.

Baser farger rødt lakmuspapir blått.

Lakmuspapiret farges blått (påvisning av baser)

De vanligste baser er natronlut, kalilut, kalklut (kalkmelk, kalkvann) og salmiakkspiritus. Vi kan lett skille de enkelte baser fra hverandre ved å brenne en dråpe av stoffet inne i en fargeløs flamme. Flammen får for­ skjellig farge alt etter hvilken base dråpen kommer fra. På samme måte som syrene angriper basene stoffene på for­ skjellig vis. Deres etsende virkning viser seg særlig på animalske stoffer. Derimot er stoffer som kommer fra planter, nokså mot­ standsdyktige mot baser.

Baser har en etsende virkning. Animalske stoffer blir angrepet av baser.

I fargehandelen får vi ofte natronlut og kalilut i fast form som

etsnatron (kaustisk soda) og etskali. Disse er oppløselige i vann. Dette krever forsiktighet! Vi kan få så kraftig varmeutvikling at det spruter.

148

Natrium oksyderes i luft:

Natriumoksyd løses opp i vann:

2 atomer

1 atom

1 molekyl

1 molekyl

1 molekyl

2 molekyler

Natrium 2 Na

Oksygen 0

Natriumoksyd Na2O

Natriumoksyd Na2O

Vann H:0

Natronlut 2 NaOH

Baser — nøyere sett

Natronlut: Navnet peker på natrium. Dette svært bløte metallet, som på en frisk snittflate viser en metallisk glans, oksyderes hurtig når det blir utsatt for luft. Det må av den grunn oppbevares under parafin. Natriumoksyd løser seg opp i vann til natronlut. Det uedle metallet natrium danner meget lett forbindelser. Det kan vi se hvis vi slipper noen natriumkorn i vann. Vannet blir frarøvet oksygenet, mens hydrogenet unnslipper. På denne måten får vi natriumoksyd, som sammen med vann gir natronlut. På samme måte som natriumoksyd danner andre metalloksyder baser, dersom de er oppløselige i vann.

Metalloksyder og vann gir baser.

I

149

Salmiakkspiritus er et unntak blant basene. Det er en væske som gir fra seg en gass med stikkende lukt. Det er ammoniakk (NH3). Ammoniakk oppstår på naturlig måte overalt hvor stoffer som inneholder protein, råtner. Det dannes blant annet i gjødsel. Hvis ammoniakk forbinder seg med vann, dannes det en base, salmiakkspiritus. Uttrykt med kjemiske tegn kan forbindelsen skrives slik: nh3 + H2O NH40H H og O er alltid med C

1

La oss se på formlene for de forskjellige basene: Natronlut NaOH Kalklut Ca(OH)2 Kalilut KOH Salmiakkspiritus NH40H

Vi legger merke til at alle basene inneholder hydrogen og ok­ sygen. Hydrogenet og oksygenet finner vi i den såkalte OHgruppen. Med denne gruppen er det så alltid forbundet et metall, så nær som i salmiakkspiritus. For å holde baser atskilt fra oksyder (et stoffs forbindelse med oksygen alene) blir de fordi de inneholder hydrogen, også kalt hydroksyder. Istedenfor natronlut kunne vi altså si natriumhydroksyd, for kalilut, kaliumhydroksyd osv. Baser er forbindelser mellom et metall og Fuktig rødt lakmuspapir holdes over sal­ miakkspiritus :

I

oksygen og hydrogen (hydroksyder). I sal­ miakkspiritus kommer NH4-gruppen iste­ denfor metallet.

Hvor baser kommer til nytte

lakmuspapiret farges blått

150

Ved reingjøring i kjøkkenet: vaske- og skuremidler er ofte tilsatt salmiakk. Til å fjerne fettansamlinger, hår og tråder fra tilstoppede rør og klosetter: midler som inneholder etsnatron strøs i avløpet — deretter spyles det med varmt vann. Til vasking: når såpe løses i vann, dannes en base.

Forsiktighet er nødvendig

Når bakerne dypper kringler i «kringlelut» (fortynnet natronlut), må de bruke gummihansker. Lut i sinkbaljer og aluminiumskar gjør innsidene svarte. Basiske (alkaliske) vaskemidler må ikke brukes til vask av ullplagg. Etter vaskingen må vi skylle tøyet godt. Når vi har vasket hendene, er huden ofte så tørr at vi må smøre den.

Vi husker . . . . . . hvordan vi kan påvise baser med lakmuspapir . . . hvilke enkle kjennetegn som kan tjene til å skille de for­ skjellige baser fra hverandre . . . hvordan baser av de forskjellige stoffene virker . . . hvordan baser dannes . . . hvorfor salmiakkspiritus er et unntak blant basene . . . hvilke stoffer baser består av . . . hvorfor baser kalles hydroksyder Fjøsvegger hvitkalkes: utøy og bakterier utryddes på denne måten

Kringler dyppes i lut før steikingen: gummihansker beskytter huden mot etsing

151

Kjemien bringes fram til seier: Liebigs laboratorium ved universitetet i Giessen

Salter

Fra kjøttekstrakt til kunstgjødsel Han var en av de mest berømte vitenskapsmenn på sin tid. Til de kjemiske foredragene hans kom medlemmer av de øverste samfunnsklasser, ja, til og med av kongehuset. En gang var også den bayerske kronprins Leopold og hans gemalinne til stede. Plutselig skjedde det en kraftig eksplosjon av knallgass. De høye gjester fikk noen lette sår. Men dette ble man ikke opprørt over, man var jo gjest hos en stor og interessant personlighet: hos Friherre Justus von Liebig. Friherre Justus von Liebig var ikke adelig av fødsel. Han så dagens lys i 1803 som sønn av en apoteker og materialhandler i Darmstadt. I løpet av sin skoletid var Justus bare interessert i kjemi, enda dette faget slett ikke fantes på undervisningsplanen. Men kjemi var hans kjepphest. Som 1 7-åring fikk han så reise for å studere kjemi ved universitetet i Bonn. To år etterpå var han i Paris. Et stipendium hadde gjort det mulig å besøke høg­ skoler i Frankrike, der det ble gitt den beste undervisningen i kjemi. Justus var knapt 20 år gammel da han la fram et vitenskapelig arbeid om såkalt knallsølv, som vakte oppsikt. Storhertugen av Hessen kalte etter dette den unge kjemikeren til seg som ekstra­ ordinær professor ved universitetet i Giessen.

152

Der holdt Liebig spennende forelesninger for sine studenter og gjorde den unge vitenskapen populær. Han oppdaget mange viktige kjemiske forbindelser, blant annet kloroform, som blir brukt som narkose- og bedøvelsesmiddel i medisinen. Helt på siden framstilte han kjottekstrakt som et kornet pulver til å lage supper og sauser av, og fikk på den måten navnet sitt inni mange husholdninger. «Liebigs kjottekstrakt» gjorde nok Liebig be­ rømt, men sine mest betydningsfulle resultater oppnådde han ved sin innsats for landbruket. Kort før midten av det forrige århundre hadde man store bekymringer fordi avlingene ble mindre og mindre for hvert år. Hva var årsaken? Liebig ville finne dette ut og undersøkte plantene etter tur. I sitt laboratorium oppløste han dem bokstavelig i sine enkelte bestanddeler, og slo fast at plantene bestod av karbon og hydrogen, av nitro­ gen og oksygen, men også av små mengder jern, kalium, kal­ sium, svovel og fosfor. Hvor tok plantene disse elementene fra? Fra jorda. Men når jorda var uttæret, når det ikke fantes mer kalsium, svovel, fos­ for eller nitrogen, da kunne plantene ikke vokse. Det ble dårlige avlinger. Bare ved på nytt å tilføre jorda disse stoffene ved gjødsling kunne man igjen få bedre avlinger. Med denne idéen ble Liebig grunnlegger av den moderne kunstgjødsling. På grunn av dette ble den berømte lærde, som storhertugen av Hessen hadde opphøyet til friherre, hyllet til sin død i 1873. Liebigs forslag om å tilføre jorda næring i form av salter, såkalte næringssalter, for at plantene skulle kunne trives, har revolu­ sjonert jordbruket. Næringssalter sikrer i dag vår ernæring.

Friherre Justus von Liebig 1803—1873

7. Hvilken naturlig gjødsel bruker bonden på åker og eng?

2. Hos gartneren undersøker vi hvordan man anlegger en komposthaug, og hva den brukes til. 3. Hva ville man før oppnå med vekselbruk?

4. Hvorfor skulle vi om høsten la lauvet fra trærne Ugge istedenfor å rake det sammen ? 5. Hvilke sorter kunstgjødsel kjenner vi? Hva gjødsler vi potteplantene med?

153

Næring fra jorda og fra posen

Mens man før mest brukte dyregjødsel

. . . bruker man i dag heller kunstgjødsel for å kunne gjødsle etter formålet

154

Alle planter trenger vann for å leve. Dette henter de opp fra grunnen ved hjelp av rottene. Alle planter trenger næringsstoffer for å vokse. Næringsstoffene finnes i jorda, i form av såkalte salter. Vannet løser opp saltene og bringer dem til plantene som bruker dem til å bygge opp cellene sine med. Disse saltene i jorda kaller vi mineralsalter eller næringssalter. Fordi hver eneste plante har behov for mineralsalter, skulle en tro at jorda snart ville være utarmet på næringsstoffer. Men naturen sørger for utlikning. Når plantene dør, når bladene faller til jorda, blir næringssaltene frigjort igjen. Plantene går i for­ råtnelse, blir til humus, til ny jord, næringssaltene blir på nytt tilført grunnen. Dette kaller vi for selvgjødsling. En form for selvgjødsling har vi når bonden pløyer om åkeren med ubruk­ bare plantedeler (halm, potetris og annet). Når menneskene griper inn i naturen og bare lar bestemte plante­ sorter vokse på et jordstykke, oppstår faren for at jorda skal bli for ensidig utnyttet. For å hindre dette må det gjødsles. Naturlig gjødsel (dyregjødsel) står i første rekke. Den inneholder alle næringsstoffene. Men nå er det ikke lenger gjødselkjeller på alle garder. Mange landbruksbedrifter har spesialisert seg og driver bare åkerbruk. Buskap til å levere gjødsel mangler. Kunst­ gjødsel er derfor en selvfølge i dag, både for gardbruker og gartner. Kunstig gjødsling har til og med fordeler'. Undersøk­ elser av jordsmonnet gir opplysninger om hvilke næringssalter plantene mangler. Målrettet kunstig gjødsling kan avhjelpe manglene. Alt etter hvilke planter som dyrkes, velger man mellom forskjellige typer kunstgjødsel. Kunstgjødsel kan man få fra naturlige forekomster ^saitleier) eller fra industriens avfallsprodukter. Men næringssalter blir også framstilt kunstig i store spesialfabrikker (Norsk Hydro). Kjemikernes og teknikernes mest betydningsfulle oppfinnelse er framstillingen av kvelstoffgjødsel direkte fra lufta, hvor det jo er nok av nitrogen.

Alt er i system

Fra syrer til salter:

Vi forstår å skape orden på, systematisere, de store antall for­ skjellige stoffer som omgir oss. En del av dem er grunnstoffer. Vi kjenner til 92 naturlige grunnstoffer eller elementer, f.eks. oksygen, hydrogen, svovel, karbon og samtlige metaller. De kjemiske forbindelser som bygges opp av grunnstoffene, utgjør hoveddelen av stoffene. Her har vi også syrer og baser, som vi alt har hørt om. Men også saltene, som plantene trenger for å vokse, må finne sin plass i dette systemet. Også de dannes etter bestemte kjemiske lover.

Syre

(Hydrogen + syrerest)

Salt av syre og metall Vi vet at syrer angriper metall og kan «spise» det fullstendig opp. Når syre virker på et metall, løser det seg ikke opp som sukker i vann, det skjer en kjemisk forandring. Vi har lært at syrer består av ikke-metaller, hydrogen og — svært ofte — oksygen. Hvis syre kommer sammen med et metall, fortrenger dette hydrogenet og forbinder seg med syreresten. Derved oppstår det et nytt stoff som vi kaller salt. Det frigjorte hydrogenet unnviker. Svovelsyre og jern danner grønnaktige krystaller, jernvitriol. De andre syrene og uedle metaller danner salter på samme måte som svovelsyre og jern. Her gjelder regelen: jo mindre edelt et metall er, dess lettere reagerer det med syre. Salt

Når syrer reagerer med metaller, dannes salter.

Fortynnet svovelsyre helles over jernpulver:

Gassen som stiger opp, tennes på:

Oppløsningen dampes langsomt inn:

Bobler stiger

(□assen brenner (hydrogen)

Gronne krystaller (jernvitriol)

155

Fortynnet saltsyre og fortynnet natronlut blandes med hverandre:

Syra gir navnet

Når vi til daglig taler om salt, tenker vi for det meste på det saltet vi kjenner, nemlig koksalt. I kjemien betegner vi en hel rekke andre stoffer som salter, også når de ikke likner koksalt eller som dette smaker «salt». For kjemikeren er det den kjemiske sammen­ setningen som er avgjørende. Mange salter er svært giftige. Det at saltene er så forskjellige, kommer av at de dannes av for­ skjellige metallers reaksjoner med ulike syrer. Saltene får navn etter den syra de dannes av:

Prøve med blått og rødt lakmuspapir

Lakmuspapir forandrer seg ikke

Blandingen dampes inn

Det dannes koksaltkrystaller

Metall Metall Metall Metall Metall Metall

og og og og og og

svovelsyre karbonsyre saltsyre salpetersyre fosforsyre eddiksyre

— svovelsure salter eller sulfater —karbonsure salter eller karbonater — saltsure salter eller klorider —salpetersure salter eller nitrater — fosforsure salter eller fosfater — eddiksure salter eller acetater

Salt av syre og base

Syrer og baser har det til felles at de angriper andre stoffer og ødelegger dem. Overfor hverandre forholder syrer og baser seg som fiender. De slåss. Hvis vi bringer en syre sammen med en base, vil virkningen av de to stoffene gjensidig oppheve hver­ andre. Hvis vi for eksempel blander saltsyre og natronlut med hver­ andre i et bestemt forhold, får vi en væske som ikke forandrer fargen på lakmuspapir. Oppløsningen smaker verken surt eller emment, men salt. Hvis vi nå damper bort vannet, blir det tilbake hvitt koksalt, som vi kan bruke i maten. Base og syre gir salt og vann.

Av natronlut og saltsyre dannes koksalt

156

Verken — eller

På samme måte som koksalt blir dannet av saltsyre og natron­ lut, kan andre salter dannes av forbindelser mellom andre syrer og. baser. Mange av dem ser riktignok ikke ut som koksalt og smaker heller ikke salt. Men salter som er dannet av sterke baser og sterke syrer har likevel ett til felles: de reagerer verken surt eller basisk. De er nøytrale. Når det dannes salt av en syre og en base, sier vi at syra og basen har nøytralisert hverandre. Nøytralisasjon er altså også en form for saltdanning. Også her forbinder et metall seg med en syrerest. Saltet får navn etter den syra det er dannet av. Salter som er dannet av sterke baser eller svake syrer, reagerer basisk, eller som vi også sier, alkalisk (f.eks. soda, natriumkarbonat). Tungmetallsalter (sterke syrer) reagerer ofte surt (f.eks. koppervitriol, koppersulfat). Salter dannes ved nøytralisasjon

Natronlut

+ saltsyre

-> natriumklorid (koksalt) + karbonsyre -> natriumkarbonat Natronlut (soda) + salpetersyre -> natriumnitrat Natronlut (chilesalpeter) + saltsyre Kalilut -> kaliumklorid (kali) + karbonsyre -> kaliumkarbonat Kalilut (pottaske) Salmiakkspiritus + saltsyre -> ammoniumklorid (salmiakksalt) Salmiakkspiritus + karbonsyre -> ammoniumkarbonat (hornsalt)

+ vann + vann + vann + vann

+ vann

+ vann + vann

157

Alle slags salter

Navn

Formel

Koppervitriol = koppersulfat

CuSO4

Gips kalsiumsulfat

CaSO4

Soda = natriumkarbonat

Na2CO3

Natron = natriumbikarbonat

NaHCO3

Pottaske = kaliumkarbonat

CaCO 3

Koksalt natriumklorid

NaCI

Chilesalpeter = natriumnitrat

NaNO3

Kalksalpeter Salter mot skader på planter: vinranker sprøytes med CuS04

kalsiumnitrat

Ca(NO3)2

HeNetesstein = sølvnitrat

Spanskgrønt = kopperacetat

«Eddiksur leirjord»

Sprøyting av vinranker, forkopring av jerndeler Byggemateriale, støpefor­ mer, gipsbandasjer Bløytemiddel, i vaskemid­ ler, glassproduksjon Bruspulver, bakepulver, medikament Glassproduksjon

K2CO3

Kalkstein = kalsiumkarbonat

Anvendelse

AgNO3

Byggemateriale, kalkutvinning, bestanddel i knokler Kjøkkensalt, framstilling av klor, natronlut og saltsyre Gjødsel, sprengstoffproduksjon Gjødsel, sprengstoffproduksjon Etsemiddel mot vorter, merkeblekk, forsølving av speil, lysømfintlig belegg på fotopapir og filmer Grønt belegg på koppergjenstander, kunstig patina Legemiddel ved hevelser

aluminiumacetat

Slik gjøres det

Når vi har lutet av maling på en gjenstand, vasker vi gjenstanden med en svak syre. Den brennende smerten fra insektstikk (maursyre) lindres hvis vi gnir stikket med spytt eller såpe. Natron hjelper mot halsbrann (overskudd på magesyre). Sur jord gjødsles med kalk. Når vi arbeider med syrer, skal vi alltid ha salmiakkspiritus for hånden, når vi arbeider med baser, skal vi derimot ha eddik. 158 __________ ________________________________________________________________________ ____________________ ________ .

Enkeltvis eller blandet

Kunstgjødsel er salter, som etter behov anvendes enkeltvis, eller i blanding med hverandre. Enkeltgjødsel sprer bonden når han vet hvilke stoffer det er jorda mangler. Chilesalpeter ( = natronsalpeter, drevet ut av ørkenen Atacama i Chile eller framstilt i fabrikker). Thomasfosfat (kalsiumfosfat, avfall fra stålproduksjon etter thomasprosessen).

Blandings- eller fullgjødsel inneholder vanligvis alle nødvendige stoffer og strøs på i løpet av den kraftigste vekstperioden. Noen blandinger har disse sammensetningene: Nitrogen — fosfor — kalium — urinstoff (nitrogenholdig forbindelse) —kalium —fosfor. Fra dette området kommer den naturlige salpeter: luftfoto av saltørkenen Atacama i det nordlige Chile

V i h u sker ... . . . hvilke kjemiske forandringer som skjer når en syre virker på et metall . . . hva som skjer når vi blander en syre og en base . . . når vi taler om nøytralisasjon . . . hvordan saltene får navn . . . hvorfor vi taler om næringssalter . . . hva man ønsker å oppnå ved gjødsling

Syrer smaker surt, farger lakmuspapir

Rødt

Baser smaker såpeaktig, farger lakmuspapir

Blått

Nøytrale

Alle syrer inneholder et ikkemetall og hydrogen, oftest også oksygen.

Alle baser inneholder et me­ tall, hydrogen og oksygen (OH-gruppe).

Regel: Ikke-metalloksyd og vann gir syre.

Regel: Metalloksyd base.

Unntak: Saltsyre

Unntak: Salmiakkspiritus

)

og

Salter smaker for det meste salt, er i mange tilfeller

vann

gir

Salter er forbindelser mel­ lom et metall og en syrerest. Regel: Syre og base gir salt og vann.

Syre og metall gir salt og hydrogen.

159

Slik bodde germanerne: originaltro kopi av cheruskerlandsby i Westfalen

Byggematerialer -

Glass og keramikk Alt de gamle romerne

Det vi vet om de gamle germanere, skylder vi de romerske historieskriverne, blant dem særlig Cornelius Tacitus og Gaius Julius Cæsar, den berømte feltherre og seinere keiser. Alt som Tacitus syntes var viktig hos de germanske folkeslag, har har nedtegnet i sin «Germania». Om boliger og hus forteller han: «Enhver omgir huset sitt med en passende åpen plass, enten de nå er som sikring mot gnistregn ved brann eller på grunn a\ manglende erfaring i byggekunst ... De bruker verken mur­ stein eller takstein, men grovt tilhogde tømmerstokker uten hen­ syn til utseendet. Visse steder slemmer de over med rein oc glinsende leirjord, slik at det ser ut som bilder eller fargede linjemønstre.» For en forvendt romer som Tacitus måtte de germanske husene se ut som fattigslige leirhytter. Murstein og takstein var de mes primitive byggematerialer han kunne tenke seg — germanerne kjente dem ikke. Romerne bygde templer og veier. Mektige akvedukter førte over dype dalfører og bruer av stein ove brede elver. Husene hadde vinduer av glass, og glass pryde vegger og golv i palassene. 160

Romerne hadde lært å bygge av grekerne, som sammenliknet med egypterne i høy grad hadde forfinet byggekunsten. I faraonenes land hogde slaver til kjempemessige steinblokker som de tårnet oppå hverandre til uforgjengelige pyramider. Grekerne brukte lettere steiner til sine templer. Fordi tyngden av steinene ikke var stor nok til å holde dem på plass, festet byggmestrene dem med klemmer av bronse, jern eller bly. Romerne kjente en mer moderne byggemåte. Deres beromte byggekunst skyldtes særlig et bindemiddel som de hadde funnet fram til, nemlig mørtelen. Den hadde en enestående styrke. Vi kan den dag i dag beundre de romerske byggverk, som er blitt stående gjennom årtusener. I tillegg hadde romerne også brent teglstein til en slik fullkommenhet at ingen siden har kunnet gjøre dem det etter. Den romerske teglsteinen var fast og motstandsdyktig som den romerske mørtelen. Derfor undret Tacitus seg over den manglende byggekunst i Germania. Men slik går det i historien, nettopp germanerne, gallerne og kelterne overtok arven etter romerne. Av romerne lærte disse folkene hurtig å bygge med stein og ble i gotikkens tidsalder opphavsmenn til de reine mirakler av byggekunst. Men en dag var det også slutt med deres kunst. Mange uferdige katedraler, altfor dristig planlagt, viser det. Arbeidene måtte ofte også innstilles på grunn av høye byggeomkostninger, for i den tiden kjente man ikke de byggematerialene som vi bruker । dag.

Moderne byggematerialer gjor det mulig hoyhus av stål, betong og glass

7. Hvilke byggematerialer brukes ved husbygging ? Hvilken

oppgave har mørtelen? Hvordan Jages den? 2. Av sementgraut lager vi en kule, legger den i vann og prøver styrken etter noen dager. Hva kan vi fastslå ? 3. Vi vil feste en krok i en murvegg. Hva må vi passe på? 4 Hvor brukes glass? Hvilke av glassets egenskaper nyt­ tiggjør vi oss ? 5. Vi blander en klump leire og vann, knar den godt og former en tynn plate, som vi lar lufttørke til den er hard. Så holder vi med en tang den ene halvdelen av platen over en flamme og varmer den kraftig opp. Etter at den er avkjølt, legger vi hele platen i vann, ber vi nå noen forskjell mellom den brente og den ubrente delen av platen?

161

Saltsyre helles over kalkstein. Gassen som dannes, ledes i kalkvann:

Kalk binder Det settes opp en mur. Murerne legger stein på stein og legger mørtel mellom dem. Mørtelen har de blandet av vann, sand og kalk. Etter noen dager blir denne kalkmørtelen hard, det dannes

kalkstein. Kalkstein forekommer overalt i naturen. Hele fjellkjeder er bygd opp av kalkstein. Vi vet at kalkstein kjemisk er et salt dannet av karbonsyre, nemlig karbonsurt kalsium eller kalsiumkarbonat (CaCO3). Denne samme kjemiske sammensetningen viser det harde marmor, den sprø korall, og det myke kritt (ikke å for­ veksle med vårt tavlekritt), de er altså også kalksteiner. Kalk finner vi videre i eggeskall, i sneglehus, i skjell, ja også i men­ neskets knokler. Det er lett å påvise kalkstein. Hvis vi drypper saltsyre pa den, bruser det opp. Den sterke saltsyra driver ut den svake karbon­ syra. Boblene er altså karbondioksyd (CO2).

Kalk av kalkstein Et marmorstykke flamme:

glødes

over

en

varm

Kalken som vi bruker til bygging, leveres fra kalkbrenneriene.

Kalksteinen blir ved brenning spaltet i sine bestanddeler: karbondioksyden drives ut, og brent kalk blir tilbake. Den føres i handelen som stykker og som pulver. På byggeplassen helles det vann over den brente kalken, og under sterk varmeutvikling blir det laget en hvit graut, lesket

kalk. Når lesket kalk blandes med sand og vann i et bestemt forhold, får vi kalkmørtel. Etter noen dager tørker den fordi den opptar karbondioksyd fra lufta. Det dannes på nytt kalkstein. Det dannes brent kalk

Vann helles over brent kalk. Vi tar en lak musprøve:

Lakmuspapiret farges blått (lesket kalk)

162

Brenning: Kalkstein

Brent kalk + Karbondioksyd CaCO3 CaO CO, Syreresten drives ut av et salt. Vi får et metalloksyd.

Lesking:

Brent kalk + Vann Lesket kalk CaO H2O Ca(OH)2 Av et metalloksyd og vann dannes en base.

Herding:

Lesket kalk + Karbondioksyd Kalkstein + Vann Ca(OH)2 CO, CaCO3 H,0 Ved nøytralisasjon av base og syre oppstår et salt og vann.

Betongmurer

Det er ikke alltid at man lager en mur ved å føye de enkelte mursteinene sammen. Grunnmurer som står på fuktig grunn, blir i dag nesten alltid støpt i betong. Ofte bygger man hele hus av betong, kjempemessige skyskrapere og boligblokker. Delvis blir de satt sammen av prefabrikerte betongelementer. Av be­ tong lages også veidekker og bruer. Til framstilling av betong bruker vi sement. Dette grågrønne, påfallende tunge pulveret blir laget i sementfabrikkene av 6065% kalkstein, 21—24% kiselsyre og en rekke andre stoffer i mindre mengder. De finmalte sammenblandede råstoffene, råmjøtet, oppvarmes meget sterkt (ca. 1400-1500 °C). Partik­ lene sintrer sammen, og det dannes såkalte sementklinker. Etter avkjøling blir sementklinkene malt til sement og pakket i sekker eller sendt i transportable siloer. Sement lar seg blande med vann til sementmørtel. Denne mør­ telen brukes til pussing og til fuging. Sementmørtel størkner fortere enn kalkmørtel. For å størkne trenger den vann (vannmørtel) i motsetning til kalkmørtel, som trenger karbondioksyd fra lufta for å størkne (luftmørtel), og som avgir vann. Hvis sementen blandes med sand og pukkstein og tilsettes vann, får vi betong. Stålbetong, armert betong, får en særlig styrke ved innlagte stålstenger eller stålgitre.

Kalkstein brytes i store blokker

163

Hurtig gipset Når vi vil feste noe i en murvegg, gipser vi det ofte inn. Før maleren begynner å male, må han sparkle alle sprekker og revner omhyggelig. Store hull fyller han med gips. Med gips må vi arbeide hurtig, for den størkner mellom hendene på oss og kan da ikke brukes mer. Gips forekommer i naturen som fast fjell, men også i form av krystaller. Kjemisk er det ingen forskjell: det er svovelsurt kalsium eller kalsiumsulfat forbundet med såkalt krystallvann. For å lage gipsmjølet som føres i handelen, blir det meste av krystallvannet drevet ut ved brenning, og den brente gipsen blir deretter finmalt. Gipsvellingen, som lages ved tilsetting av vann, størkner fort fordi pulveret grådig suger til seg og binder det vannet som ble utskilt ved brenningen. Derved dannes krystaller som fletter seg i hverandre og gir gipsen styrke. Etter bruksom­ råder taler vi om stukkgips (pussarbeider, underlag for golv­ belegg, gipsbandasjer, inngipsing av kroker, luker, rør) eller formgips (statuer, relieffer, gipsformer). Gips lar seg svært lett forme: utbedring av et gammelt stukkarbeid

Edel stein Kvarts, også etterspurte halv-edelsteiner: ametyst (til venstre) og agat (til høyre)

Et byggemateriale som vår moderne arkitektur ikke kunne vært foruten, er glasset. Glass er riktignok et materiale som men­ neskene har skaffet seg på kunstig vis, men vi finner også glassaktige stoffer i naturen. Noen kaller vi kvarts og kjenner en hel rekke av dem. I fjelIsprekker finner vi noen steder den glassklare bergkrystall eller fargede krystaller som kalles halvedelsteiner: den rosenrøde rosenkvarts, den grå røykkvarts, den gule citrin eller falsk topas, den fiolette ametyst. Også flint og kise Iste in er kvarts. Kvarts er en kjemisk forbindelse av oksygen og silisium, et ikkemetall. Kvarts er altså et silisiumoksyd (SiO2) og danner som andre ikke-metalloksyder en syre, kiselsyre (H2SiO3). Saltene heter kiselsure salter eller silikater. Kvarts er det viktigste rå­ stoffet i glassproduksjonen.

Flytende og fast glass

Det enkleste «glass» er vannglass. Dette dannes når kvartspulver og etsnatron eller etskali smeltes sammen. Vannglass er opp­ løselig i vann. Vannglass brukes til oppbevaring av egg og som klebemiddel. Hvis vi blander vannglas^ med metallpulver, får 164

Kvarts og etsnatron varmes opp . . .

Kvarts, soda og monje varmes opp på en kopperplate . . .

vi kitt. Lett brennbare stoffer blir mindre brannfarlige hvis de impregneres med vannglass. Ved sammensmelting av kvarts og etsnatron forbinder kvartsen seg med natrium til natronvannglass (= kiselsurt natrium eller natriumsilikat). Brukes etskali, dannes kalivannglass (= kisel­ surt kalium eller kaliumsilikat). Til framstilling av «fast» glass trengs tre råstoffer. Ett av dem er alltid kvarts. Hvis vi smelter kvarts sammen med soda og blyoksyd (mønje), forbinder kvartsen seg delvis med soda, delvis med blyoksyd til silikater. Fast glass er altså et dobbeltsilikat. For at råstoffene skal smelte, er det nødvendig med tempera­ turer mellom 800 og 1600 °C.

Glassets viktigste egenskaper: det lar seg smelte og stope

Glass etter ønske Hvilke egenskaper glasset har, er avhengig av råstoffene som blir brukt i framstillingen. De viktigste glasstyper er kalknatron-glass og bly-glass.

Kvarts Kvarts Kvarts Kvarts

+ + + +

soda + kalk soda + mønje pottaske + kalk pottaske + mønje

-» -> -> ->

Natron-kalk-glass Natron-bly-glass Kal i - kalk-glass Kali - bly-glass

Glass er ikke alltid fargeløst. Farget glass får vi ved å tilsette metalloksyder til glassmassen. Kopperoksyd farger glasset grønt, mkkeloksyd svart, jernoksyd blågrønt eller gulgrønt. Glass brukes også som overtrekk på gjenstander av jern eller porselen, på fliser og andre keramiske produkter. Det blir på165

ført i flytende tilstand som en glasur og heter emalje. Emalje er særlig motstandsdyktig mot ytre påvirkninger, hindrer rust og er lett å holde reint.

På dreieskiva Et av de viktigste råstoffene for mange bruksgjenstander og byggeelementer er leire. Av leire framstilles alle keramiske pro­ dukter. Rein leire er hvit og kalles kaolin. Dette navnet er det kinesiske Kao-ling, som igjen betyr jord fra stedet Ling, altså kinesisk porselensjord. For det meste er leira forurenset med sand, kalk eller gips eller farget av metalloksyder. Særlig sterkt forurenset er blå leire. Ved framstillingen av leirvarer er tre arbeidsprosesser viktige: Varen formes først av den fuktige massen, så tørkes den, og til slutt blir den brent i ovn. Fagmannen skiller mellom forskjellige leirvarer etter farge og potteskårenes bruddflater: Av fuktig leire former kunstneren krukker og vaser, som etter brenningen i ovnen blir steinharde og varige

Hvitt brudd

Farget brudd

Tett vare Porselen av rein porselensleire. Kjennetegn: kanten er ru, uten glasur — bruddet har skarpe kanter — er gjennom­ skinnelig, hard

Porøs vare Keramikk av leire med tilset­ ninger, likner porselen (uekte porselen), bløt, glasur viser fine sprekker — billig

Anvendelse: dekketøy, lysestaker, figurer, tekniske redskaper (digler, skåler, gebiss)

Anvendelse: billig dekketøy, vaskefat, skyllekar, klosettskåler, glaserte ovnsfliser

Steintøy grått til brunt, glasert som porselen, hardt, klingende — ikke gjennomskinnelig

Leirvare laget av blåleire — rød farge, bløt

Anvendelse: golvfliser, klinkstein, vaser, aske­ beger, ølkrus 166

Anvendelse: murstein, takstein, drensrør, blomsterpotter, krukker, vaser

Nå kan vi forklare hvorfor nybygg må oppvarmes og luftes godt hvorfor vi ved innflytting i et nytt murbygg ikke med en gang bør sette møblene helt inn til veggen eller henge opp bilder hvilken dobbelt funksjon oppsetting av åpne koksovner har i råbygg hvorfor vi kan bygge under vann med sement, men ikke med kalkmørtel hvorfor brent kalk må transporteres i åpne kjøretøyer hvorfor vi kaller brent kalk også etskalk og lesket kalk (kalkvann) kalklut hvorfor gipspulver opptar så mye vann, og hvorfor gipsvellingen må brukes hurtig hvorfor betong og jern lar seg bygge sammen uten at det oppstår spenningsrevner (vi tenker på utvidelsen ved varme) hvorfor det er nødvendig med særlig høye temperaturer ved g lassf ramsti 11 i ng hvorfor emalje er en særlig god beskyttelse mot rust hvorfor keramikk og steintøy ikke er det samme

Vi . . . . . .

husker . . . . hvilke stoffer kalkmørtel lages av . hvilken forskjell det er mellom brent kalk og lesket kalk . hvorfor herdningen av kalken i mørtelen kan kalles nøytralisasjon . . . hvilke råstoffer som brukes i framstillingen av sement . . . hva den kjemiske betegnelsen for gips er . . . hvilken rolle krystallvann spiller ved brenning og herdning av gips ... i hvilken form vi finner kvarts i naturen . . . hvilke stoffer vi må tilsette vannglassråstoffene for å få «fast» glass . . . hvordan vi kan betegne fast glass kjemisk . . . hvilke viktige glasstyper som finnes . . . hvilke stoffer som brukes i framstillingen av keramiske produkter . . . hvorfor vi taler om tette og porøse leirvarer

Emaljearbeid

Formen legges med sølvtråd

Emaljemassen påføres

Brenning av emaljen gir glans

167