Etikettarkiv: fysik

Vasas nya vagga

Som materialforskare blir man ganska snabbt tvungen att intressera sig för andra material än sitt eget. Och inte bara för materialet i sig utan även dess växelverkan med omgivningen. Kemi och fysik och biologi och matematik, tvärvetenskap när den är som bäst!

Ett riktigt favoritprojekt med ständigt nya ingångar är förstås skeppet Vasa. Stiftelsen för Strategisk Forskning stöttar sedan en tid ett projekt där en skräddarsydd vagga designas som ska avlasta trästrukturen från dess egen tyngd. Där ingår bland andra Sveriges Lantbruksuniversitet som kan det här med ek.

Ett extra plus för musiken i filmen! Suggestiva klanger med historiska referenser  och mycket cello förstås!

Annonser

Vid kaffeautomaten

Ibland, sa kollegan N, undrar jag hur det känns att vara kvinna.

Jaha? sa vi. Tre kvinnor kring fikabordet så det var rätt hög procent.

Jo, när frugan vill ha hjälp att öppna marmeladburken. Det är ju ingen match för mig. Lyfta saker och sånt. Men ni kvinnor, ni lever ju i en värld där allt är för stort och för tungt och för brett…

Vi hittar på andra sätt, sa kollegan M. Uppfinner burköppnare och lyfthjälpmedel och höga klackar.

 

dscn0225.jpg

Denna fikadiskussion kom jag att tänka på idag i trädgården. Har fått några överblivna kalkstensplattor av grannen och de skulle passa fint som stöd för blommorna i slänten, tänkte jag. Så jag grävde och fixade och skulle sedan lyfta dem på plats.

Jaha.

Inte en chans att lyfta. Men jag mindes min tid som postbud, hur jag i brist på muskelstyrka lärde mig att hasa och dra och välta paketen dit de skulle. Och idag visade jag att en spade som hävstång plus en dos Newtonsk fysik kompenserar rätt bra.

Fråga Doktorn (33)

En antikhandlare sa till mig en gång om föremål av tenn, ljusstakar, fat etc. att utsätt dem inte för kyla under – 11 grader för då förstörs metallen. De får tennsjuka. På Antikrundan i TV har man sagt – 13 grader. Vad händer egentligen?

Som gjutare är vi vana vid att metaller är metaller. De ska vara formbara och leda ström och gärna glänsa som silver, guld eller koppar. Blir de matta och fula på ytan kallar vi det korrosion och förklarar det med kemisk inverkan av syre och föroreningar. Men det finns undantag!

Tenn är en vanlig och relativt billig metall och dessutom en av de tidigast upptäckta. Redan för två tusen år sedan bröts den i Cornwalls gruvor och utgjorde en förutsättning för att tillverka brons. Från medeltiden och fram till 1800-talet var tennföremål eftertraktade hushållsartiklar för den som hade råd och det är ofta dessa antika föremål som råkar ut för det problem du beskriver.

Som metall betraktad har tenn ett par udda egenskaper. Den gnisslar till exempel vid deformation, så kallat tennskrik. Detta ljud uppkommer när metallkornen glider mot varandra och just för tenn samverkar dess stora kornstorlek och andra materialegenskaper till att ljudet blir hörbart för människan. Vill man lyssna på sprickbildning och deformationer i andra metalliska material får man använda olika akustiska mätinstrument, för tennet är ensamt om att vara så högljutt!

tennpestSedan har vi den så kallade tennsjukan, eller tennpesten som den oftare kallas! Den bildas mycket riktigt på ytan av tennföremål som förvaras långvarigt vid temperaturer under +13 °C. Man kunde tro att det är fråga om någon typ av korrosion. Men tenn reagerar endast obetydligt med syre och användes tidigt som korrosionsskydd för både koppar och järn genom att plåtar och föremål försågs med en förtenning, ett tunt yttre tennlager. Den matta ytan vi är vana att se på tennföremål är inget oxidskikt utan en medvetet polerad finish. Och förklaringen till har inte alls med kemi att göra.

Tenn är som sagt en metall, men bara under vissa förutsättningar. När smält tenn får stelna bildas den metall vi känner till, silvervit och glänsande. Den kallas vitt tenn eller β-tenn och om den är helt ren är den stabil ned till +13 °C. Vid lägre temperaturer sker en förändring i atomstrukturen. De metalliska egenskaperna försvinner och istället bildas α-tenn, ett grått, kristallint pulver, som inte leder ström och som är sprött snarare än formbart. Processen går långsamt eftersom atomerna har begränsad rörlighet vid de här låga temperaturerna. Men så småningom bildas gråaktiga, upphöjda fläckar på metallytan. Det är α-tennet som har lägre täthet än metallen och därför kräver mera utrymme.

Uppkomsten av tennpest påverkas av flera faktorer. Temperaturen inverkar kraftigt och över nollpunkten är processen mycket långsam. Fortfarande vid ­-50 °C tar det flera veckor innan angreppen är märkbara. Tillsats av olika legeringsämnen som bly, koppar eller antimon sänker omvandlingstemperaturen och gör metallen mer stabil. Å andra sidan kan mekanisk åverkan eller vibrationer påskynda processen. Och eftersom kontakt med grått tennpulver initierar omvandlingen kan tennpesten faktiskt smitta från ett angripet föremål till ett friskt. Att det gråa tennet uppträder som bölder på metallytan har väl bidragit till att begreppet tennpest fått fäste.

Har man väl fått sitt tennföremål angripet av tennpest finns inte mycket att göra. Det kan vara klokt att försiktigt putsa bort α-tennet så angreppet åtminstone avstannar för en tid. Få tillbaka det metalliska β-tennet kan man inte med mindre än att man smälter om hela föremålet och jag är rädd att det inte skulle vara populärt hos Antikrundans experter. Som gjutare kan jag dock tipsa om att den rena metallen smälter redan vid 232 °C så det räcker i normalfallet gott med en hyfsad gasbrännare och en silikonform. Lycka till och skicka gärna en bild på resultatet!

Det här är ju riktigt coolt!

Fick ett mejl från kollegan F som gjorde mig alldeles exalterad. Nog har vi världens roligaste arbetsplats?

Vill inte undanhålla ett litet exempel från våra kollegor på Swerea i Kista. I sin maskin från Arcam har man genom att ändra på intensiteten i elektronstrålen lyckats få metallpulver att stelna i olika kristallriktningar (plan). Genom etsning får man fram dessa olika stelningsriktningar. North Carolina State University (prof Ola Henriksson) har skrivit DOE men här har man tryckt in sex bokstäver. Genom att styra riktningen på korntillväxten kan man uppnå helt nya materialegenskaper.

skraddasydda-egenskaper-hos-metaller

Bilden visar alltså 3D-printad metall där kristaller som vuxit i olika riktningar får olika färg genom etsning, behandling med syra. Metallen har sedan fotograferats med hjälp av mikroskop.

Vetenskapen 2016

Nytt år igen och vi har listorna: bästa filmerna, sämsta böckerna, största politiska händelserna och alla de andra. En av de mer läsvärda handlar om vetenskapliga genombrott under året.

Svallvågorna från två kolliderande svarta hål är 2016 års största vetenskapliga genombrott. Upptäckten av gravitationsvågor är början på en helt ny typ av astronomi och är det största vetenskapliga genombrottet 2016 enligt tidskriften Science. På listan finns också artificiell intelligens, en föryngringskur för möss och vår närmaste planetgranne utanför solsystemet.

Så inleder min vän fysikern sitt urval. Hela listan hittar du här på DN.se!

Nobelvecka

Nobelvecka och plötsligt en väldig massa program på TV att frossa i! Nobelspecialer, fördjupningar i vetenskap och litteratur. Och frågeprogram som äntligen tar upp det väsentliga: Vem vet mest, kemi- och fysikutgåvan! Min vän fysikern tävlade tappert men åkte till slut ut på en parsec  (eller snarare trehundra). Titta på programmet på svtplay och se om du kan mer!

Bildresultat för vem vet mest

Hur högt specialiserade dessa ämnen är framgick bland annat av att programledaren Richard Olsson med jämna mellanrum fick dyka närsynt ner i sitt manus för att med djup koncentration tungvricka sig igenom namnen på kemiska molekyler eller grekiska fysiktermer. Och när deltagarna vänligt förklarade innebörden av en eller annan fysikalisk teori är det frågan om så många andra än de medtävlande hängde med. Desto roligare att ett sådant program får utrymme! Bravo, SVT!

Fråga Doktorn (27)

Gjutjärn har lätt att rosta medan aluminium och rostfritt lever betydligt längre. Vilket material har kortast livslängd?

Det finns en uppsjö av olika metaller och legeringar och alla är bra för olika ändamål. Men vissa är inte lämpliga som konstruktionsmaterial eftersom de bryts ner redan av vanligt vatten. Att släppa ner en bit litium eller natrium i badkaret är ett typiskt exempel på experiment man inte ska försöka sig på själv där hemma.

Aluminium och magnesium är två vanliga gjutna metaller men faktum är att ingen av dem egentligen är särskilt stabil. Finfördelade till pulver är båda explosiva, tänk bara på äldre kamerors magnesiumblixtar. Men ändå brukar de hålla sig lugna. I stora bitar är de nämligen svåra att antända eftersom värmen snabbt leds bort från ytan. Och även om aluminiumets yta snabbt reagerar med luftens syre till aluminiumoxid, är denna så kallade korund tillräckligt hård och tät för att omedelbart skydda resten av metallen från att förstöras.

Ett enkelt sätt att rangordna metallers hållbarhet i den här betydelsen av livslängd är begreppet ädelhet. Guld, silver och platina ligger i topp på listan, tenn och bly i mitten, och aluminium, natrium och litium i bottenligan. Men skulle du fråga en kemist vilken metall som lever kortast tid (och det är ju precis vad du just har gjort) skulle du få svaret att ett stycke järn inte slutar vara järn bara för att det rostar. Fortfarande kvarstår grundämnet järn, om än i en annan kemisk form, och det kan man få tillbaka igen genom lämpliga metallurgiska metoder.

9789174242812Livslängden på ett grundämne i en mer grundläggande betydelse stöter vi på i diskussionen om radioaktivt sönderfall. Ett kemiskt grundämne definieras genom själva atomkärnan och hur den är sammansatt. Om de sammanhållande krafterna inte är tillräckligt stora kommer kärnan förr eller senare att falla sönder i två eller flera delar och samtidigt avge radioaktiv strålning av något slag. Ofta sker detta gång på gång i flera steg tills en stabil atomkärna till slut har bildats.

Radioaktiva ämnens livslängd mäter man i halveringstid och den kan variera stort. Det jod och cesium som släpptes ut vid Tjernobylolyckan hade halveringstider på åtta dagar respektive trettio år, men för det plutonium som fortfarande finns kvar inne i reaktorn är det 24000 år. Om vi återvänder till frågan om kortlivade metaller hålls rekordet av frankium med halveringstiden 22 minuter. Det säger sig självt att det inte existerar särskilt mycket frankium på jorden överhuvudtaget och dessutom inte särskilt länge på varje ställe – det dyker oväntat upp där det nyss fanns lite radioaktivt aktinium och försvinner lika snabbt med ett tunt spår av astat efter sig.

Till sist vill jag nämna den bisarra sport som utövas av kemister med mycket välutrustade laboratorier: att ”upptäcka” nya grundämnen för att sedan slåss om vem de ska uppkallas efter. Det handlar om de atomkärnor som skapas genom sammanslagningar i jättelika partikelacceleratorer och som håller ihop som mest ett par timmar. Några användningsområden för dessa ämnen är inte kända. Lika bra det kanske eftersom vissa hittills bara framställts i ett tjugotal exemplar. Och då menar jag atomer. Kom sedan inte och klaga på höga råvarupriser!

Precis så är det!

Det här är en av de sannaste bilder jag sett på länge. Den förklarar en hel del: det finns alltså människor som faktiskt bara… tittar? Utan att vare sig se eller tänka?

Semester

Tack till kollegan M som gjorde mig uppmärksam på detta! Vi har ju aldrig tråkigt!

Fråga Doktorn (25)

Vad är ett sprödbrott, och varför ökar risken vid kyla?

Det är riktigt att många materials egenskaper fortsätter att förändras med temperaturen även när man kommit ner under smältpunkten.

Plast är ett exempel. När mina egna barn tar ut redskap i plast för att leka i snön dröjer det inte lång stund innan spadskaften gått av och hinkarna spruckit. Vid en viss temperatur blir plasten spröd istället för seg, och det hänger ihop med att den kemiska strukturen kräver en viss värmeenergi för att förbli smidig och böjbar. Samma effekt erfor jag smärtsamt när ett par nyinköpta vinterskor visade sig vara tillverkade i Italien och sulorna blev stenhårda och hala vid första frosten. Platt fall!

Metaller är normalt sega och formbara oavsett temperatur. Det gäller aluminium och rödmetaller lika väl som rostfria stål. Gjutjärn å andra sidan är relativt sprött vid både låga och höga temperaturer på grund av det innehåller grafit. Men kolstål beter sig annorlunda. Det har en annan kristallstruktur än ickejärnmetallerna och just denna struktur kräver en viss värmeenergi för att behålla sin smidighet. Samma effekt som hos plast alltså om än med en annan orsak!

Konsekvensen blir att om ett kolstål kyls ner under en viss bestämd temperatur är det inte längre segt. Istället för att långsamt töjas ut för att till slut brista som en gummisnodd går det tvärt av som en polkagrisstång, och vi har fått ett sprödbrott. Tyvärr ligger denna kritiska temperatur ofta kring vattnets fryspunkt. Stålplåten i skrovet till Titanic lär ha haft just denna egenskap och vi vet alla vad som hände när fartyget stötte på sitt berömda isberg.

SNN0905AR_1598489aEtt nyare exempel på sprödbrott finns i alla materialingenjörers favoritfilm, Terminator 2. Här är det den elaka roboten som blir dränkt i flytande kväve och genast splittras i tusen bitar i en spektakulär actionscen. Roboten kommer dock tillbaka så snart kvävet avdunstat, vilket ger oss ytterligare en spännande timme fram till slutscenen i ett smältverk. Bättre än så blir det inte på bio!

Därför är is så halt

IMG_1109Vi fick vinter, till slut. Efter en löjligt varm december blev det köldrekord och snöskottning i januari. Inte mig emot. Min gamla gjutargubbe i fönstret fick idag en kompis tack vare yngsta dotterns variation på temat snö, tack för det!

Min vän fysikern reder på DN.se påpassligt ut varför is och snö blir så lämpligt hala underlag när man ska ut och vintersporta. Ja, vi visste en del förut förstås, men tydligen har den matematiska sidan av saken nu fått en tillfredsställande lösning också.

– Det beror på ytsmältning. Översta lagret av isen blir mjukare och får egenskaper någonstans mellan vatten och is, säger Bo Persson, forskare vid Peter Grünberginstitutet i Jülich i Tyskland.Han har forskat om tribologi, eller läran om smörjning, friktion och nötning, i 20 år. I december publicerade han en matematisk modell för hur halt is är i tidskriften Journal of Chemical Physics. – Mitt huvudbidrag är att jag lyckats beskriva både temperaturberoendet och hastighetsberoendet, säger Bo Persson.

En av många märkligheter med is och snö är att fenomenet uppträder i ett så stort temperaturintervall. Först nedåt -40 grader Celsius upphör ytsmältningen, men då blir det också omöjligt att åka skidor eller skridskor.  Vi får dessutom bekräftat hur klokt det är att ta det lugnt vid halka:

Den viktigaste lärdomen från hans matematiska modell är att isen blir halare ju fortare vi rör oss, menar han. – Jag kallar det bananeffekten. Om du går väldigt långsamt och försiktigt är isen inte så hal. Då känner du dig säkrare och börjar gå snabbare, men då minskar friktionen, och så faller du.

Ta nu och läs hela artikeln här!