Magneter, armar och svajiga elektronmoln

 

På sistone har jag haft en känsla av att vara inne på upploppet när det gäller pandemin. Äldre familjemedlemmar, vänner, och kollegor har under den senaste månaden eller så börjat rapportera om sin första vaccinspruta och mer eller mindre biverkningar efter den (oftast mindre, verkar det som). Kanske kan jag också få min första spruta innan sommaren är slut.

Nu är det ju inte alla som ser sprutan som en länge efterlängtad mållinje som det ska bli skönt att passera. En vän gjorde mig uppmärksam på att några av de människor som tror att vaccinet innehåller mikrochip, mystiska nanopartiklar och andra märkligheter tycker sig ha hittat ett sätt att visa detta för alla - med hjälp av kylskåpsmagneter. En av dessa människor verkar till exempel ha twittrat till Emma Frans om att flera personer lyckats få kylskåpsmagneter att fastna på sin vaccinerade överarm, som om det satt något magnetiskt under huden. Mikrochip? Nanopartiklar? Vad kan detta röra sig om?

Jag är synnerligen skeptisk till att de här personerna faktiskt har fått något metallföremål under huden under vaccinationen som får kylskåpsmagneterna att fastna, men det skulle mycket väl kunna vara så att man kan få magneter att fastna på huden utan mikrochip eller liknande. Jag testade detta med en magnet från min kylskåpsdörr. Jag har inga traditionella, tjocka kylskåpsmagneter utan bara såna som är tunna och lite böjliga. (Jag har inte heller en enda kylskåpsmagnet som inte har någon form av reklamtryck på sig, med det hör egentligen inte hit). Den här tunna magneten tryckte jag mot huden på höger överarm. När jag tog bort handen så... stannade magneten kvar! Likadant när jag tryckte den mot pannan - se bilden ovan - men jag kan garantera att jag inte har vare sig mikrochip eller någon annan metallpryl i pannan. Så kan vi hitta någon annan förklaring?

Ska man hindra ett föremål - som en kylskåpsmagnet - från att falla behöver man hålla det uppe med en kraft som motverkar tyngdkraften. Sätter du magneten på kylskåpet kommer den kraften att vara den magnetiska kraften som drar den in mot kylskåpsdörren*. Eftersom magneten stannar på min panna måste det finnas en kraft som drar den in mot huvudet och som är tillräckligt stark för att motverka tyngdkraften - men som sagt, det kan inte vara samma sorts magnetiska kraft som mellan magneten och kylskåpsdörren eftersom jag inte har nån plåt i skallen. Inte heller handlar det om statisk elektricitet som för en ballong man gnider mot håret och fäster i taket (i så fall borde jag ha fått en stöt vid något tillfälle) och jag har inte limmat fast den. Min bästa gissning som fysiker är att det handlar om en van der Waals-kraft, en svag kraft som kan uppstå mellan två ytor.

Precis allt - magneter, huvuden, kylskåp - består av atomer med tunga, positivt laddade atomkärnor omgivna av moln av lätta, negativt laddade elektroner. Elektronmolnet kan vara olika tätt i olika riktnignar och det avgör helt hur atomerna sitter ihop med varandra. Det kan ge upphov till olika typer av bindningar (nån kanske känner igen kovalent bindning och jonbindning från skoltiden?). Elektronmolnet kan svaja en del runt atomkärnan så att det blir tätare på ena sidan och glesare på den andra, och eftersom elektronerna är laddade gör det att den tätare sidan får en lite mer negativ laddning och den glesare blir lite mer positivt laddad. Om det finns en annan atom i närheten kan elektronmolnet runt den påverkas så att den också får en sida som blir lite mer negativt laddad och en som blir lite mer positivt laddad. Det uppstår då en svag kraft som drar den positiva sidan av den ena atomen till den negativa sidan av den andra, och det är det som kallas van der Waals-kraft.

Om man trycker en magnet mot pannan handlar det naturligtvis inte om enstaka atomer som påverkar varandra, utan om enorma antal atomer och molekyler på ytan av magneten och på huden. Med så många atomer och molekyler som bidrar kan till och med den svaga van der Waals-kraften bli tillräckligt stark för att hålla något litet och lätt, som en kylskåpsmagnet, uppe.

Men om den här kraften kan uppstå för vilka material som helst borde vi väl lägga märke till den oftare? Vi upplever ju inte att allt vi rör vid fastnar på oss som de här kylskåpsmagneterna verkar göra. Jag skulle tro att det har att göra med att van der Waals-kraften har väldigt kort räckvidd. De flesta som hanterat kylskåpsmagneter vet att man kan känna kraften mellan magneten och kylskåpet på åtminstone någon centimeters avstånd. van der Waals-krafter å andra sidan har så kort räckvidd att om den ena ytan är lite skrovlig kommer de inte tillräckligt nära varandra för att kraften ska bli märkbar, vilket förklarar varför vi normalt sett inte märker av den. När det gäller magneter och pannor hjälper det antagligen att ytan på en kylskåpsmagnet oftast är väldigt slät, och huden i pannan (eller på armen) är mjuk och ofta antingen lite fuktig eller fet. När man pressar magneten mot huden ger huden efter lite och formar sig efter magneten, medan fukt och/eller fett fyller ut ojämnheterna och skapar nära kontakt mellan de två ytorna. Med andra ord, perfekta omständigheter för att van der Waals-kraften ska bli märkbar. 

*Fast eftersom den drar vinkelrätt mot tyngdkraften får den ta en omväg via en friktionskraft. Förutom tyngdkraften som drar den neråt och den magnetiska kraften som drar den mot kylskåpsdörren kommer magneten också att påverkas av en friktionskraft som drar i motsatt riktning mot vilken kraft som än försöker få den att röra sig över ytan - i det här fallet kommer den att dra åt rakt motsatt håll jämfört med tyngkraften. Friktionskrafter kommer sig av att när två ytor glider mot varandra kommer ojämnheter på ytorna att "haka i" varandra och på det sättet hindra rörelsen, och ju mer man pressar ihop två ytor desto starkare blir friktionskraften (för fysiker: den statiska friktionskraften är proportionell mot normalkraften). Den magnetiska kraften håller alltså magneten uppe genom att göra friktionskraften starkare.

Vacker musik, komplicerad fysik

Vad är likheten  mellan grafen och en pianosträng? Tja, i min senaste artikel använder jag ekvationer som bygger på kontinuumsmekanik för att beskriva svängningar i grafen. När jag satt och letade efter olika sätt att lösa de här ekvationerna hittade jag förvånansvärt många artiklar där samma ekvation användes för att beskriva vibrationer i pianosträngar.

Förutom det lustiga (nåja) i att två så olika system beskrivs av samma ekvationer så var det en annan sak jag fann intressant i de här artiklarna. Många av dem handlade om hur man på bästa sätt reproducerar ljudet av ett piano (på en synt exempelvis), något som jag uppriktigt sagt trodde var enklare än det tydligen är. Om man bara använder själva "grundsvängningen" med precis den frekvens som krävs för att få t.ex. ett A så får man en ganska platt ton som absolut inte låter som ett piano, eller något annat instrument heller för den delen. För att det ska börja närma sig ett igenkännbart piano-A måste man räkna med att grundsvängningen ger upphov till övertoner, vibrationer med högre frekvens. Inte ens det räcker dock, för i artiklarna jag hittade hade man beräknat effekten av så kallade longitudinella vibrationer. När man trycker ner en pianotangent slås strängen an med en hammare, vilket ger upphov till vad man kallar transversella vibrationer. De kan i sin tur skapa longitudinella vibrationer med vissa specifika frekvenser i strängen, och det påverkar klangen.

En mer allmänn diskussion av detta finns i denna artikel om utvärdering av musikinstrument i Physics Today. Här avhandlas övertoner, transienter och annat som skiljer ett synt-A från ett piano-A (eller fiol-A, eller flöjt-A...). Att konstruera en matematisk modell av ett instrument är tydligen oerhört komplicerat, och att mäta kvalitén med vetenskapliga metoder är nästan lika svårt. Tur att det är så mycket enklare att bara njuta av musiken...

Sånt man trodde man visste

För en dryg vecka sedan var det vårfest med mat, mingel och quiz pǻ mitt jobb. Eftersom vi är en fysikinstitution så handlade en del av frågorna i quizet om fysik - sån där vardagsfysik som vi alla tyckte att vi kunde.
Tänk så fel man kan ha.

Några av de här frågorna gav upphov till ganska livliga diskussioner. Det var också de frågorna där ett av svarsalternativen var det som står i fysikböcker på grundskolan - och det svarsalternativet var inte rätt. Därför tänkte jag diskutera några av frågorna här. Den första är:

Föremål från rymden värms upp när de kommer in i atmosfären för att:
    a. De trycker ihop luften framför sig
    b. De gnids mot luften (friktion)
    c. De är varma på grund av kosmisk strålning och luften isolerar dem.

Alternativ c kan uteslutas ganska lätt. Hur varmt ett föremål från rymden är torde mest bero på hur långt det är till närmaste stjärna och om det är i skuggan av nåt eller inte. Även om ett föremål från rymden (en sten, till exempel) skulle vara upphettat av den kosmiska strålningen så skulle det vara mer välisolerat, och därför förbli varmare, i vakuum. I vakuum kan stenen nämligen bara kylas ner genom att den strålar ut värmestrålning. I atmosfären kan den, förutom att ge ifrån sig strålning, också göra av med värmeenergi genom att luftmolekyler krockar med den och då kan ta med sig en del energi bort från stenen.

De andra två alternativen kan kräva lite mer eftertanke. Alternativ b är så vitt jag minns det som står i fysikböckerna i grundskolan. Man tänker sig att när molekylerna i luften krockar med stenen så bromsas den ner och rörelseenergi omvandlas till värme. Det låter ju ganska rimligt, men eftersom det är ganska långt mellan molekylerna i luften (framför allt på hög höjd) så kan man fråga sig om effekten verkligen är tillräckligt stor för att förklara att de flesta meteorer hinner förångas innan de når jordytan.

Rätt svar var alltså alternativ a. Sambandet mellan tryck, volym och temperatur i atmosfären beskrivs på ett ungefär av den ideala gaslagen
pV=NkT
där p är trycket, V volymen, N antalet partiklar och T temperaturen. Om vi antar att antalet partiklar är konstant så ser vi att det finns två sätt att höja temperaturen: vi kan öka volymen eller öka trycket (eller göra både och, eller minska det ena och öka det andra i lagom grad, men låt oss göra det lite lätt för oss). Eftersom luften framför meteoren sannolikt har gott om plats att flytta på sig kan vi anta att den håller sin volym ganska konstant. Däremot kommer den att krocka med den framrusande stenen vilket leder till en ökning av trycket, och alltså också en ökning av temperaturen. En del av denna temperaturökning kommer att överföras till stenen genom alla krockande molekyler, och så blir stenen varm.

Det ska tilläggas att några jag pratade med efter quizet tyckte att alternativ a och b egentligen inte gick att skilja åt eftersom de båda handlar om vad som händer då stenen krockar med molekyler i atmosfären, tryckökningen kan ju ses som en effekt av friktion. I alla fall får man nog tänka sig att man får ett bidrag från båda effekterna, men att alternativ a är det som dominerar. 

Färg, färg på väggen där...

Nu har det varit jul och man skulle kunna tro att jag tagit mig tid att skriva något djuplodande om bariumzirkonat och bränsleceller. Istället har jag ägnat mig åt att måla väggarna i hallen rosa, vilket fick mig att tänka på ett annat roligt fenomen: icke-newtonska vätskor. (Om du inte tycker att icke-newtonska vätskor verkar kul, kolla här.)

Fenomenet som visas i klippet ovan kallas shear thickening (skjuvningsförtjockning). Vätskan som de går på är en blandning av majsstärkelse och vatten. När man rör i den långsamt beter den sig som en vanlig vätska, men om man rör i den snabbt (eller hoppar på den) ger den inte efter utan beter sig som ett fast material. Detta beror på att majsstärkelsen bildar små korn som stöter bort varandra. När man rör långsamt i vätskan är kraften man utövar på kornen mindre än den repulsiva kraften mellan dem, så de glider undan. När man rör med hög hastighet utöver man en större kraft och får kornen att röra sig snabbare. De kan då krocka med varandra och packas ihop, vilket gör att vätskan känns hårdare.

En vätska som består av ett lösningsmedel, till exempel vatten, och en eller flera sorters partiklar kallas en kolloidal suspension eller en kolloidal lösning. Det är inte alla lösningar som är kolloidala - partiklarna i lösningen ska vara betydligt större än molekylerna i lösningsmedlet men fortfarande så små att de kan påverkas av hur molekylerna rör sig (större än en vattenmolekyl men mindre än en fotboll, som en föreläsare jag haft uttryckte det).

Motsatsen till skjuvningsförtjockning är skjuvningsförtunning, att en vätska flyter lättare när man påverkar den med en större kraft. Det var det som fick mig att tänka på de här fenomenen när jag målade eftersom det är en egenskap man gärna vill att målarfärg ska ha: Den ska vara "tunn" och lätt att smeta ut när man bearbetar den med penseln (stor kraft) men inte rinna nerför väggen när den väl strukits på (liten kraft). När man rör snabbt i vätskan kan partiklarna flytta sig för att hitta en position där de får låg energi, vilket gör att vätskan blir mer lättflytande. Rör man däremot långsamt hinner partiklarna knuffas tillbaka till sina utgångslägen av termiska (temperaturdrivna) rörelser i vattnet. Då känns vätskan tjockare.