Svar:
Det är så att man inte skall kunna nalla av glasspinnarna hela tiden :-).

Det är lufttrycket som håller igen dörren. Avkylningen av luften i frysen orsakar ett undertryck. Efter en stund (några minuter) utjämnas detta undertryck eftersom frysen inte är helt tät. Tryckutjämningen ger upphov till ett pysande ljud. Undertrycket ger upphov till en kraft som stänger dörren ordentligt.

Låt oss göra en uppskattning av hur stor kraften kan bli. Vi använder den allmänna gaslagen:

pV = nRT

p = trycket, V = volymen, n = antal mol, R = allmänna gaskonstanten,

T = absoluta temperaturen

Anta att rumstemperaturen är 20^oC och temperaturen i frysen är -20^oC. I gaslagen skall vi använda absoluta temperaturer, så temperaturerna blir T_rum=273+20=293 K och T_frys=273-20=253 K.

Vi kan skriva gaslagen som

p = (nR/V)T = konstantT

Om n är antal mol gas i frysen när dörren precis stängs, så är n och naturligtvis även V konstanta. Vi får

p_frys = konstantT_frys

p_rum = konstantT_rum

Varav följer

p_frys = (T_frys/T_rum)p_rum

Normaltrycket i rummet är ungefär 10⁵ Pa (N/m²) varför vi får

p_frys = (253/293)10⁵ = 86348 Pa

Undertrycket blir alltså 100000-86348 = 14000 Pa

Om dörrens yta är 1 m² så är alltså kraften från övertrycket hela 14000 N. Detta motsvarar en vikt på 1400 kg!

Detta låter ganska mycket (vi borde inta alls kunna få upp dörren), men vi har räknat lite väl optimistiskt. För det första hinner inte all luft i den kalla frysen bytas ut. Om vi har dörren öppen så länge att all luft bytts ut, kommer det i stället ta mycket lång tid att kyla ner luften, och rumsluft kommer att läcka in. Dessutom är handtaget placerat i kanten av dörren och inte i mitten. Hävstångslagen ger då att den erforderliga kraften blir hälften så stor.

En riktigt gammal horisontell frys ger inte stor effekt eftersom den kalla luften stannar i frysen - kall luft har ju högre densitet. En modern frys med plastbackar ger även den liten effekt eftersom ingen kall luft kommer in. En halvgammal öppen frys ger bäst effekt - den kalla luften formligen rinner ut när man öppnar dörren!

Enkelt experiment:

För att illustrera att kall luft ger undertryck: Sätt på korken på en tom PET-flaska och lägg flaskan i frysen. När flaskan är kall tar man ut den och lossar försiktigt på korken. Vad händer och varför?
/Peter E 2007-05-05

Svar:
Alida! Det är mycket omfattande frågor du ställer och de är delvis mer teknologi än fysik. Jag kommer att behandla några av de fysikaliska aspekterna i din fråga.

Förbränningsmotorer

Bilens bränsle förbränns tillsammans med syre från luften i en cylinder. Varm gas tar mer plats än kall gas och expansionen driver en kolv. Via en vevaxel omvandlar man fram-och-tillbaka rörelsen till rotation som kan driva hjulen, se nedanstående animering från Wikimedia Commons (Engine). Observera att det är inte den höga temperaturen i sig som driver förbränningsmotorn utan skillnaden i temperatur mellan de varma och kalla delarna. En förbränningsmotor måste alltså alltid kylas - oftast med vatten. I ett kraftverk eller fabrik kan man använda kylvattnet för uppvärmning, men i en bil är det varma kylvattnet en ren energiförlust. Effektiviteten (verkningsgraden) för en förbränningsmotor (producerat mekaniskt arbete/(bränslets energiutveckling) är av storleksordningen 40% (Internal_combustion_engine).

Bromsar

Den traditionella konstruktionen för bromsar är två plattor eller cylindrar som bringas i kontakt och genom friktion förvandlar mekanisk energi till värme. Normalt är denna värme en ren förlust.

Det finns emellertid bromsar som återanvänder bromsenergin.

Om bilen drivs av en elmotor och batterier kan man använda motorn som broms. Elmotorn blir i stället en generator som producerar ström som laddar patterierna. Det är alltså det mekaniska motståndet från generatorn (Lenz's_law) som ger bromsverkan. En stor del av energin kommer till nytta från det uppladdade batteriet. Se Regenerative_brakeThe_motor_as_a_generator.

En annan lösning är att använda sig av ett svänghjul. Ett svänghjul (se Flywheel) är en mekanisk anordning vars syfte är att lagra rörelseenergi genom att en tung cylinder sätts i rotation. För ett fordon överför man rörelseenergi till rotationsenergi hos svänghjulet. Denna rotationsenergi kan sedan återanvändas för acceleration. Systemet används bland annat av några stall i Formel 1. Systemet kallas KERS (Regenerative_brakeKinetic_Energy_Recovery_Systems). Man kan med detta system få några extra hästkrafter för en snabb omkörning. Svänghjulet laddas alltså upp av uppbromsningarna. Anledningen till att inte alla Formel 1 stall använder KERS är att systemet är ganska tungt (c:a 25 kg) och därför medför begränsningar i den optimala viktfördelningen i bilen. (Kommentar: Systemet var förbjudet under säsongen 2010, men är tillåtet från säsongen 2011.)

Hydraulik/servosystem

Hydraulik är ett system med två kolvar med olika diameter som är förbundna med en slang innehållande en vätska, vanligen olja. Vätskan är inkompressibel (kan inte tryckas ihop), och man skapar ett övertryck genom att trampa på en pedal. Om kolvarnas ytor förhåller sig som 1/10 får man en förstärkning av kraften med en faktor 10. På samma sätt som för en hävstång betalar man kraftförstärkningen med att den mindre kraften verkar över en längre sträcka, se Hydraulik.

Ett servo-system skall enligt en strikt definition (Servomechanism) även innehålla en extern drivkälla (t.ex. vakuum från motorn) och återkoppling.

/Peter E 2009-10-27