Svar:
För att svara på din fråga så måste vi utreda vad en kraft är. Kroppar påverkar varandra, jorden attraherar till exempel en sten, stolen som Du sitter påtrycker på Dig, magneten drar i ett järnstycke. Krafter används för att
beskriva sådan mekanisk påverkan.

Då kommer vi till en filosofisk fråga: Finns krafter? Mitt svar är nog
att krafter inte finns i naturen utan endast i vår beskrivning av naturen.

Nu till centrifugalkraften. Om Du åker karusell så kan vi beskriva Din rörelse på två sätt: Dels att Du rör Dig i en cirkel och dels att Du sitter still i karusellen.Om vi väljer det senare synsättet så måste vi införa en ny typ av krafter, så kallade tröghetskrafter. Centrifugalkraften är en sådan kraft.

Svaret på Din fråga är: Egentligen finns inga krafter utan vi måste själva införa dem i fysiken och vi kan även införa centrifugalkraften om vi så vill!
/GO 1998-11-06

Svar:
För att reda ut detta så börjar vi från början:
Vad är en kraft? Jag brukar lite tillspetsat säga
att “Krafter finns inte“. Vad som vi ser i naturen
är att olika kroppar påverkar varandra: Vi sparkar
iväg en fotboll, vi stänger en dörr, två magneter attraherar varandra,
jorden accelererar simhopparen som faller osv. Allt detta är exempel
på mekanisk påverkan av en kropp på en annan.
För att beskriva denna mekaniska påverkan inför man i fysiken kraftbegreppet.
Alla krafter är alltså “bara teoretiska“. Krafter finns alltså bara
i den fysikaliska teorin (eller modellen om du så vill). När en
kropp påverkas av en annan kropp, vilket vi beskriver med en kraft
så deformeras eller accelereras kroppen. Ofta sker naturligtvis
bägge sakerna samtidigt. Tänk på en tennisboll som slås iväg med
ett racket. För att beräkna accelerationen använder man Newtons lag:
F =ma. En fråga som då genast uppstår är: Relativt vilket system
ska accelerationen beräknas?

Fundera: En kropp ligger still på jorden. Ligger den
still i förhållande till solen? Det är väldigt svårt att säga vad
som "ligger still". För att Newtons accelerationslag ska gälla måste
accelerationen beräknas i förhållande till ett system som "ligger stilla".
Men ibland tycker man det är lämpligt att säga att en kropp rör sig relativt
något som inte "ligger stilla". Tänk på en karusell.
Du sitter still i karusellen och vill räkna ut de krafter som verkar på dig.
Man kan då "låtsas" att Newtons kraftlag gäller även om din rörelse
relateras till den roterande karusellen, men man måste då införa en ny typ av
krafter nämligen tröghetskrafter. Centrifugalkraften är en sådan tröghetskraft.
Dessa krafter beskriver inte påverkan mellan kroppar på samma sätt som
"riktiga krafter". Använder man tröghetskrafterna korrekt så ger det
precis samma resultat som om man endast räknar med "vanliga" krafter.


Varning! Det är en stor risk att man blandar ihop vanliga krafter med
tröghetskrafter och jag tycker nog att man i de flesta fall bör hålla sig
till de vanliga krafterna. Men det finns några problemställningar där
tröghetskrafter är naturliga.

Problem: Som ett test på om du kan använda
tröghetskrafter korrekt får du här ett problem. Vad skulle
tyngdaccelerationen vara vid ekvatorn om jorden inte
roterade? Räkna ut detta både med och utan tröghetskrafter!
2000-03-31

Svar:
Kapillärkraften är resultatet av adhesion (kraft mellan två olika ämnen t.ex. glas och vatten) och ytspänning. Adhesionen mellan vattnet och rörets väggar (se figuren) orsakar en uppåtriktad kraft på vätskan vid väggen. Ytspänningen vill minimera den fria vattenytan, så den orsakar att hela vattenpelaren lyfts upp. Ju smalare rör desto mer dominerar adhesionskraften över vattenpelarens tyngd. Vattnet stiger alltså högre ju smalare röret är. Se vidare Kapillärkraft.

Ett exempel
på motsatt effekt är kvicksilver i glasrör. Medan vattnets yta i ett
smalt rör buktar synligt "nedåt" (kanterna kryper upp på glasväggarna)
gör kvicksilver tvärtom; det bildar istället en liten bula uppåt. Kvicksilverpelaren trycks alltså neråt.

Försök: Häll lite vatten i en bägare och fyll den med sand. Vad händer med vattnet? Vad har detta för konsekvenser ute i naturen?

Se även länk 1, ytspänning, kapillaritet, kapillärkraft och Capilary_action.

Vad bestämmer höjden på vätskepelaren?

(Vi följer i första hand framställningen i länk 1.) Lyftkraften ges av

F_kapillär = T2pr

T är specifika kapillärkraften (T=gcosq där g är ytspänningen och q är kontaktvinkeln vätska-rörvägg. Det är alltså genom ett q större än 90 grader som man får en negativ lyftkraft som t.ex. trycker ner kvicksilverpelaren, se Capilary_action.

2pr är omkretsen av röret (längden på gränslinjen vätska-rör).

Om höjden på vätskepelaren är h är volymen hpr². Med densiteten r blir den nedåtriktade kraften

F_tyngd = rhpr²g

Om vi för jämvikt sätter de båda krafterna lika får vi

T2pr = rhpr²g dvs

h = 2T/(rgr)

För vatten och glasrör är T = 0.0684 J/m (Capilary_action). Höjden blir alltså

h = 0.14/(100010r) m = 1.410^-5/r

För radien r = 0.1 mm = 0.0001 m blir höjden

h = 1.410^-5/0.0001 = 0.14 m = 140 mm

/Peter E 1998-12-15

Svar:
Du menar säkert effekt, vilket är utvecklad energi per sekund.
1 liter vatten väger 1 kg, och påverkas av kraften 9.81 N.
Energi är kraftensträckan. Totala effekten blir då

2006009.81 Nm/s=1177200 W.

Med en verkningsgrad av 90%, så ger detta ungefär 1059 kW, vilket är mycket lite jämfört med Harsprångets kraftstation på 977 MW maxeffekt, se Harsprånget ¹.

En eluppvärmd villa förbrukar sådär 20000 kWh på ett år, det vill säga effekten är

20000/(36524)=2.3 kW.

Kraftverket skulle alltså räcka till att värma ungefär 1059/2.3=460 villor.
_______________________________________________________________

1) Med fallhöjden 107 m, medelvattenföringen 268 m³/s och verkningsgraden 0.9 får vi medeleffekten

0.99.8110726810³ = 250 MW

alltså ungefär 1/4 av maxeffekten.
/Peter Ekström 1998-11-11

Svar:
På sätt och vis båda påståendena korrekta! Gravitationen är vad gäller styrkan den svagaste kraften. På stora avstånd är den emellertid den starkaste. Det beror på att två av de starkare krafterna (den starka färgkraften och den svaga) har mycket kort räckvidd (ungefär storleken av en proton eller en neutron) eftersom förmedlingspartiklarna har vilomassor som är större än noll.

Då återstår bara gravitation och elektromagnetisk växelverkan. Den senare verkar ju mellan objekt med olika laddning. Eftersom kraften är ganska stark, så strävar ett laddat föremål att samla in laddningar av motsatt laddning. Detta betyder att de flesta föremål i Universum (t.ex. stjärnor, planeter) är oladdade, och de påverkas inte av elektromagnetiska krafter.

Återstår allstå bara gravitationen, som är den dominerande kraften vad gäller Universum. Det beror alltså dels på att gravitationen har oändlig räckvidd (avtar som 1/r²) och dels på att den bara har en 'laddning', objekten kan alltså inte göra sig 'neutrala' för gravitationen genom att samla in motsatt 'laddning'.

Den yttersta manifestationen för gravitationens styrka är svarta hål. I dessa har så mycket massa samlats inom ett litet område, att materian krossas till en punkt. Man har numera, bland annat med hjälp av Hubble-teleskopet, mycket bra indirekta bevis på att svarta hål verkligen existerar. Vill du veta mer om svarta hål leta i frågelådans databas!
/Peter Ekström 2002-10-15

Svar:
1. Ett kärnkraftverk kan inte explodera som ett kärnvapen.
Däremot kan man få en härdsmälta. En sådan inträffar om kylningen inte
räcker till så att
själva härden blir överhettad och smälter. Den kan då skada
reaktorinneslutningen samtidigt som det kan ske ångexplosioner.
Detta kan ge upphov till att radioaktiva ämnen kan spridas utanför inneslutningen.
Det har inträffat två större olyckor med kärnkraftverk. I USA ("Three MileIsland") och i Tjernobyl. I USA så skedde en partiell härdsmälta, det vill
säga endel av härden smälte men allt radioaktivt material blev kvar inne i reaktortanken.I Tjernobyl överhettades en del av bränslet och det skedde en ångexplosionoch förmodligen också en vätgasexplosion. Dessa "vanliga" explosioner spred ut en stor mängd radioaktivt material.

I Three Mile Island stoppades nästan all radioaktivtet av reaktorinneslutningen, varför inga skador uppkom på omgivningen. I Tjernobyl saknades reaktorinneslutning, och stora mängder radioaktivitet kom ut i omgivningen och spreds med vindar över stora delar av Europa.

2. Det finns några andra ämnen som man kan använda som bränsle i ett kärnkraftverk. Det
är inte uranet som är farligt utan de nya ämnen som bildas inne i kärnreaktorn.

3. Man kan antingen upparbeta det och använda det igen i bränslet eller så tar man
det till slutförvaring.

Se vidare Chernobyl_disaster, Three_Mile_Island_accident och länk 1.

/GO/lpe 1999-03-01

Svar:
Om man släpper ett föremål i ett tyngdkraftfält, så accelereras det och får en viss hastighet som beror av fallhöjden, h. Denna rörelseenergi kan användas som energikälla. Problemet är bara att när föremålen på höjden h är slut, så är energikällan uttömd.

Det finns emellertid ett "föremål" som används på detta sätt som energikälla, nämligen vattnet i sjöar och älvar. Solens värme förångar vattnet från haven, moln bildas och regnet faller i högt liggande områden. Hälften av Sveriges elenergi kommer från vattenkraft. Indirekt är alltså vattenkraft en sorts solenergi.

Vattenkraften är ganska skonsamt mot miljön. Det ger inga utsläpp och bidrar därför inte till växthuseffekten. Utbyggnad av älvar förstör emellertid den lokala naturen och fisket genom att dammar översvämmar stora områden och att älven och vattenfallen försvinner.

Länk: Vattenfall - Energikunskap
/Peter Ekström 2002-10-10

Svar:
Detta är ett ganska tekniskt ämne, men vi skall försöka förklara det så enkelt som möjligt.

För att förstå bakgrunden till transmutation är det nyttigt att titta på de problem som finns med kärnenergin som vi utnyttjar den nu:

• Den ger upphov till långlivat radioaktivt avfall som är
  besvärligt att bli av med på ett säkert sätt.

  
  

• Kärnkraftreaktorer kan haverera och ge upphov till
  allvarliga skadeverkningar. Orsaken till detta är att man
  måste samla mycket (många ton) klyvbart uran i en liten volym för att
  kedjereaktionen skall kunna underhållas. Detta ger upphov till
  två problem:
  
  
  
  1. Reaktorn kan om man förlorar kontrollen bli "överkritisk"
     (varje generation neutroner från fissionsprocessen producerar
     fler neutroner som ger upphov till fission) och rusa iväg. I
     de flesta reaktorer som finns i dag så upphör denna "rusning"
     dock av sig själv, men reaktorn kan förstöras.
     
  2. Även om fissionsprocessen upphör (vilket den gör om en
     reaktor havererar), så måste man fortsätta att kyla bränslet
     under flera timmar. Om man inte gör det får man vad man kallar
     en härdsmälta. Har man otur så kan det radioaktiva materialet
     i härden komma ut i omgivningen. Olyckan i Three-Mile-Island
     var en härdsmälta, men den kraftiga inneslutningen, som finns
     i de flesta moderna reaktorer, höll, och ingen radioaktivitet
     kom ut i omgivningen.
     
  
  

Det grundläggande säkerhetsproblemet med våra nuvarande reaktorer är allså att de måste innehålla mycket uran. Om man försökte göra
en mindre reaktor, så skulle alltför många neutroner läcka ut ur
reaktorn, och vi kan inte vidmakthålla kedjereaktionen.

Idén med transmutation är att man tillför extra neutroner
utifrån. Dessa produceras genom att man låter en stråle
med protoner från en partikelaccelerator träffa ett
strålmål och producera neutroner genom s.k. spallation (sönderdelning - man slår alltså i princip sönder atomkärnorna i sina beståndsdelar neutroner och protoner, se SpallationNuclear_spallation). Reaktorn placeras nära strålmålet, och de extra neutronerna medför att
vi kan underhålla en kedjereaktion med mindre mängd uran
i reaktorn - reaktorn är "underkritisk", vilket innebär
att så snart vi stänger av acceleratorn (det kan vi alltid
göra - det är bara att dra ur "sladden"), så har vi
ett snällt hanterbart system, som inte kan ge upphov till en härdsmälta.

En annan fördel är att vi kan "förbränna" (transmutera) allt
radioaktivt material, och vi kan på så sätt bli av
med avfallet.

En tredje fördel är att vi kan använda thorium som bränsle.
Det finns mycket mer thorium än uran (speciellt eftersom
vanliga reaktorer bara använder mindre är 1% av uranet -
isotopen U-235), varför vi har en i praktiken outtömlig
energikälla som dessutom är säker och inte ger upphov till
radioaktivt avfall.

Figuren nedan visar principen för ett system för transmutation som även producerar elektricitet.

Detta låter nästan för bra för att vara sant! Vi
löser alla problem med den nuvarande kärnkraften och får
en outtömlig energikälla! Det finns emellertid olösta
(med antagligen inte olösliga) problem:

• Idén är ganska ny, och det krävs ett långt
  och dyrt utvecklingsarbete för att realisera den.
  
• Man måste kunna utföra en kemisk separation av
  olika grundämnen i bränslet: de stabila och kortlivade
  ämnena kan slutförvaras, medan långlivade radioaktiva ämnen måste föras tillbaka till transmutationsreaktorn.
  
• Bara ett till synes enkelt problem som att göra
  ett strålmål som tål en mycket intensiv bestrålning
  med protoner är inget trivialt. Man arbetar nu
  med ganska komplicerade system med en blandning av
  bly/vismut i flytande form.
  
• I Sverige har vi ytterligare ett problem:
  utveckling av ett transmutationssystem är olagligt
  enligt den beryktade "tankeförbudsparagrafen":
  

  Paragraf sex i lagen om kärnteknisk verksamhet lyder: Ingen får utarbeta konstruktionsritningar, beräkna kostnader, beställa utrustning eller vidta andra sådana förberedande åtgärder i syfte att inom landet uppföra en kärnreaktor.
  Gemenligen kallad "Lex Birgitta Dahl" - oåterkallerlig.

  Riksdagen måste ändra denna lag innan verkligt
  utvecklingsarbete kan komma igång i Sverige. (Tillägg: Lagen är numera avskaffad)
  

Numera bedrivs forskning om transmutation i ganska stora projekt i flera länder. Än så
länge får man nog betrakta dessa som "förstudier".

Ämnet är relativt nytt och det mesta som finns skrivet
är på engelska och ganska tekniskt. Länken, som
uppdateras kontinuerligt, ger en lista på de websites
vi hittat.

/Peter Ekström 2002-10-10

Svar:
Kärnkrafter kallas också stark växelverkan. Den verkar mellan neutroner och protoner (och vissa andra kortlivade partiklar), och utgör "limmet" som håller ihop atomkärnan. Den har kort räckvidd, men är mycket stark - starkare än repulsionen mellan positiva protoner.

Ser vi det på kvarknivå, är färgkraften ansvarig för att hålla ihop de tre kvarkarna i protoner och neutroner (nukleoner). Den förmedlas här av en sorts "limpartiklar" som kallas gluoner. Teorin kallas QCD eller kvantkromodynamik (Kvantkromodynamik). Gluonerna är masslösa (tror man) och skapas och absorberas hela tiden av kvarkarna. Se fråga [15154] för de olika typer av gluoner som finns. Detta utbyte av partiklar är likt beskrivningen av den elektromagnetiska kraften som ett utbyte av fotoner. Skillnaden är att gluonerna har färgladdning medan fotonerna är oladdade.

En annan skillnad är att avståndsberoendet är helt annorlunda. Den elektromagnetiska kraften avtar med avståndet r som 1/r². Färgkraften är försumbar på små avstånd men mycket stor på stora avstånd (1 fm). Detta kallas asymptotisk frihet (Asymptotic_freedom).

För atomkärnan ser man kärnkraften som en van der Waalskraft (Van_der_Waals_force) som orsakas av att man får en polarisation av de tre färgerna i nukleonerna. Teorierna som beskriver detta är dels exakta (QCD_lattice_model) och dels störningsteorier. Man har emellertid ännu inte kommit fram till en helt tillfredsställande beskrivning.

Alternativt kan man beskriva kärnkraften som ett utbyte av pioner. Denna klassiska modell (Yukawa_interaction) används fortfarande och ger bra resultat. Vid utbyte av laddade pioner byter nukleonerna skepnad, dvs protoner blir neutroner och tvärtom. Se figuren i länk 1.

Utbyteskraften i atomkärnor illustreras i figuren nedan (Strong_interaction) med följande figurtext:

An animation of the nuclear force (or residual strong force) interaction between a proton and a neutron. The small colored double circles are gluons, which can be seen binding the proton and neutron together. These gluons also hold the quark-antiquark combination called the pion together, and thus help transmit the a residual part of the strong force even between colourless hadrons.

Observera att figuren visar utbyte av en oladdad pion, vilken naturligtvis inte ger förändring proton-neutron.

Du kan läsa mer om det här: The ABC's of Nuclear Science och färgkraften.

Tack Kevin för en lektion i QCD för kärnfysiker!

/KS/lpe 1999-10-11

Svar:
Corioliskraften är en fiktiv kraft, som man inför därför att föremål i roterande system inte tycks lyda mekanikens lagar. Det beror t.ex. på att en
punkt på jordytan inte utgör ett tröghetssystem på grund av jordrotationen. Newtons lagar gäller bara i tröghetssystem.

Exempel: Kastar vi en sten rakt norrut, viker den faktiskt
av österut, som om den var påverkad av en kraft (corioliskraften).

Latitudberoendet kommer in genom att horisontlinjens vinkel mot
jordaxeln (eller vinkelhastighetsvektorn) just är lika med
latituden. Kastar vi stenen horisontellt blir det olika corioliskrafter på olika latituder. På själva nordpolen blir det
ingen effekt alls.

Videon nedan visar ett enkelt exempel på corioliseffekten:

 

Nedanstående animering från Wikimedia Commons visar corioliseffekten:

I inertialsystemet (icke roterande systemet) i övre delen av bilden rör den svarta punkten sig i en rät linje. Om observatören (röd punkt) emellertid står på den roterande plattan (icke inertialsystem) ser han den svarta punktens bana som krökt. Han tolkar detta som att den svarta punten påverkas av en kraft - corioliskraften. Denna är fiktiv (artificiell, onödig) bara för att observatören på skivan tillämpar Newtons första rörelselag (tröghetslagen) trots att denna inte är tillämplig i ett icke inertialsystem.

Se vidare Corioliseffekten, Coriolis_effect och länk 1.

/KS/lpe 1999-04-15