Svar:
Låt oss börja med att definiera tidvatten:
Tidvatten (ebb och flod) är periodiska rörelser i havet som beror på månens och solens dragningskraft. Verkan av månens dragningskraft är dominerande eftersom månen befinner sig så nära jorden. Solens inverkan är att förstärka tidvatteneffekten när solen, jorden och månen ligger i en linje och försvaga den när vinkeln solen-jorden-månen är 90^o.

Problemet med de två bulorna är en klassisk besvärlig fråga eftersom man använder två till synes olika modeller som förklaring. Mer om detta nedan; här är först den förklaring jag föredrar från den engelska versionen av Wikipedia, Tide, där även bilderna nedan kommer ifrån:

Titta på den översta bilden. En partikel på jordytan närmast månen påverkas av en kraft som är lite större än en kraften på en partikel i centrum, som i sin tur påverkas av en större kraft än en partikel på frånsidan eftersom gravitationskraften avtar som 1/r². I stället för krafter kan vi uppfatta pilarna som accelerationer som orsakas på en massa m (F=ma). Om vi subtraherar accelerationen i jordens masscentrum får vi kvar accelerationer enligt den nedre figuren: på närsidan en liten rest riktad mot månen och på bortre sidan en rest riktad från månen. Denna subtraktion innebär att vi väljer ett koordinatsystem som är i vila i förhållande till jordens masscentrum.

Låt oss föreställa oss jorden med hav överallt. De resulterande krafterna kommer då att lyfta havet med ett litet belopp h så att mgh (m är massan av, säg, en cm³ vatten) är lika med den resulterande tidvattenskraften. Höjden h är c:a 0.54 m och, om man även tar med solens maximala påverkan, 0.79 m. När väl denna justering av havsytans form skett, råder jämvikt och jordens form är fix.

Tidvatten kan emellertid på vissa platser vara upp till 10 m. Anledningen till denna stora avvikelse är att jorden bara delvis är täckt av hav och att kustlinjerna kan ge en stor förstärkning av effekten, se Lectures on tides. Det kan dessutom förekomma resonansfenomen (se nedan) eftersom tidvattenskrafterna är periodiska. I TidePhase_and_amplitude finns en karta över fas och amplitud his tidvattnet över hela världen.

Om det inte fanns något vatten på jorden skulle jordens form ändå anpassa formen efter tidvattenskrafterna, men mindre eftersom fast material gör större mekaniskt motstånd.

Figuren i mitten nedan visar vad som händer i en godtycklig punkt A på havsytan. Eftersom avståndet MA' är större än MA kommer kraften i A vara större än kraften i A' (nedre triangeln). Vi får alltså i detta fall en resulterande kraft riktad uppåt till höger.

Motsvarande beräkning för hela klotet ger resultatet i den nedre figuren. De resulterande krafterna kommer att deformera klotet så att vi får en rotationsellipsoid med storaxeln riktad mot månen. Observera att de resulterande krafterna finns på den odeformerade jorden. När vattnet anpassat sig kommer den extra höjden på vattenpelaren att kompensera kraften och vi har jämvikt.

Vi har här bortsett från jordens rotation. Om man även tar hänsyn till denna och friktionen kommer ellipsoiden att vridas, se fråga [13056].

Experiment med resonans

Ta en balja eller en spann och fyll i vatten till några centimeters djup. Skaka baljan fram och tillbaka med jämn rytm. Pröva med olika rytmer. Vid vissa skakningsrytmer blir det bara små vågeffekter. Vid andra rytmer blir vågorna bara större och större, så att det till slut skvalpar ut. Det fenomenet kallar vi resonans.

Diskussion av till synes olika förklaringar

En del förklaringar till tidvattenseffekten involverar centrifugalkraften, t.ex. The Cause of Tides (easy version) och OUR RESTLESS TIDES, medan andra som ovan inte gör det.

Anledningen till skillnaden är vilket koordinatsystem man föredrar. Ovan har vi föredragit jordens masscentrum. I detta har vi ingen acceleration (vi står förhoppningsvis stadigt på jordytan) och deformationen orsakas av skillnaden i gravitation i olika punkter på jorden.

Om vi i stället betraktar systemet jorden-månen från deras gemensamma masscentrum (som ligger c:a 1/4 jordradie under jordytan), så accelereras jorden hela tiden (roterar kring masscentret), och vi måste ta hänsyn till centrifugalkraften.

Observera är deformationen inte uppkommer bara vid rotationsrörelse, utan jorden skulle vara en ellipsoid även om den föll fritt mot månen, se Tidal_force för exempel på denna effekt.

Se även Tidvatten och länk 1 och 2.

/Peter E 1999-10-11

Svar:
Den så kallade G-kraften är vad vi i andra sammanhang brukar kalla
centrifugalkraft. Det är den som vill dra dig utåt när du sitter
i karusellen. Det är den som pressar den våta tvätten mot trumman
i tvättcentrifugen. När piloten gör en kraftig sväng pressas han
nedåt i planet. En effekt är att blodet pressas ner i benen. I värsta fall kan då syrebrist uppstå i hjärnan, så att piloten
förlorar medvetandet. För att motverka detta finns speciella G-dräkter, där benen pressas ihop vid skarpa svängar.

Fundera: Jordens dragningskraft vill ju dra månen hitåt.
Varför ramlar inte månen ner på jorden?
/KS 1999-09-02

Svar:
De fyra fundamentala naturkrafterna eller bara växelverkan är de fysikaliska fenomen där partiklar påverkar varandra med krafter. Enligt nuvarande teorier kan all interaktion förklaras utifrån dessa fyra krafter.

Av de fyra fundamentala kraftverkningarna är gravitationen svagast och den starka växelverkan
(kärnkrafterna) starkast. Här är ordningen (vid måttliga energier), kraftförmedlaren samt vilomassa och spinn för kraftförmedlaren:

1. stark växelverkan (håller ihop kvarkarna i nukleoner och orsakar bindningen i atomkärnor), gluon, 0, 1
   
2. elektromagnetisk växelverkan (håller ihop atomen), foton, 0, 1
   
3. svag växelverkan (betasönderfall), W⁺ , W^- och Z⁰ bosoner, 80-90 GeV/c², 1
   
4. gravitation (håller ihop planeter, solsystem, galaxer och galaxhopar), graviton, 0, 2

De approximativa relativa styrkorna framgår av nedanstående figur från Fundamental_växelverkan.

Se vidare fråga [957], Fundamental_interaction och länk 1 om kraftförmedlarna.

/KS/lpe 1999-09-27

Svar:
Dina synpunkter är alldeles riktiga, kvarkarna har naturligtvis
inga färger. Det är en annan egenskap som man betecknar med "färg", nämligen en sorts laddning.

Det finns två sorters vanlig (elektrisk) laddning, + och -. Olika laddningar attraheras, lika stöts bort. Om man lägger ihop en enhet positiv laddning och en enhet negativ laddning så blir resultatet ingen laddning alls, och ingen elektrisk kraftverkan med omgivningen. Eftersom den elektriska kraften är ganska stark, så drar ett laddat föremål till sig den motsatta laddningen. Detta är anledningen till att de flesta föremålen omkring oss är oladdade.

Kvarkar hålls samman av något som kallas den starka kraften eller färgkraften. Denna har den udda egenskapen att ha tre laddningar. Vad skall vi kalla dessa? Jo, vi är ju vana att addera grundfärgerna RGB till andra färger och vitt ljus. Så vi kallar helt enkelt kvark-laddningarna (hm, ett problem här är att kvarkarna har vanliga laddningar också, men låt oss bortse från det) rött, grönt och blått.

Partiklar (baryoner, mesoner) måste vara ofärgade eftersom färgkraften är så stark. Det kostar helt enkelt för mycket energi för att separera färgerna.

En proton består av tre kvarkar (bilden i mitten nedan), med färgerna blå, röd och grön. Blandar man lika mängder av dessa ljussorter, får man vitt ljus. En meson består av en kvark och en antikvark (bilden till vänster), som till exempel kan ha färgerna grön och antigrön, vilket blir ofärgat. Det finns alltså antifärger i detta sammanhang. De har ingen motsvarighet i vår vardagstillvaro. Anledningen till att alla partiklar måste vara färglösa är att en färgad partikel omedelbart drar åt sig färger för att kompensera sin färg.

Färgkraften har den märkliga egenskapen att den är mycket svag vid små avstånd och blir stark först när avståndet närmar sig 1 fm (storleken av en nukleon). Detta medför två saker:

1 Kvarkarna är i stort sett fria inne i en nukleon eller meson (asymptotisk frihet, Asymptotic_freedom). Kraften mellan kvarkarna är alltså noll för avstånd som är mindre än c:a 1 fm, medan kraften blir mycket starkt attraktiv vid större avstånd.

2 Man kan inte observera fria kvarkar eftersom färgkraften på stora avstånd motsvarar så hög energi att det bildas mesoner som består av kvark-antikvark par, se nedanstående figur där R, G, och B symboliserar kvarkar.

nukleon

(R G B)

.

försök att ta loss den blå kvarken

R G (B &124; antiB) B

kvark/antikvark inom parantesen skapas

.

slutresultatet

(R G B) (antiB B)

 nukleon meson (båda färglösa)

Eftersom kraftförmedlarpartiklarna, gluonerna, har en färg och en annan anti-färg (se fråga [15154] nedan), innebär utbytet av gluoner att kvarkarna hela tiden skiftar färg.

Se vidare Strong_interaction, Quantum_chromodynamics, Quark och Gluon. Bilden är från Wikimedia Commons.

/KS/lpe 2000-04-07

Svar:
Att flyga söderut innebär att flyga längs en storcirkel som går genom
sydpolen (merdian). Den är fast definierad i förhållande till jorden,
och följer alltså med i jordrotationen. Alltså ingen risk att du hamnar
i Florida!

Planet får kämpa lite för att behålla kursen. Det tycks påverkas av en
kraft i sidled. Det är en fiktiv kraft som går under namnet corioliskraft.
Samma fenomen gör att lågtrycken snurrar åt olika håll på norra och
södra halvklotet.
/KS 2001-06-05

Svar:
Nej det kan man inte. Den potentiella energin hos vattenpelaren balanseras precis av den negativa energin från ytspänningen. Totala energiinnehållet är alltså noll!

Kolla själv: Mät hur högt rent vatten stiger och jämför med vatten med diskmedel. Vad gör diskmedlet? Mät även hur högt rent vatten stiger för olika rör-diameter.
/KS/lpe 2001-11-07

Svar:
Bilens rörelseenergi går åt till att deformera bilen. Den är ju lika stor i båda fallen, bortsett från att det rör sig om två bilar i första fallet.

Om vi förutsätter att kupén är intakt så beror skadan på hur stor accelerationen (negativ för uppbromsning) är. Accelerationen (och kraften F=ma) beror på hur lång sträcka bilen får på sig att stanna. Längre sträcka betyder mindre acceleration och därmed mindre skador på passagerarna. Moderna säkra bilar är därför byggda med ett förstärkt förar/passagerarutrymme och så stora deformationszoner som möjligt speciellt fram och bak.

Jag har när jag gjorde min militärtjänst i pansartrupperna suttit i en pansarbandvagn som i 5 km/t (gångfart) körde in i en jordvall. Eftersom det då knappast fanns någon deformationszon, så kändes kollisionen ordentligt!

Sedan måste man bromsa upp passagerarna så försiktigt som möjligt - annars kommer de att med full fart slå i framsidan av kupén. Detta sker med krockkuddar (länk 1 och Airbag) och bilbälten. Både kuddar och bälten skapar en egen deformationszon så att uppbromsningstiden blir så stor som möjligt.

Vad händer om två bilar av olika storlek kolliderar? Eftersom slutresultatet för en central kollision är att den mindre bilen får en viss hastighet bakåt (pga rörelsemängdens bevarande), så kommer passagerarna i denna utsättas för en större acceleration. Vad värre är kommer en kollision mellan en stor och en liten bil ofta att missa de deformationsbalkar som är inbyggda i bilarna eftersom den tyngre bilen ofta är mycket högre.

g-krafter

Låt oss uppskatta g-kraften vid en kollision. Hastigheten är v och deformationssträckan x. Vi har en konstant acceleration a. Eftersom medelhastigheten under uppbromsningen är v/2 blir uppbromsningstiden

t = x/v/2 = 2x/v

Accelerationen blir

a = dv/dt = v/t = v/(2x)/v = v²/(2x) [1]

Accelerationen uttryckt i g blir

a = v²/(2xg) g [2]

För en hastighet av 20 m/s (72 km/t) och en deformationssträcka 0.5 m får vi accelerationen

a = 20²/(20.510) g = 40g

Alternativ härledning av accelerationen

Om bilens massa är m så är rörelseenergin från början mv²/2 och efter kollisionen 0. Vi behöver alltså utföra arbetet mv²/2 fär att stoppa bilen. Med en konstant kraft F över sträckan x får vi

Fx = max = mv²/2

dvs

a = v²/(2x)

Detta är samma uttryck som [1] ovan. Observera att bilens massa m kan förkortas bort.

Se även fråga [19330].
/Peter E 2002-04-09

Svar:
Vattenkraft är energi som utvinns ur strömmande vatten. Det man vanligen avser med vattenkraft är utvinning av den lägesenergi som vattnet har fått i sitt naturliga kretslopp genom soldriven avdunstning följt av nederbörd på högre liggande markområden. Vatten från regn eller smält snö samlas upp i floder och sjöar.

Vattenkraftverken utnyttjar alltså älvarnas fallhöjd och vattenflöde. Det är vattnets lägesenergi mellan två nivåer, omvandlat till rörelseenergi, som utnyttjas för att skapa elektricitet, se fråga [794].

Först har man dämt upp älven och leder vattnet i rör i stället för över de ursprungliga vattenfallen. Det ser INTE vackert ut, se nedanstående bild. Vattnet får driva turbiner, som i sin tur driver generatorer.

Nu skall elektriciteten transporteras till södra Sverige. För att få så lite förluster som möjligt, transformerar man upp till en hög spänning (380 kV). Effekten är spänningenströmmen. Hög spänning ger liten ström och därmed små förluster eftersom effektförlusterna går som strömmen i kvadrat (P=RI²).

I alla transportledningar har man trefas växelström. Det man vinner är att man genom att anpassa lasten på faserna får en mycket liten returström (nollan) varför man inte behöver en tjock återledare. I stället har man en mycket tunnare kabel som ofta sitter längst upp på masten.

Utanför din bostadsort transformeras spänningen ner i ett par steg, så att du får dina 230V i väggkontakterna.

När du sedan kopplar in en lampa, elektrisk motor eller värmeelement så går det en ström igenom apparaten. Beroende på apparat händer olika saker. En lampa värms upp så att den skickar ut ljus (och värme, vilket inte alltid är så bra). En elektrisk motor ger rörelse som kan utnyttjas t.ex. i en fläkt, värmepump eller kylskåp. I ett värmeelement förvandlas el-energin till värme. I slutändan förvandlas all el-energi till värme, som med tiden läcker ut i omgivningen.

Vattenkraft är en förnyelsebar energiresurs och påverkar miljön ganska lite förutom den skada som orsakas floderna som byggs ut med dammar, konstgjorda sjöar, vattenledare och kraftledningar (se nedanstående bild). Vattenkraft är jämfört med andra energikällor relativt billig vad gäller investeringar och drift. Nackdelen är ovanstående miljöpåverkan och den begränsade tillgången på utbyggningsbara vattendrag.

Se mer om elenergi och vattenkraft på: Energikunskap, Kuhlins hemsida om Vattenkraften i Sverige, Hydropower, Hydroelectricity, Vattenkraft och nedanstående länkar.

/Peter E 2003-11-29

Svar:
Det enkla svaret är att det kan man inte påverka. Kärnorna klyvs enligt de regler naturen bestämt.

Titta på nuklidkartan nedan. Stabila kärnor är markerade med mörkrött, och kända kärnor av det grå området. Kärnan som klyvs i ett kärnkraftverk är ²³⁵U. Denna är markerad med en svart punkt uppe till höger i diagrammet. ²³⁵U har ett större överskott av neutroner än vad stabila lättare kärnor har.

Eftersom klyvningsprocessen inte kan "sortera" neutroner och protoner, måste alla klyvningsprodukter hamna på linjen mellan ²³⁵U (egentligen ²³⁶U eftersom det är infångandet av en neutron som orsakar klyvningen) och origo.

Alla kärnor på linjen ligger emellertid nedanför de stabila kärnorna. Kärnor på linjen har ett överskott av neutroner. Detta korrigeras först genom att 2-3 neutroner sänds ut i klyvningsprocessen (dessa kan sedan underhålla kedjereaktionen) och senare genom b^--sönderfall. En del av dessa b^--instabila kärnor har lång halveringstid (många år) och utgör en del av det avfall man får från ett kärnkraftverk. Det bildas även ett antal tunga kärnor (s.k. transuraner och aktinider), och de utgör den mycket långlivade delen (hundratusentals år) av avfallet.

Se vidare frågorna om kärnkraftsavfall.

/Peter E 2005-01-19

Svar:
Du menar nog konisk pendel, se nedanstående figur. Vi har en vikt med massan m upphängd i en tråd med längd l. Vikten sätts i rotation så att tråden sveper ut en kon, därav namnet. För att räkna ut rotationsperioden gäller det bara att balansera krafterna.

Två krafter verkar på vikten: spänningen i tråden t och tyngdkraften mg. Dessa två krafter är inte i balans, utan det återstår en horisontell komponent av t (F_c ) riktad mot rotationscentrum. Detta är centripetalkraften som får vikten att beskriva en cirkelrörelse. Den vertikala komponenten av t skall ta ut tyngdkraften mg. Om omloppshastigheten är v är centripetalkraften

F_c = mv²/r (1)

Perioden T, som vi söker blir

T = (cirkelns omkrets)/hastigheten = 2pr/v (2)

Från jämvikt och geometri får vi:

tcos(a) = mg (3)

tsin(a) = mv²/r (4)

r = lsin(a) (5)

Eliminering av t genom division (4)/(3) ger

tan(b) = v²/r²(r/g) (6)

Insättning av värdet på v/r från (6) i (2) och användning av (5) ger slutligen efter lite förenkling:

T = 2pSqrt[(cos(a)l)/g]

Se även pendel, plan.

2005-04-07