Listor / Berzan / Heureka 1 sammanfattning
Krafter har både storlek och riktning. Kraft betecknas ofta F och har enheten 1 newton, 1N. Det är viktigt att skilja på massa, som inte har någon riktning, och den tyngdkraft som påverkar massan. Tyngdkraften på ett föremål har både storlek och riktning och kallas också föremålets tyngd. Tyngdkraft F på ett föremål med massan m ges av sambandet F = m*g, där tyngdfaktorn g har värdet 9,82N/kg i Sverige. När ett föremål står stilla är det i jämvikt. Verkan av parallella krafter kan ersättas av en resultant. När parallella krafter är riktade åt samma håll är resultantens storlek summan av de parallella krafternas storlek. Krafterna på ett föremål i jämvikt balanserar varandra, så att resultanten blir noll. Den maximala friktionskraften mellan två ytor beror på materialen och normalkraften. Mot varje kraft på ett föremål svarar en lika stor men motriktad kraft på ett annat föremål. Den kallas reaktionskraft.
Densiteten för ett ämne = massan / volymen. P=m/V. Enheten för densitet är 1kg/m3 = 1*10^-3g/cm3. Trycket mot en yta = tryckkraften vinkelrätt mot ytan/ytans area. p=F/A. Enheten för tryck är 1 Pa = 1N/m2. Vätsketrycket på ett visst djup = densiteten för vätskan * tyngdfaktorn * djupet. p = P*g*h. Normalt lufttryck vid havsytans nivå är 101,3kPa. Arkimedes princip: Lyftkraften på ett föremål i en vätska eller gas är lika stor som tyngden av den undanträngda vätskan eller gasen.
För att bestämma en rörelse längs en förutbestämd bana väljer man en positiv riktning. Förflyttningar, hastigheter och accelerationer i motsatt riktning har negativt tecken. Medelhastighet = lutning hos den räta linje som sammanbinder punkterna på s-t-grafen. Momentanhastighet = hastigheten vid en viss tidspunkt, kan bestämmas ur s-t-diagram. Den är lutningen hos grafens tangent i punkten (t,s). I ett v-t-diagram får man förflyttningen som arean under grafen. Om acceleration och hastighet har samma tecken så ökar farten. Har de olika tecken så minskar den. Medelaccelerationen är lutningen hos den räta linje som sammanbinder punkterna på v-t-grafen. Enheten för accelerationen är 1m/s2. Momentanaccelerationen är lutningen i grafens tangent i punkterna i ett v-t-diagram. En rörelse med konstant acceleration sägs vara likformigt accelererad. Fritt fall är ett exempel på en sådan rörelse.
För att ett arbete ska uträttas på ett föremål krävs en kraft och en förflyttning. Arbetet: W= F*s där s är förflyttningen och F kraften parallellt med förflyttningens riktning. Enhet 1Nm = 1J. Ett arbete förmedlar en energiomvandling som är lika stor som arbetet. Enhet 1J. Energiprincipen: energi kan inte skapas eller förintas, bara överföras mellan olika former. Lägesenergi: Ett föremål med massan m som befinner sig på höjden h ovanför godtyckligt vald nollnivå har den potentiella energin E = m*g*h. Rörelseenergi: Ett föremål med massan m som rör sig med hastigheten v har den kinetiska energin E = m*v2/2. Friktionsvärme: Vid ett friktionsarbete utvecklas värmemängden E = F*s där F är friktionskraften och s den förflyttning där friktionskraften verkat. Effekten P är energiomsättningen per tidsenhet. P=E/t. Enhet: 1W. Verkningsgraden hos en maskin är kvoten mellan nyttig enegi En och tillförd energi Et eller mellan nyttig effekt Pn och tillförd effekt Pt.
Laddningar med olika tecken attraherar varandra, lika laddningar repellerar varandra. I en ledare finns lättrörliga ledningselektroner. I en isolator är däremot elektronerna bundna till sina atomer. Laddning mäts i enheten 1 Coulomb (C). Coulombs lag anger kraften som två punktformiga laddningar på avståndet som r påverkar varandra med: F=k*Q1*Q2/r2. Där k=8,988*109Nm2/C2. En laddad partikel i ett elektriskt fält påverkas av en elektrisk kraft. Riktningen hos ett elektriskt fält sammanfaller med kraftriktningen på en positiv testladdning. Elektrisk fältstyrka är kraft per enhetsladdning: IE=F/Q. Enhet: 1N/C = 1V/m. En partikel med laddningen Q i ett elektriskt fält IE påverkas av den elektriska kraften F=Q*IE. Den totala laddningen förändras inte, den är konstant.
Elektrisk energi är elektrisk lägesenergi hos de laddade partiklarna. Elektrisk spänning U är skillnad i elektrisk lägesenergi per laddningsenhet. U?E/Q. Enheten för spänning är 1 volt (V). 1V = 1J/C. I ett homogent fält är fältstyrkans storlek IE=U/d där U är spänningen mellan två punkter och d avståndet mellan punkterna längs en fältlinje. Elektriska laddningar byggs upp av identiskt lika stora elementarladdningar med beloppet e = 0,160 aC. Elektronladdningen är en negativ elementarladdning. Ström är elektriska laddningar, vanligtvis elektroner, i rörelse. Det elektriska fältet i en ledare orsakar elektronernas rörelse. Ström = laddningsmängd per tidsenheter I=Q/t. Enhet 1A (ampere). 1A = 1C/s där strömmen är i A passerar laddningen i rörelseriktning. Effektutvecklingen i en komponent där spänningen är U och strömmen I är P = U*I. Enhet 1W (watt). 1W = 1VA = 1J/s. Energienheten 1kwh är lika med 3,6MJ. Energienheten 1eV är den ändring av rörelseenergin en partikel med en elementarladdning får vid acceleration genom spänningen 1V. I en växelströmskrets rör sig elektronerna fram och tillbaka.
Följande samband mellan spänning, ström och resistans kallas Ohms lag; U = R*I eller R=U/I. Enhet för resistans: 1(ohm). 1(ohm)= 1V/A. Resistansen R i en metalltråd är proportionell mot trådlängden l och omvänt proportionell mot trådens tvärsnittsarea A. R = p*1/A där p kallas resistivitet. Ju mindre resistivitet hos ett ämne, desto bättre ledningsförmåga. Elektrisk ström kan vara livsfarlig. Hur farlig den är beror på hur stor ström som passerar genom kroppen, vilken väg den tar genom kroppen och hur länge man är i kontakt med spänningskällan. Om flera motstånd seriekopplas beräknas ersättningsresistansen R så här: R = r1+ R2 + R3 +… . Om flera motstånd parallellkopplas beräknas ersättningsresistansen R så här: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + … . Den spänning som alstras av kemiska processer inuti ett batteri kallas elektromotorisk spänning, förkortat ems. En testladdning i jorden eller i en jordad punkt har den elektriska lägesenergin noll. Om en positiv testladdning Q i en punkt har den elektriska lägesenergin E, definieras punktens potential V som energin E dividerad med laddningen Q: V = E/Q. Spänningen mellan två punkter A och B är lika med beloppet av potentialskillnaden mellan punkterna. Kirchhoffs första lag: Summan av strömmarna in mot en förgreningspunkt är lika med summan av strömmarna ut från punkten. Kirchhoffs andra lag: Summan av potentialändringarna (tagna med tecken) i en sluten krets är noll. Laddningen Q hos en kondensator är proportionell mot spänningen U över kondensatorn Q = C*U. C är kondensatorns kapacitans. Enhet 1F(farad) = 1C/V.
Inre energi är mekanisk energi hos molekyler och atomer. Värme är energi som flödar från ett kallare ställe till ett varmare. Temperaturen hos ett ämne är ett mått på den genomsnittliga rörelseenergin hos ämnets molekyler eller atomer. För att åstadkomma temperaturändringen T hos massan m av ett ämne, måste energin E tillföras eller avges: E=c*m*T. Ämnets specifika värmekapacitet c är den energi som upptas eller avges då temperaturen hos 1kg av ämnet ändras 1C eller 1 K. Sambandet förutsätter att ingen fasövergång sker, utan att ämnet hela tiden förblir antingen en gas, en vätska eller ett fast ämne. När massan m av ett ämne smälter eller stelnar utan att temperaturen ändras omsätts energin E=cs*m. Ämnets specifika smältentalpi cs, är den energin som går åt för att smälta 1kg av ämnet. När massan m av ett ämne förångas eller kondenserar utan att temperaturen ändras omsätts energin: E=ck*m. Ämnets specifika ångbildningsentalpi ck är den energi som går åt för att förånga 1kg av ämnet. Termodynamikens första huvudsats: Energi kan inte skapas eller förstöras, utan endast omvandlas. Termodynamikens andra huvudsats: Värme strömmar aldrig av sig själv från ett kallare föremål till ett varmare. Termodynamikens tredje huvudsats: Vid absoluta nollpunken skulle all rörelse och alla processer upphöra. Entropi är ett mått på den termiska energi som är användbar för arbete. Ju större entropi desto mindre användbar energi. Den är också ett mått på antalet möjliga tillstånd, eller oordning hos systemet.
Lufttrycket i atmosfären bestäms till stor del av ideala gaslagen, som säger att det följer luftens densitet. Det avtar till hälften av värdet vid jordytan (som är 1013 hPa) på ca 5,6 km höjd. Temperatur, vindstyrka och vindriktning samt lufttryck och luftfuktighet är några av de viktigaste fysikaliska storheterna som beskriver vädret. Vädret styrs av ett komplicerat samspel av olika krafter. Det instrålade energin från solen och rörelser i lufthavet, bl.a. beroende på jordens rotation, är ett par av de viktigaste faktorerna. Väderprognoser utförs numera alltid med hjälp av våra mest kraftfulla datorer. Vädrets genomsnittliga variation under många år ger vad vi kallar klimatet, Indikatorer på förändringar i det globala klimatet är bl.a. årsmedelvärdet av temperaturen, havsytans genomsnittliga nivå och glaciärernas utbredning. Däremot har enstaka kalla eller varma månader i någon region i stort sett ingen betydelse för hur det globala klimatet utvecklas. Ett otal forskningsresultat tyder på att klimatet påverkas av mänsklig aktivitet. Bland annat verkar högre halter koldioxid i atmosfären ge en global uppvärmning. Koldioxid alstras vid förbränning av fossila bränslen som kol och olja. Den internationella klimatpanelen IPCC gör regelbundna sammanfattningar av forskningsresultaten inom detta område. En av pionjärerna inom klimatforskningen var Svante Arrhenius. I Sverige alstras vår elektriska energi främst av kärnkraft och vattenkraft, vilka båda har liten direkt påverkan på klimatet. Vindkraft, som liksom vattenkraft är en förnybar energikälla, står ännu för en liten andel, men utvecklas snabbt. Det gör också användning av biobränslen, som redan nu står för en betydande andel. Kärnkraftverken använder sig än så länge av fissionsprocesser, vilket ger ett långvarigt avfallsproblem med radioaktiva restprodukter. Fusionskraften, som teoretiskt sett är en renare energikälla, tycks ännu vara många år från att förverkligas.
Två eller flera krafter kan ersättas med en resultant. En kraft kan delas upp i flera komposanter. Arbete == kraft parallellt med vägen * vägsträcka. W = F*s. Newtons första lag eller tröghetslagen: Ett föremål förblir i vila eller likformig rörelse om kraftresultanten är noll. Newtons andra lag eller kraftekvationen: Kraft = massa * acceleration. F = m*a. F är resultanten till de verkande krafterna. Accelerationen har samma riktning som kraftresultanten. Newtons tredje lag eller lagen om kraft och reaktionskraft: Mot varje kraft på ett föremål svarar en lika stor man rakt motriktad reaktionskraft på ett annat föremål. Om ett föremål påverkas av en konstant kraft är dess rörelse likformigt accelererad. Tyngdfaktorn g och tyngdaccelerationen har samma numeriska värde. Rörelsemängden p på ett föremål med massan m och hastigheten v är p=m*v och har samma riktning som hastigheten. Ett föremål som påverkas av kraften F under tiden t får impulsen I = F*t. Newtons rörelselagar gäller i alla referenssystem som rör sig med konstant hastighet.
Hastigheten hos elektromagnetisk strålning i vakuum är oberoende av ljuskällans och observatörens hastigheter och har alltid värdet c = 300Mm/s. Tiden för ett förlopp som sker i samma rörelsesystem som observatören kallas förloppets egentid t0. Tiden t för samma förlopp observerat från ett system med hastigheten v relativt det första är: Sambandet mellan vilolängden L0 och den längd L som mäts då ett objekt rör sig i förhållandet till observatören är: [Bild på formel saknas] . Totala energin hos ett föremål i rörelse med hastigheten v relativt observation är: [Bild på formel saknas]. Ljushastigheten är den övre gränsen för partiklars hastighet. E0 = mc^2 kallas föremålets viloenergi. Partiklelns rörelseenergi ges av den totala energin minskad med viloenergon: E-E0= [Bild på formel saknas] - mc^2.
Det finns fyra grundläggande krafter eller växelverkningar i naturen: Gravitationskraften, den elektromagnetiska kraften, den svaga kraften och den starka kraften. Den elektromagnetiska kraften och den svaga kraften förs ibland samman och kallas den elektrosvaga kraften. Newtons lag för gravitationskraft: [Bild på formel saknas]. Coulombs lag för den elektriska kraften: [Bild på formel saknas]. Elektriska och magnetiska krafter hör ihop och kallas elektromagnetiska krafter. Den svaga kraften styr flera partikelomvandlingar. Den starka kraften verkar mellan kvarkar inuti partiklar som protonen och neutronen, men också mellan nukleonerna i atomkärnan. Varje atom består av en liten massiv kärna, som är omgiven av lätta elektroner. I kvantmekaniken beskrivs partiklarna som vågor. Bara vissa vågor och partikelenergier är möjliga. Varje nukleon består av tre kvarkar. Materien i vår omgivning består av u-kvarkar, d-kvarkar och elektroner. Tillsammans med elektron-neutrinon utgör de den första familjen i Standardmodellen för partiklar. Alla krafter kan beskrivas med hjälp av utbytespartiklar. Fotonen är utbytespartikeln för den elektromagnetiska kraften. Mycket tyder på att det existerar ytterligare, okända, partiklar som utgör universums mörka (osynliga) materia.
En atomkärna är uppbyggd av protoner och neutroner, som hålls samman av starka kärnkrafter med kort räckvidd. Nukleonerna har i bundet tillstånd i kärnan lägre energi än i fritt tillstånd. Kärnmassan är därför mindre än massan hos motsvarande antal fria protoner och neutroner. Skillnaden kallas massdefekt. Ju lägre massan per nukleid är i en kärna, desto stabilare är kärnan. De mest stabila kärnorna finns kring masstalet 60. Joniserande strålning utsänds i samband med att atomkärnor övergår till ett lägre energitillstånd. Alfastrålning består av Helium kärnor. Betapartiklar är oftast elektroner men kan också utgöras av positroner, elektronernas antipartiklar med samma massa som elektronen men med en positiv elementarladdning. Gamma strålning består av energirika fotoner, som utsänds då kärnor övergår från exciterade tillstånd till lägre energinivåer. Aktiviteten R hos ett radioaktivt ämne är proportionell mot antalet kärnor N, enligt sönderfallslagen R = YN där Y kallas sönderfallskonstanten. Sönderfallskonstanten ger det antal kärnor N som ännu inte sönderfallit efter tiden t. N0 är antalet kärnor vid t=0. T1/2 är nuklidens halveringstid. Aktiviteten är proportionell mot antalet kärnor, N.[Bild på formel saknas] Naturlig radioaktivitet från sönderfallskedjor som börjar med uran och torium kan ibland ge alltför höga halter av radioaktivt radon i våra bostäder. Kol-14-metoden är en mycket använd metod för att ålderbestämma organiskt material som skelett, träd, tyg, pergament m.m.
Vid fission splittras tunga kärnor. Vid fusion slås lätta kärnor ihop. Fission och fusion skapar kärnor med mindre massa per nukleon och energi frigörs. Skillnaden i kärnornas bindningsenergi blir användbar energi i form av strålning och rörelseenergi. Fission sker då uranisotopen 235U bombarderas med neutroner. Vid reaktionen frigörs neutroner som i sin tur kan ge upphov till nya fissionsprocesser. Detta skapar möjligheter till kedjereaktioner och som utnyttjas i kärnreaktorn. I kärnreaktorn sker kontrollerade kedjereaktioner. I kärnvapen sker okontrollerade kedjereaktioner. Fusionsprocesser utgör solens och andra stjärnors huvudsakliga energikälla. Fusionsforskningen har två inriktningar: Magnetisk inneslutning av plasmat av deuterium och tritium. Och upphettning av små kulor av väte med mycket kraftfulla lasrar.
Alla människor utsätts ständigt för joniserande strålning från rymden och från radioaktiva ämnen, som förekommer naturligt i miljön och den egna kroppen. Joniserande strålning kan åstadkomma skador i levande vävnader, medföra ökad risk för cancer och orsaka förändringar i arvsmassan. Viktiga dosimetriska storheter är absorberad dos (enhet: gray), ekvivalent dos (enhet: sievert) och effektiv dos (enhet: sievert). Båda enheterna motsvarar SI-enheten 1J/kg. Strålning kan användas i medicinsk diagnostik för att avbilda områden inuti kroppen. Inom medicinsk terapi kan strålning användas för att bl.a. behandla cancer. Vi utsätts alla även för icke-joniserande strålning, bl.a. från elektrisk apparatur. För de flesta av oss torde hälsoriskerna vara obetydliga. Strålning används förutom inom medicinen även i industri och forskning, Särskilda skyddsregler gäller för personal, som utsätts för strålning i sitt arbete. Skyddet mot strålning regleras i lag baserad på internationellt gällande rekommendationer.
Publiceringsdatum: 2013-11-17