Tyngd och vikt 1
FYSIKENS MASSA (VIKT) Till vardags använder vi ordet vikt när vi pratar om hur mycket något väger. I fysiken använder man begreppet massa (m) för att ange hur mycket något väger. Massa mäts i enheten kilogram (kg). Massa(vikt) är ett mått på hur mycket materia som finns i ett föremål.
Astronauterna är tyngdlösa, men inte viktlösa 3
Tyngdkraften - jordens dragningskraft Tyngdkraften är riktad nedåt. Den påverkar varje liten del av föremålet/kroppen. Att ett äpple faller till marken när det lossnar från trädgrenen eller att stenen du släpper ur handen faller till marken beror på att de dras mot jordens centrum av jordens dragningskraft (även kallad gravitationseller tyngdkraften).
5
Tyngden Tyngden är samma sak som tyngdkraften som drar i föremålet. Kraft (F) mäts i enheten Newton (N). Jordens dragningskraft på ett föremål som väger 1 kg är ca 10 N (9,82 N), på ett föremål som väger 100 g blir det ca 1 N. Månens dragningskraft på ett föremål som väger 1 kg är 1,62 N. På månen är tyngdaccelerationen ungefär 6 gånger mindre än på jorden. Ett föremåls tyngd på månen är därför bara en sjättedel av vad den skulle varit på jorden.
Att mäta kraft För att mäta kraft använder vi oss av en dynamometer. För att lyfta en vikt på 0,1 kg (100g) krävs en kraft på 1 Newton (N). Det betyder att det krävs en kraft på 10 N för att lyfta en vikt på 1kg. Dynamometern är uppbyggd av en fjäder som sträcks olika mycket beroende på vikten som hängs i den. De flesta dynamometrar går inte att använda för tunga föremål. Därför finns en genväg för att ta reda på hur stor kraft som krävs för att lyfta en viss vikt. Om du vet vikten i kilo, multiplicera med 10 så får du kraften. Exempel: Pierre väger 80 kg. Då krävs det en kraft på 80 x 10=800 N för att lyfta Pierre. Omvänt: För att lyfta Pierre krävs en kraft på 800 N. Då väger han 800 /10 = 80 kg.
Formel för tyngdkraft tyngdkraften(tyngden)=massa x 10 Hur stor tyngd har a. en säck potatis som väger 10 kg b. en bil som väger 1 ton c. en synål som väger 1 g? Dynamometern visar att tyngden på ett föremål är 5 N. Hur mycket väger föremålet? 8
Vikt och tyngd 9
Är tyngden lika stor överallt? Höjd över havet Tyngden av 1 kg (cirka) 0 km 10 N 1000 km 8 N 2000 km 6 N 3000 km 5 N 5000 km 3 N 8000 km 2 N 12000 km 1 N 10
Vad är tryck?
Formel för tryck Trycket får man genom att dividera tyngdkraften (tyngden) av ett föremål med storleken av den yta (area) som finns mellan föremålet och underlaget. Tryck = Tyngd/arean F P = F/A P x A
Jämför tryck (p) Kvinna på höga klackar: m = 60 kg F = m x 10 = 600 N A = 1cm 2 /klack (2 klackar = 2cm 2 ) P = 600N / 2cm 2 = 300 N/cm 2 Elefant : m = 4000 kg F = m x 10 = 40000 N A = 2000 cm 2 /fot (4 fötter = 8000 cm 2 ) P = 40000 N / 8000 cm 2 = 5 N/cm 2 Alltså utövar kvinnan på klackar högre tryck mot golvet än elefanten. Varför? Kan ni lista ut hur formeln ser ut för att räkna ut tryck?
Enheten för tryck Enligt det Internationella måttenhetssystemet SI (från franskans "Système International d Unités ) ska tryck mätas i Newton per kvadratmeter (N/m 2 ). Denna enhet kallas också för Pascal (Pa) 1 N/m 2 = 1 Pa Enheten Pascal (Pa) är uppkallad efter Blaise Pascal som föddes 1623 i Frankrike. Han studerade bl a vattentryck och lufttryck.
Lågt tryck på en yta kan vara bra Ibland kan det vara bra att ha kunskaper om tryck för att få lågt tryck på en yta. Om till exempel en kompis hamnar i en isvak gäller det att veta hur man ska göra. Om du går på isen kommer din tyngd att fördela sig som ett tryck på isen. Trycket blir ganska stort då arean mellan dina fötter är ganska liten. Om du i stället lägger dig ner kommer arean att öka och då minskar trycket från din kropp på isen. Kom ihåg: Kraft / Area. Ju större area desto mindre tryck. Kan du komma på fler tillfällen? 17
Frågor att besvara Ge exempel på tillfällen då vi i praktiska livet minskar arean för att öka trycket, eller ökar arean för att minska trycket? Varför är det farligare att vara ute på svag is när du åker skridskor än när du går? En trälåda som väger 200 kg står på en lastkaj. Bottenytan är 4 m 2. Hur stort är trycket på lastkajen? Svara i Pa. En kvinna i högklackade skor dansar runt på ett golv. Hon väger 60 kg. Hur stort blir trycket mot golvet, om hon låter hela tyngden vila på en klack med arean 2 cm 2? Svara i både N / cm 2. Kurt väger 30 kg. Hans fötter har en sammanlagd area av 100 cm2. Vilket blir Kurts tryck mot golvet? Hur stort blir trycket om Kurt ställer sig på ett ben 21
Marianergraven Challengerdjupet ligger 11 034 m under havsytan. Trycket på detta djup är enormt. 23
Tryck i vätskor När du dyker i vattnet kan det göra ont i öronen. Det är vattnet som trycker på din trumhinna. Ju längre ner du kommer desto större känns trycket. Detta beror på att vatten väger och ju längre ner du kommer desto mer vatten har du över dig som trycker på dig. Trycket påverkar dig lika mycket överallt, vilket inte är konstigt då du har vatten helt runtomkring dig.
Hur djupt kan man dyka? Redan 1960 lyckades schweizaren Jacques Piccard och amerikanen Donald Walsh ta sig ner till drygt 10 900 meters djup i Challengerdjupet i en så kallad batyskaf. 2012 nådde den amerikanske filmregissören James Cameron (som bl a gjort Titanic ) nå samma djup. För så kallad scubadykning är rekordet 318,25 m, satt av sydafrikanen Nuno Gomes 2013. För så kallad fridykning, alltså dykning med så mycket luft man kan få med sig i ett enda andetag, finns det en internationell organisation vid namn AIDA. Deras officiella rekord i klassen No Limits hålls av österrikaren Herbert Nitsch och lyder på 172 m och är satt utanför Kroatien. Han var då under vattnet i 3 minuter och 45 sekunder.
Dykarsjuka Vad är det? Dykarsjuka är en sjukdom som kan drabba både människor och djur som har blivit satta under tryck och sedan går tillbaka till mindre tryck igen, t.ex. dykare och gruvarbetare. Den kan ta sig milda uttryck, såsom trötthet, kliande och "skinrash". Eller mer allvarliga symptom som t.ex. ovanlig svaghet, yrhet, smärta i leder, medvetslöshet och död. Hur uppkommer den? I kroppens vätskor och vävnader finns alltid lösta gaser. Under högt tryck löser sig mer gaser i kroppen (i blodet osv). När man kommer upp igen blir gaserna under lägre tryck olösliga. När man kommer upp för fort bildas gasbubblor (man kan jämföra med när man öppnar en champagneflaska, då den snabba tryckförändringen gör att bubblor bildas i flaskan)..dessa bubblor samlas och bildar tillsammans ännu större bubblor. Detta leder till besvär som kan vara livshotande.
Högt tryck under vatten En ubåt som dyker djupt måste vara väldigt tålig. Inuti ubåten finns ett tryck som pressar på båtens skrov inifrån. När båten dyker ner på djupt vatten kommer vattnets tryck utifrån att vara väldigt stort på skrovet. Om utanförtrycket blir för stort kommer trycket från båtens inre inte orka hålla emot och båten kommer att knycklas ihop. Detta är vad som händer vid katastrofer då ubåtar sjunkit för djupt.
Vad är densitet? Densitet handlar om hur tätt ett ämne är. I ett ämne med låg densitet är atomerna mindre tätt packade. Ex: Trä är mindre tätt än järn, därför väger en träbit mindre än en lika stor järnbit. En vanlig tärning är 1 cm 3 stor. Det betyder att varje sida på tärningen är 1 cm lång. En bit järn som är 1 cm 3 stor väger 7, 6 gram. Densiteten för järnet är alltså 7,6 g / cm 3. Enheter för densitet är g / cm 3 eller kg/dm3
Ämnen har olika densitet Tänk dig att du har 1dm 3 av några olika ämnen, t ex järn, vatten, trä och luft. Trots att volymen av de olika ämnena är lika så väger de inte lika mycket. Ämnena innehåller olika mycket materia, de har olika densitet (massa/volym). Järn 7,9 kg/ dm3 Vatten 1 kg/dm3 trä 0,5 kg/ dm3 luft 0,0013 kg/ dm3
Flyta eller sjunka densiteten avgör 1 dm 3 JÄRN 7,8 kg 1 dm 3 VATTEN 1 kg 1 dm 3 TRÄ 0,5 kg
Uppgift Titta på bilden på sidan 31 i presentationen och fundera på om de olika ämnena skulle sjunka eller flyta om du lägger/häller ner dem i vattnet. Vad är det som avgör om ett ämne flyter eller sjunker? 32
Flyta eller sjunka densiteten avgör Trä flyter 1 dm 3 TRÄ 0,5 kg Järn sjunker 1 dm 3 JÄRN 7,8 kg Föremål flyter om det har lägre densitet än vätskan och sjunker om det har högre densitet än vätskan.
Flyta eller sjunka densiteten avgör Tydligen sjunker järn. Varför flyter järnbåtar då?
Vätskans densitet avgör hur stort trycket blir. Ju högre densitet vätskan har, desto större är lyftkraften från vätskan. Saltvatten har högre densitet än sötvatten och därför är lyftkraften från saltvattnet större än i vanligt vatten. Det är därför som du flyter lättare i Döda havet. Att lyfta tungt under vattnet är lätt eftersom vattnet hjälper till att lyfta stenen. Vi säger att stenen påverkas av en lyftkraft från vattnet.
Densitet = massa/volym En guldklimp med volymen 10 kubikcentimeter väger 193 gram. Vilken densitet har klimpen? V = 10 kubikcentimeter m = 193 gram densiteten = massa/volym = 193 gram / 10 kubikcentimeter = 19,3 gram/ kubikcentimeter. 36
Arkimedes Grekisk matematiker 200 - talet före Kristus. Kom på hur man mäter volymen på ett oregelbundet föremål. En dag när Arkimedes satte sig i badkaret upptäckte han att vatten svämmade över. Den mängd vatten som svämmade över var lika stor som hans kropps volym. 37
Arkimedes En kropp som sänks ner i en vätska tränger undan samma volym som kroppens egen. 38
Arkimedes princip Lyftkraften på ett föremål är lika stor som tyngden av den vätska föremålet tränger undan.
Kommunicerande kärl Det är kärl som har förbindelse mellan varandra. Vattnet ställer sig lika högt i alla öppningar, oavsett formen på kärlet, eftersom lufttrycket är lika stort på alla vattenytor. 40
41
42
Frågor att besvara Hur förändras trycket när du dyker djupare i en bassäng? Varför är det lättare att lyfta ett föremål i vatten än i luft? Vad krävs för att ett föremål ska flyta på en vätska? Vad innebär Arkimedes princip? Vad är ett kommunicerande kärl? Var kan principen användas praktiskt?
Vad är lufttryck? Runt jordklotet finns ett luftlager som kallas atmosfären. Eftersom man inte kan se luften kan man tro att den inte väger någonting. Det ungefär 10 mil tjocka lagret av luft har en massa som är mycket stor. Luftens tyngd gör att den trycker på jordytan. Det är det tryck som kallas lufttryck. Ju högre upp i atmosfären du kommer, desto mindre luft finns det ovanför dig. Lufttrycket minskar ju högre upp i atmosfären du kommer.
Så mäts lufttrycket Lufttryck mäts med hjälp av en sk barometer. Lufttrycket varierar från plats till plats och från dag till dag. Normalt luftryck vid havsytan är 1013 hpa (eller i gamla mått 1013 millibar). Det motsvarar 10 N/cm 2. Det betyder att en 1cm 2 stor luftpelare från jordytan och ut till atmosfärens yttre gräns har tyngden 10 N = 1kg.
Övertryck När trycket i en behållare är högre än lufttrycket säger man att det är övertryck. Cykeldäck, ballonger och sprayflaskor är exempel på behållare med övertryck.
Tryck i cykeldäck I ett cykeldäck måste trycket vara mycket högre än lufttrycket för att det ska vara lätt att cykla. Inuti däcket finns luftmolekyler som rör sig fritt och krockar med varandra. Däcket utsätts för ett tryck. Ju mer luft man pumpar in i däcket desto fler molekyler finns som kan krocka med däcket. Trycket ökar. Om du får punktering pyser luften ut, trycket minskar och blir lika stort innanför som utanför däcket. Molekylernas hastighet påverkas av temperaturen. Ju varmare temperatur desto högre fart på molekylerna och trycket blir högre.
Undertryck Om du håller i ett paket kaffe så är det ganska fast och hårt. När man klipper upp paketet pyser det till. Kaffet är vakuumförpackat. Nästan all luft har sugits ut och det har skapats ett undertryck. Trycket i förpackningen är lägre än lufttrycket. Många förpackningar i affären är vakuumförpackade. Det betyder att man sugit ut luftens molekyler. Utan luft har maten bättre hållbarhet. Ett annat sätt att skapa undertryck i en behållare är att sänka gasens temperatur. Då rör sig molekylerna långsammare och trycket sjunker.
Varför har astronauterna tryckdräkter? Utan tryckdräkt skulle astronauternas kropp svälla upp och blodet börjar koka. 50
51
Kokpunkt 52
Varför har astronauterna tryckdräkter? Den temperatur som krävs för att en vätska ska börja koka varierar beroende på det atmosfäriska trycket. På nio kilometers höjd börjar vatten koka redan vid 74 grader Celsius. Vid ungefär 19 kilometers höjd kokar blodet redan vid normal temperatur. 53
Kokpunkten på toppen av Mount Everest Kokpunkten på toppen av Mount Everest är ca 69 C Det kan leda till problem om man får för sig att laga mat där 54
Frågor att besvara Hur förändras luftrycket om du klättrar till toppen av världens högsta berg? Vad heter instrumentet som vi mäter lufttryck med? Vad är normalt lufttryck? Vad menas med övertryck? Ge exempel. Varför sänks trycket i en behållare om du kyler behållaren? Vad menas med undertryck? Ge exempel.