torsdag, juni 23, 2005

Varför klumpar skräp ihop sig på vattnet?

Såhär i sommartid brukar man (åtminstone jag) fundera lite löst varför skräp egentligen tycks klumpa ihop sig på vattenytan. Hittills har jag nog avfärdat det som en slump, men det verkar faktiskt finnas en förklaring (som t o m är intressant nog att den får vara med i Nature).

Det är dessutom en rätt elegant förklaring. Känns Arkimedes princip bekant, att en kropp tränger undan en vattenvolym som motsvarar dess massa? Den är dock en sanning med modifikation när det gäller små objekt som har stor yta i förhållande till sin massa. Om objektets yta är vattenavstötande (tänk Teflon) kommer det att ligga mindre i vattnet än ett neutralt objekt av samma storlek och således upplevas som tyngre. Om objektets yta däremot "gillar" vattenmolekyler (tänk glas) kommer det att ligga mer i vattnet och upplevas som lättare. Tunga små objekt kommer att "släpa efter" lite med varje våg tills de hamnar - som en grupp - i en position där vattnet bara rör sig vertikalt. Lätta små objekt, å andra sidan, accelereras mer än vattnet och kommer så småningom att gruppera ihop sig i en position där vattnet bara rör sig horisontellt.

Länkar
ScienceNow (kräver prenumeration)
Natureartikel (kräver prenumeration)
gruppens hemsida

6 kommentarer:

Aron sa...

Blir det inte tvärtom? Dvs att en vattenavstötande yta leder till att det upplevs som lättare iom det extra trycket? Eller har jag fått det hela om bakfoten?

Malin Sandström sa...

Nej, det stämmer faktiskt som det är skrivet. Det är lätt att blanda ihop begreppen: tunga objekt brukar ju hamna djupare ner i vattnet än lättare objekt. Här är det istället små objekt som hamnar längre ner/upp än de "ska" beroende på om de är vattenavstötande eller ej.(Eftersom de är små har de stor yta i förhållande till sin massa och då blir ytans inverkan mycket större än annars)

Fysikaliskt formulerat, så blir flytkraften på ett objekt större ju längre ner i vattnet det ligger. (Saker känns ju lättare när de är i vattnet än i luften.)

Det är egentligen rätt lätt att testa räknemässigt:

Flytkraften på ett objekt är
(vätskans densitet)*
(delvolymen av objektet som är i vattnet)*
gravitationskonstanten. Öka delvolymen som är i vattnet så blir flytkraften större. Ta två objekt av samma massa som hamnar olika långt ner i vattnet -> det längst ner har störst delvolym i vattnet -> det får störst flytkraft och upplevs som lättare.

Eller så kan man testa det icke-räknemässigt, såhär i badsäsongen: lyft en badkompis när denna/denne är delvis nere i vattnet. Ju längre upp din kompis kommer, desto tyngre blir hon/han.

Magnus sa...

Kul sida måste jag säga igen...

Men vet inte om jag missförståt det du har skrivit, borde det inte vara så att båda lägger sig i noderna, och skillnaden på dal och topp är beroende på "afiniteten"?

Ett annat kul experiment är ju vad händer om man stoppar ned ett hudrofilt rör i vatten som suger upp vattnet med kapilärkrafterna till cäg 30cm och man kapar av röret på 15cm? Vad händer med vattnet?

Malin Sandström sa...

Hej Magnus!

Jag är precis på väg på semester i fyra dagar ... hinner tyvärr inte formulera ett bra svar. Jag citerar istället från Nature-artikeln och hoppas att det kanske hjälper något:

"Standing wave patterns are characterized by certain points that undergo no vertical displacement (nodes). Fluid moves horizontally around the nodes, and midway between them are antinodes, where fluid moves purely vertically. Points on the fluid surface between a node and antinode move along inclined lines. Objects floating on such a wave should simply oscillate with the fluid, but an analysis of the interplay between gravity and capillarity shows that a net force acts on small particles floating between nodes and antinodes on a standing wave on a horizontal water surface (see supplementary information).

Let us compare the forces acting on a small particle in its high and low positions during the wave period (for calculations, see supplementary information). The first contribution to the net force is due to the fact that a particle placed between a node and antinode moves along a surface that is steeper nearer the node. In one half of the cycle, when the fluid surface is below the horizontal, the force acting on a particle is larger than in the other half of the cycle, when the surface is above the horizontal. As a result, there is a net force that pushes a hydrophobic particle towards the antinode, and a hydrophilic particle towards the node.

The second contribution to the force asymmetry is due to the vertical displacement of the floater. Because of inertia, the motion of a 'heavy' hydrophobic particle is retarded, whereas that of a 'light' hydrophilic particle is advanced relative to the motion of the fluid surface (as long as the wave frequency is less than the frequency of free particle oscillations — which is always the case when the wavelength is much larger than the particle size). The acceleration of the fluid surface is downwards when the fluid surface is above the horizontal, and upwards when it is below it. As a result, a hydrophobic particle is submerged to a greater depth at the lower position. Vertical displacement of a floater from its equilibrium position relative to the fluid surface produces an extra (restoring) force. This force pushes a hydrophobic particle up from its low position (and down from its high position), so that its horizontal component is directed towards an antinode. Conversely, a hydrophilic particle is submerged to a greater depth when in its higher position on the surface and the net force is towards a node."

[Nature 435, 1045-1046 (23 June 2005)]

Vad gäller röret och vattnet: min spontana tanke är att vattnet borde stanna i rörhalvorna? Jag får leta rätt på nåt att experimentera med... vet du vad som händer?

Magnus sa...

Jo, är vattenkemist ;) mot naturhållet... berättar när du är tillbaka!

De jag menar med partiklarna är att ... hmm tar de sen kanske...

Magnus sa...

Mins inte vad vi diskuterade riktigt :) men ja vattnet stannar vid rörkanten... kappilärkraften avtar med vinkeln mellan vattnet och röret.