Sólin Sólin Rís 10:49 • sest 16:27 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 14:07 • Sest 12:38 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:20 • Síðdegis: 18:39 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:06 • Síðdegis: 12:37 í Reykjavík

Hvers vegna verður vatn eins og kúla í laginu í þyngdarleysi?

Emelía Eiríksdóttir

Hér er einnig svarað spurningunum:
  • Af hverju verður vatnsdropi sem maður lætur detta á borð alltaf kúlulaga?
  • Hvað gerist þegar vatn fer í þyngdarleysi, t.d. í geimnum?

Byrjum á að skoða vatn á vökvaformi og eiginleika þess. Milli vatnssameinda ríkja vetnistengi (e. hydrogen bonds), sem eru með sterkustu aðdráttarkröftum sem verka milli sameinda. Sameindum í vatni má gróflega skipta í tvennt, annars vegar sameindir sem eru á yfirborði vatnsins og hins vegar sameindir sem eru í meginhluta vatnsins. Ef við tökum vatn í glasi sem dæmi þá eru vatnssameindirnar í meginhluta vatnsins umluktar öðrum vatnssameindum og heildar millisameindakrafturinn sem verkar á hverja sameind þá núll. Vatnssameindirnar á yfirborði vatnsins eru hins vegar umluktar loftsameindum að ofan en vatnssameindum til hliðanna og fyrir neðan sig.

Milli vatnssameindanna og loftsameindanna eru nánast engir kraftar og því mynda vatnssameindir á yfirborðinu sterkari vetnistengi við vatnssameindirnar til hliðar við sig og fyrir neðan sig. Þessi tengi eru líka sterkari en tengin sem eru milli vatnssameindanna í meginhluta vatnsins. Sameindirnar á yfirborðinu dragast því nær hverri annarri og inn að meginhluta vatnsins. Af þessu hlýst yfirborðsspenna sem lýsir sér þannig að það er erfiðara að ýta hlut í gegnum yfirborð vatnsins heldur í gegnum meginhluta vatnsins, en vatn hefur mjög háa yfirborðsspennu miðað við aðra vökva.

Yfirborðsspenna í vökva lýsir sér oft svipað því að eins konar himna sé á yfirborði vökvans sem leitast við að draga hann saman þannig að heildaryfirborðið verði sem minnst, til dæmis í kúlulaga dropa þegar aðstæður leyfa það. Þetta stafar í rauninni af því að sameindirnar sem eru nálægt yfirborði vökvans verða fyrir aðdráttarkröftum frá öðrum sameindum innar í vökvanum en handan yfirborðsins eru engar sameindir til að vega upp á móti þessum kröftum.

Þegar um vatnsdropa er að ræða snýr heildarkraftur vetnistengjanna, sem verka á sameindir yfirborðsins, inn að miðju dropans. Það veldur því að dropinn leitast við að mynda kúlu, enda gefur það form minnsta yfirborðsflatarmálið og lægstu orkuna fyrir dropann. Hér á jörðinni verða droparnir hins vegar oft ílangir því þyngdarkraftur jarðar togar í þá. Þetta má heimfæra á alla vökva, því milli sameinda allra vökva ríkja einhverjir kraftar þó það séu oftast veikari tengi en vetnistengi.

Færum okkur þá út í geiminn. Alþjóðlega geimstöðin (e. International Space Station, ISS) hringsólar um jörðina á 7,66 km/s hraða (27.600 km/klst) í um 400 km fjarlægð frá yfirborði jarðar. Hringsólunin veldur miðflóttakrafti á geimstöðina sem ýtir geimstöðinni frá jörðu. Á sama tíma togar þyngdarkraftur jarðar geimstöðina í átt að jörðu. Á þessum hraða og fjarlægð frá jörðu eru þessir gagnstæðu kraftar nánast jafn stórir og því ríkir nær algjört þyngdarleysi í geimstöðinni, oft er talað um örþyngd (e. microgravity). Við slíkar aðstæður geta vatnsdropar orðið alveg kúlulaga. Þar er nánast enginn þyngdarkraftur og því ekkert sem togar í dropann frá neinni átt, eins og gerist á jörðu niðri. Hér má sjá stutt myndskeið af vatni svífa um í geimstöðinni: Moving Water in Space.

Vatnskúla á sveimi í þyngdarleysi í geimstöðinni. Hér má einnig sjá stutt myndskeið af svífandi vatnskúlu: Moving Water in Space.

En hvað gerist ef vatni er hent út úr geimstöðinni. Í geimnum fyrir utan geimstöðina er mjög lítill loftþrýstingur og mikill kuldi. Vatnið myndi byrja á því að sjóða vegna afar lágs loftþrýstings og mynda gufu. Gufan mundi svo frjósa og mynda ískristalla vegna kuldans. Þetta hafa geimfarar séð þegar þvagi þeirra er varpað útbyrðis. Hér má sjá myndband sem sýnir hvernig þetta gerist: What Happens to Water in Space?

Heimildir og myndir:

Höfundur

Emelía Eiríksdóttir

efnafræðingur og starfsmaður Vísindavefsins

Útgáfudagur

2.12.2021

Spyrjandi

Jóhann Jóhannsson, Jón Ingi Bergsteinsson

Tilvísun

Emelía Eiríksdóttir. „Hvers vegna verður vatn eins og kúla í laginu í þyngdarleysi? “ Vísindavefurinn, 2. desember 2021. Sótt 17. janúar 2022. http://visindavefur.is/svar.php?id=20021.

Emelía Eiríksdóttir. (2021, 2. desember). Hvers vegna verður vatn eins og kúla í laginu í þyngdarleysi? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=20021

Emelía Eiríksdóttir. „Hvers vegna verður vatn eins og kúla í laginu í þyngdarleysi? “ Vísindavefurinn. 2. des. 2021. Vefsíða. 17. jan. 2022. <http://visindavefur.is/svar.php?id=20021>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvers vegna verður vatn eins og kúla í laginu í þyngdarleysi?
Hér er einnig svarað spurningunum:

  • Af hverju verður vatnsdropi sem maður lætur detta á borð alltaf kúlulaga?
  • Hvað gerist þegar vatn fer í þyngdarleysi, t.d. í geimnum?

Byrjum á að skoða vatn á vökvaformi og eiginleika þess. Milli vatnssameinda ríkja vetnistengi (e. hydrogen bonds), sem eru með sterkustu aðdráttarkröftum sem verka milli sameinda. Sameindum í vatni má gróflega skipta í tvennt, annars vegar sameindir sem eru á yfirborði vatnsins og hins vegar sameindir sem eru í meginhluta vatnsins. Ef við tökum vatn í glasi sem dæmi þá eru vatnssameindirnar í meginhluta vatnsins umluktar öðrum vatnssameindum og heildar millisameindakrafturinn sem verkar á hverja sameind þá núll. Vatnssameindirnar á yfirborði vatnsins eru hins vegar umluktar loftsameindum að ofan en vatnssameindum til hliðanna og fyrir neðan sig.

Milli vatnssameindanna og loftsameindanna eru nánast engir kraftar og því mynda vatnssameindir á yfirborðinu sterkari vetnistengi við vatnssameindirnar til hliðar við sig og fyrir neðan sig. Þessi tengi eru líka sterkari en tengin sem eru milli vatnssameindanna í meginhluta vatnsins. Sameindirnar á yfirborðinu dragast því nær hverri annarri og inn að meginhluta vatnsins. Af þessu hlýst yfirborðsspenna sem lýsir sér þannig að það er erfiðara að ýta hlut í gegnum yfirborð vatnsins heldur í gegnum meginhluta vatnsins, en vatn hefur mjög háa yfirborðsspennu miðað við aðra vökva.

Yfirborðsspenna í vökva lýsir sér oft svipað því að eins konar himna sé á yfirborði vökvans sem leitast við að draga hann saman þannig að heildaryfirborðið verði sem minnst, til dæmis í kúlulaga dropa þegar aðstæður leyfa það. Þetta stafar í rauninni af því að sameindirnar sem eru nálægt yfirborði vökvans verða fyrir aðdráttarkröftum frá öðrum sameindum innar í vökvanum en handan yfirborðsins eru engar sameindir til að vega upp á móti þessum kröftum.

Þegar um vatnsdropa er að ræða snýr heildarkraftur vetnistengjanna, sem verka á sameindir yfirborðsins, inn að miðju dropans. Það veldur því að dropinn leitast við að mynda kúlu, enda gefur það form minnsta yfirborðsflatarmálið og lægstu orkuna fyrir dropann. Hér á jörðinni verða droparnir hins vegar oft ílangir því þyngdarkraftur jarðar togar í þá. Þetta má heimfæra á alla vökva, því milli sameinda allra vökva ríkja einhverjir kraftar þó það séu oftast veikari tengi en vetnistengi.

Færum okkur þá út í geiminn. Alþjóðlega geimstöðin (e. International Space Station, ISS) hringsólar um jörðina á 7,66 km/s hraða (27.600 km/klst) í um 400 km fjarlægð frá yfirborði jarðar. Hringsólunin veldur miðflóttakrafti á geimstöðina sem ýtir geimstöðinni frá jörðu. Á sama tíma togar þyngdarkraftur jarðar geimstöðina í átt að jörðu. Á þessum hraða og fjarlægð frá jörðu eru þessir gagnstæðu kraftar nánast jafn stórir og því ríkir nær algjört þyngdarleysi í geimstöðinni, oft er talað um örþyngd (e. microgravity). Við slíkar aðstæður geta vatnsdropar orðið alveg kúlulaga. Þar er nánast enginn þyngdarkraftur og því ekkert sem togar í dropann frá neinni átt, eins og gerist á jörðu niðri. Hér má sjá stutt myndskeið af vatni svífa um í geimstöðinni: Moving Water in Space.

Vatnskúla á sveimi í þyngdarleysi í geimstöðinni. Hér má einnig sjá stutt myndskeið af svífandi vatnskúlu: Moving Water in Space.

En hvað gerist ef vatni er hent út úr geimstöðinni. Í geimnum fyrir utan geimstöðina er mjög lítill loftþrýstingur og mikill kuldi. Vatnið myndi byrja á því að sjóða vegna afar lágs loftþrýstings og mynda gufu. Gufan mundi svo frjósa og mynda ískristalla vegna kuldans. Þetta hafa geimfarar séð þegar þvagi þeirra er varpað útbyrðis. Hér má sjá myndband sem sýnir hvernig þetta gerist: What Happens to Water in Space?

Heimildir og myndir:...