Fråga en forskare - Teknik

Har du en fråga om teknik? Fråga en forskare!
Här nedan hittar du frågor som andra ställt, och svaren de fått.
(Vi kan inte hjälpa till med svar på skoluppgifter. Ett urval av frågorna besvaras och publiceras på dessa sidor.)

Mejla din fråga till fragaenforskare@liu.se 

Robotar spelar fotbollLiU-robotar tränar inför fotbolls-VM för robotar, Robocup. Foto: Charlotte Perhammar

I skolan har vi haft undervisning om el, bland annat serie-och parallellkoppling. En del elever har på ett prov skrivit att om man parallellkopplar batterier så används ett i taget tills det är slut och sedan nästa och nästa osv. Jag tycker det låter underligt och har trott att parallellkopplade batterier jobbar tillsammans men varar längre eftersom de fungerar tillsammans. En elev visade mig en text i denna källa, där det bland annat står att batteriernas spänning inte adderas, och att kretsen får samma spänning som det starkaste batteriet har. Hur ligger det till? / Glenn

Egentligen kan man teoretiskt sett inte parallellkoppla två batterier om de har olika polspänning. Ett 3-V batteri kan inte kopplas parallellt med ett 5-V batteri, eftersom man då bryter mot Kirchhoffs spänningslag. En tre meter hög trappa kan inte nå till samma övervåning som en fem meter hög trappa utan att det blir konstigt som i Eschermålningar.

För att parallellkoppling av batterier (spänningskällor) ska fungera måste man göra ett antagande om dess inre resistans och polspänning. Ett batteri kan enligt den så kallade tvåpolssatsen ersättas med en ekvivalent, en modell, där man antar en ideal spänningskälla i serie med ett motstånd mellan batteriets två poler.

Om den ideala spänningskällan har samma värde i båda batterierna och om de inre resistanserna är lika så arbetar de så att säga tillsammans hela tiden. I verkligheten kommer det dock uppstå skillnader i spänning och resistans på grund av de kemiska processerna i batteriet. Dessa skillnader gör att batterierna i viss mån kommer växelverka om vem som bidrar mest till den totala utspänningen, men överlag kommer de alltid bidra med en viss andel (till dess de är urladdade).

Så, det informationen från länken troligen vill antyda är just att med modellen av batteriet, så kommer det starkaste batteriet (högst spänning) diktera den kombinerade spänningen tills dess att den är svag nog att låta det andra batteriet ta över. Glappet mellan spänningarna "regleras" av den inre resistansen.

Man kan visa att den totala ekvivalenten av det kombinerade batteriet kommer ha en inre resistans som är Ri = R1 // R2 (parallellkopplade) samt en tomgångspänning/polspänning på Vi = ( V1 * R2 + V2 * R1 ) / (R1 + R2) där man matematiskt ser att de samverkar. Ju mer batteriet laddas ut, desto mer sjunker Vi, men Ri ökar också för det batteri som laddas ur snabbast. / Mvh, Jacob Wikner, biträdande professor, elektroniska kretsar och system

Jag undrar var elektronerna färdas i en ledare. Om jag inte minns fel fick jag lära mig i skolan att de fria elektronerna skulle vara betydligt fler i ytterarian när det leds ström i ledaren. Är det rätt? Eftersom det var över 30 år sedan jag gick i skolan förmodar jag att det var koppar som menades. Jag råkade nämna det för en elektriker, men han sa att det var helt felaktigt. / Gert

Båda är rätt, det beror nämligen både på frekvens och applikation. formel

Växelström har en tendens att flyta huvudsakligen på ytan av en ledare, som om det fanns en hud. Strömmen genom den tänkta huden med djupet δ orsakar ett motstånd som ökar vid höga frekvenser då det effektiva tvärsnittet minskar. Hur djupt strömmen flödar, tjockleken på huden, kan uppskattas genom formeln (se bild till höger),
där f är frekvensen, σ är ledningsförmågan och µ är den magnetiska permeabiliteten (ledningsförmågan för det magnetiska flödet) hos det ledande materialet.

Koppar är inte magnetiskt vilket betyder att µ=1.

”Hudens” tjocklek eller djup faller då med kvadratroten ut frekvensen, från 660 µm vid 10 KHz, 66 µm vid 1MHz och till 6,6 µm vid 100MHz.

För likström eller lågfrekvent växelström är det ledarens tvärsnitt som utgör motståndet för en ledare, men för högfrekvent växelström, AC, tar hudeffekten över och det är hudens djup som definierar ledarens motstånd. / Xavier Crispin, professor i organisk elektronik

'Alla' har ju 3-fasström in i husen, vilket ger flexibilitet och även drivning av billiga driftsäkra asynkronmotorer. Men varför just TRE faser? Varför inte fyra, eller fler? / Ove

Det man löser med trefas är att det inte uppstår någon pulsation i effekten. Eftersom effekt är ström gånger spänning så får man för en en-fas last en effekt som pulserar med dubbla frekvensen (cos(x)*cos(x)=1/2+cos(2x)/2). För trefasig last, då spänningar och strömmar är symmetriskt förskjutna en tredjedels period (120 grader) uppstår ingen pulsation i effekten. Vid 4-fas så uppstår inte samma symmetri i effekten, eftersom faserna parvis måste ligga 180 grader förskjutna.

Samma symmetri som vid 3-fas uppstår vid 6 faser, förskjutna en sjättedels period, men ger ett dyrare system eftersom det har dubbelt så många ledningar. Ibland gör man 6-fasiga motorer för att få ut högre effekt, strömmen fördelad på fler faser, och för att jämna ut övertoner. Mvh, Tomas Jonsson, adj. universitetsadjunkt, Institutionen för systemteknik

Jag har ett krökt aluminiumrör som jag behöver räta ut. Jag har provat i diverse "riggar" att räta ut den kallt, men det fungerar inte bra. Nu har jag läst något om att atomstrukturen i Aluminium gör att den blir hårdare vid krökningen och att detta skulle förhindra "plastisk deformation" (vad nu detta är). Vidare skulle man kunna värma materialet och sedan börja tillbaka det och låta det svalna, varefter man skulle värma upp det igen och låta det svalna. Nu lyckas jag inte hitta någon information hur mycket man måste värma för att "lösa upp" de hårda knutarna i atomstrukturen som skulle motverka en lyckad uträtning. Har ni koll? / Torbjörn

I metalliska material ligger vanligtvis atomerna ordnade i regelbundna och symmetriska kubiska strukturer. För att åstadkomma en formförändring av materialet, t.ex. vid bockning, så måste de externa krafterna som verkar på materialet först skapa och sedan förflytta defekter i materialet. Vi kallar dessa defekter dislokationer. Ju mer man bockar eller deformerar materialet desto fler dislokationer skapar man. Ju fler dislokationer man skapar desto svårare blir det dock för dessa dislokationer att förflytta sig i materialet. Lite förenklat kan man säga att dislokationer som krockar låser fast varandra och då rörligheten minskar så blir materialet hårdare. Genom att värma materialet till rätt temperatur så kan man få dessa defekter att försvinna. Materialet strävar då efter att återgå till en så perfekt atomstruktur som möjligt. Den tekniska benämningen på en sådan värmebehandling är avspänningsglödning eller anlöpning. För aluminium kan man göra detta vid lite olika temperaturer, typiskt 200–450º C beroende på legeringstyp.

Det man bör tänka på är dock att aluminium i många tillämpningar är legeringar som innehåller fler atomslag än enbart aluminium, detta då rent aluminium har väldigt låg hållfasthet. Även framställningsprocessen är anpassad för att ge så bra egenskaper som möjligt, antingen via formningsprocessen eller via en värmebehandling. En anlöpning av aluminium vid en för hög temperatur kan därför ta bort den härdning som man gärna villa ha i många aluminiumlegeringar. För att få ett så bra resultat som möjligt så måste man därför ibland anpassa både uppvärmnings- och av svalningshastighet samt värmebehandlingstemperatur till den aktuella legeringen. För vissa legeringar kan man även behöva återställa härdningen med en efterföljande värmebehandling, man talar då om att åldra legeringar.

Om man har en aluminiumlegering utan alltför höga krav på bra hållfasthet utan har valt aluminium för bra korrosionsmotstånd så kan man dock prova sig fram vid temperaturer kring 250º C. / Johan Moverare, professor i konstruktionsmaterial

Jag har en stegräknare som bygger på en induktiv sensor och skulle vilja veta hur den fungerar. Beror registreringen på lägesförändringen? /Marianne

Stegräknare använder sig av accelerometrar. En accelerometer mäter acceleration i en viss riktning. Tyngdaccelerationen (9.81 m/s2 i Sverige) dominerar, och kan användas för att hitta vertikalriktningen, t ex för att bestämma lutningen på en surfplatta. Detta förutsätter att man har tre vinkelrätt monterade accelerometrar. Sådana finns i många tekniska prylar idag, i form av mycket billiga och små kretsar. En stegräknare använder principen att kroppen pendlar upp och ner och fram och tillbaka när man går. Figuren visar ett exempel på två vinkelrätt monterade accelerometrar, där den blåa kurvan visar vertikal acceleration och den gröna i "framåt"-riktningen. Båda oscillerar regelbundet för varje steg man tar, och de röda ringarna visar ett exempel på hur en stegräknare automatiskt känner igen ett steg.Stegcykeln saknas när man cyklar. Man kan också enkelt lura en stegräknare genom att lugnt knacka på den med ungefär samma frekvens som man går. / Fredrik Gustafsson, professor i reglerteknik

Varför har diesel, bensin och etanol olika bränsleförbrukningar trots att de vid olika testtillfällen drivit identiska bilar?

Under förutsättning att körsätt, luftmotstånd, vikt etc är identiskt så beror bränsleförbrukningen främst på två faktorer: 1: Drivsystemets verkningsgrad, dvs hur många procent av energin i bränslet som tillgodogörs som mekanisk energi vid hjulen. 2: Energitätheten hos bränslet, mätt per volymsenhet (t.ex. MJ/l).

Båda dessa faktorer talar till dieselns fördel, eftersom en diselmotor typiskt har över 40% verkningsgrad jämfört med en Otto-motor (dvs en sådan som sitter i våra bensin- och etanolbilar) som ligger ca 10 procentenheter lägre. Diesel har dessutom högre energitäthet, ca 39 MJ/l än både bensin (35 MJ/l)och etanol (22 MJ/l). Du får alltså ca 10% mer energi för din slant när du tankar diesel jämfört med samma volym bensin trots att dieseln oftast är lite billigare. Tankar du etanol får du endast ca 55% av energin hos samma mängd diesel eller ca drygt 60% av energin jämfört med samma mängd bensin vilket motiverar det mycket lägre etanolpriset.

Dieselbilars låga förbrukning beror alltså mest på den bättre verkningsgraden hos motorn, medan skillnaden mellan etanol och bensin främst beror på skillnaden i energitäthet hos bränslet.

Skälet till att en dieselmotor har bättre verkningsgrad beror på att förbränningstemperaturen är högre, eftersom det finns ett direkt termodynamiskt samband mellan verkningsgrad och temperatur hos s.k. värmemaskiner till vilka dessa motorer räknas. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Hur hög är luftfuktigheten i ett passagerarflygplans lastrum vid utetemperatur ca -40 grader?

Lastrummet i ett flygplan är en del av tryckkabinen och har oftast samma temperatur som inne i passagerarutrymmet, men kan även vara lägre. Den relativa luftfuktigheten i kabinen är låg, ca 10% och värdet i lastutrymmet blir då densamma om temperaturen är samma. Om temperaturen i lastrummet är lägre blir den relativa fuktigheten högre trots att det absoluta vatteninnehållet är samma (relativ luftfuktighet anger mängden vattenånga i förhållande till den maximala mängden som luften kan hålla vid en viss temperatur, och ökar därför när temperaturen sjunker eftersom kall luft ej kan innehålla så mycket vattenånga). Skälet till att luften inne i ett flygplan är så torr är att vatteninnehållet i atmosfären utanför är lågt på grund av den låga temperaturen. På webbplatsen Cactus 2000 finns en kalkylator där man kan beräkna hur luftfuktighet, angiven på olika sätt, varierar beroende av tryck och temperaturen. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Hur kan det bildas vätgas i kärnkraftverken (Japan) vilket har lett till explosioner? Vart kommer vätgasen ifrån?

Vätet kommer från en reaktion mellan vatten och grundämnet zirkonium som ingår i det material som omsluter kärnbränslet i härden. Vid hög temperatur bildas väte enligt formeln: Zr+2H2O->ZrO2+2H2

Det kan ju tyckas märkligt att man väljer ett material som kan alstrar explosivt väte för detta ändamål. Skälet till att detta material används i de rör som omsluter kärnbränslet är att zirkonium har hög genomsläpplighet för neutroner, vilket är viktigt för denna tillämpning. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Varför används växelspänning/växelström istället för likspänning/likström i våra vägguttag?

Fördelen med växelström är att man lätt kan ändra spänningen i en transformator. Detta är mycket viktigt, eftersom det krävs hög spänning för att få låga förluster när elkraften distribueras över långa avstånd. I våra hem vill vi däremot ha relativt låg spänning både av säkerhetsskäl, och för att det är enklare att isolera ledare med lägre spänning. Att växelspänningen är lätt att transformera utnyttjas ju också i diverse elektronikapparater som internt kräver andra spänningar än nätspänningen. Skälet till att bara växelström fungerar i en transformator är att den till skillnad från likströmmen alstrar ett tidsvarierande magnetfält i transformatorns primärlindning (dvs. på ingångssidan) som i sin tur genom induktion alstrar en ström i transformatorns sekundärlindning (utgångssidan). Förhållandet mellan spänningen på transformatorns ut respektive ingång erhålls som förhållandet mellan antal lindningar på respektive sida. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Kan en operasångerska få ett glas att spricka bara med hjälp av sin röst?

Att ljud med hög nivå och med en frekvens som svarar mot glasets resonansfrekvens kan splittra ett glas är inte konstigt. Varje mekanisk konstruktion har en serie frekvenser som den naturligt svänger med, och om man påverkar konstruktionen med en kraft som varierar med motsvarande frekvens så tillförs successivt mer energi till den mekaniska svängningen hos konstruktionen vilket kan leda till kollaps. 

Ifall det är möjligt för en människa att sjunga med tillräckligt hög intensitet vid rätt frekvens för att spräcka ett glas har varit omtvistat, men "Mythbusters" på Discovery channel har testat denna myt och visat att det är möjligt.

Svaret är alltså "Ja, det går”. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Jag läste någonstans att volframtråden i glödlampor är spiraliserad för att minska värmeavledningen till gasen runt om. Hur fungerar detta?

Det stämmer bra att utformningen av glödtråden görs för att förhindra värmeavledning. I en glödlampa vill man ju ha så hög temperatur som möjligt, eftersom en högre temperatur gör att en större del av den tillförda energin blir till synligt ljus. Den elektriska effekt som lampan drar beror enbart på trådens motstånd eftersom P=V^2/R, där R är motstånd, V spänning och P effekt. Använder man en grov tråd måste den göras väldigt lång, vilket ger stor värmeavgivande yta och därför lägre temperatur. Använder man istället en tunn tråd så blir den kort med liten värmeförlust och hög temperatur, men blir den för tunn så brinner den av tidigt eftersom metall hela tiden förgasas vi den höga temperaturen. Genom att spiralisera tråden först en gång, och sedan linda den redan spirlaiserade tråden i en ny spiral åstadkommer man låg värmeförlust till den omgivande gasen utan att tråden behöver göras alltför tunn. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Varför är etanol och metanol mer miljövänliga än bensin? Båda innehåller ju kolatomer.

Skillnaden ligger i att etanolen och metanolen är bio-bränslen, dvs. de har framställts ur nyligen växande biomassa som tog upp samma mängd koldioxid ur atmosfären när de bildades som sedan släpps ut när dess kolatomer förenas med syre i bilmotorn. Detta kretslopp medför att förbränning av biobränsle inte ger något nettotillskott av koldioxid. 

Bensin däremot är ett fossilt bränsle, vilket även det ursprungligen kommer från biomassa, men dessa växter levde för många miljoner år sedan så här har vi inget kretslopp utan det kommer att handla om ett nettotillskott av koldioxid vilket inte är bra! / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Då en fusionsreaktor inte kan köras ett par minuter åt gången, är det då möjligt att lagra den energin som skapas för senare bruk?

Den mest realistiska vägen att alstra energi från en fusionsreaktor är att helt enkelt koka vatten med hjälp av den värme som alstras av de snabba neutroner som bildas och bromsas upp i reaktorns väggar. 

Vad gäller själva fusionsreaktionen så kan den tänkas ske på två sätt, antingen i ett plasma (joniserad gas) som hålls instängd med hjälp av magnetfält (magnetic confinement), eller genom att beskjuta små vätekulor med starka lasrar (inertial confinement). Av dessa tekniker svarar den magnetiska inneslutningen för största delen av dagens forskning. Med magnetisk inneslutning finns ingen direkt fysikalisk gräns för hur länge plasmat kan "brinna", även om de experiment som görs nu är i form av pulser. Den laserbaserade metoden är ju "pulsad" till sin natur så jag antar att man tänker sig tätt följande pulser i en energiproducerande reaktor. 

Man får komma ihåg att dagens experiment bedrivs för att studera processerna i sig, och att en kommersiell reaktor ligger långt fram i tiden, många decennier. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Hur kommer det sig att ägg klarar så mycket mer tryck "uppifrån" än från sidorna?

Ett ägg visar sig var en sinnrik mekanisk konstruktion, som utnyttjar samma principer som arkitekter när de bygger valvbågar. Äggskalet kan, liksom sten, motstå mycket starka kompressionskrafter medan det är känsligt för dragspänningar. I en valvbåge kommer gravitationskraften att ge upphov till kompressionskrafter vilket gör den tålig. Den spetsiga sidan på ägget har just formen av en valvbåge, och är alltså mycket tålig mot tryck som är riktat från spetsen. På Wikipedia kan du läsa om valvbåge. / Ragnar Erlandsson, professor i fysik

Forskning - TeknikVisa/dölj innehåll

Fortsätt frågaVisa/dölj innehåll