Forsinket lysglimt ved stenslag – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Forsinket lysglimt ved...

25. september 2008

Forsinket lysglimt ved stenslag

Hej Malte Olsen
Vedr. et spørgsmål om lyset. Når jeg videooptager et sammenstød mellem to sten (og der opstår et lysglimt), ser det ud som om glimtet opstår måske 1/10 sekund efter sammenstødet, og jeg har spurgt om det kan præciseres, altså om det kan beregnes?

Med venlig hilsen
K S 

Når der kommer lys fra primitive lysgivere, er der altid tale om, at der udvikles varme. Et legeme som opvarmes bliver glødende, ved ca. 600 grader er det mørkerødt og bliver så ved yderligere opvarmning lysere og lysere samtidigt med at lyset bliver mere gulligt.

Max Planck

Ved ca. 6000 grader som på soloverfladen er lyset gulhvidt, det har maksimum i gult ved en bølgelængde omkring 580 nm (n = nano = 10-9 m). 

Strålingen beskrives af en lov der blev opstillet af Max Planck publiceret i 1901(1858 - 1947, Nobelpris 1918) og som indeholder en række kendte love bl.a. en lov der hedder Wiens forskydningslov  fra 1893 (Wilhelm Wien 1864 - 1928, nobelpris i 1911). Den siger, at maksimumsbølgelængden for stråling op i temperaturen er konstant dvs. T/λ = konstant hvor T er den absolutte temperatur dvs. celcius temperaturen + 273 grader (fra 1742 efter Anders Celcius 1701 - 1744) og λ er bølgelængden.

Det betyder, at des højere temperatur en flade har, des mere går maksimum imod blå (samtidigt bliver den udstrålede effekt større som T4 ifølge plancks strålingslov).

Wilhelm Wien

Opvarmning kan opnås på flere måder. Den almindeligste historisk er en forbrænding dvs. at kulstof (træ, kul etc.) opvarmes til en antændelsestemperatur, hvorefter den kemiske reaktion med luftens ilt skaber synligt lys og varme, det vi normalt kalder flammer eller forbrænding.

Andre stoffer kan også iltes i luft f.eks.  findelt jern (trolluld, eller ståluld brænder, dog går det bedst i mere iltrig atmosfære, magnesiumuld brænder i luft). Systemet udnyttes også i lighter sten:  Jern: 19%, Cerium: 38%, Lanthan: 22%, Neodym: 4%, Praseodym: 4%, Magnesium: 4%. Når den gnides imod en fil (det roterende stålhjul), dannes der fine partikler, som opvarmes ved gnidningen, ilter og gløder ved flere hundrede graders celcius.

Resterne er helt kugleformige ilter af metallerne. Dette er en efterfølgeren til flintelåsen til geværer og pistoler, som blev brugt for nogen hundrede år siden. Her slog låsen ved tryk på aftrækkeren et stykke flint ind imod enten svovlkis eller normalt jern, anslaget slog et lille korn jern fri og energien opvarmede det samtidigt med, så det kunne reagerer med luftens ilt og blive glødende, denne glød antændte fængkrudtet.

Et simpelt slag kan også fremkalde store mængder af varme

Kampvogne skyder imod kampvogne med en 3 - 5 kilograms stålpind med wolframspids, i stedet for en normalt meget tungere granat, hastigheden bliver derfor større og er normalt over 1000 m/s. Energien bliver så i størrelsesordenen, som er stor nok til at opvarme 3-5 kg jern til smeltepunktet, og det er præcis, hvad der sker. Der smeltes et lille hul igennem siden af kampvognen og resterne slynges ind i vognen. De små panservåben som skydes fra skulderen, anvender samme princip, her slynger en hul sprængladning med en 0,3 - 0,5 kg kobberbeklædning på forsiden kobberet frem med omkring 5-7 km/s (den såkaldte munroe effekt , 1888, Charles E Munroe 1849 - 1936), energien er noget større end stålstangen ovenfor, resultatet hvis der ikke er særlige forholdsregler på målet det samme. I begge tilfælde opnås en meget høj temperatur ved et stød.

Endeligt kan man opnå en høj temperatur ved en hurtig (såkaldt adiabatisk) sammenpresning af luft. Den skal være så hurtig, at omgivelserne ikke når at blive opvarmet. Det benyttes f.eks. i dieselmotorer, er kompressionen f.eks. 1:16 (rumfanget gøres 16 gange mindre) opnås en temperatur på omkring 900 K fra stuetemperatur, er kompressionsforholdet i stedet 24 fås 1100 K. Begge vil gøre luftarten lysende. Når den fungerer som motor sprøjtes dieselolien så ind på det rette tidspunkt, og eksplosionen i cylinderen fremkaldes så af blandingen af den kraftigt opvarmede luft og dieselolien.

En del moderne lightere og gastændere tændes ved at trykke på passende mineraler, som kan frembringe spændinger, såkaldt piezoelektricitet (det der bruges kan f.eks.  være blyzirkonattitanat, en lang række mere almindelige krystaller har effekten i varierende grad f.eks. tourmalin, kvarts, visse sukkertyper). Når der klemmes på krystallen springer de en gnist, som også opvarmer luften omkring sig, så den bliver lysende.  Der er tale om spændingsforskelle på tusinder af volt.

Hvad sker der så med stenene. Jeg vil tro, at det er energien i slaget, som fremkalder varme (hvis stenene ikke indeholder jern eller svovlkis, og ikke er piezoelektriske) så et meget lille område optager al bevægelsesenergien, når stenene rammer hinanden, og derfor lyser op og måske lokalt opvarmer luften lige i nærheden. Det at få opvarmet luften lokalt tager en lille smule tid, og skulle så være forsinkelsen, men det vil kræve omfattende eksperimenter at klarlægge den sammenhæng med sikkerhed, og det kan ikke gøres i denne spalte. Det kan ikke beregnes præcist uden udførsel af forsøg i laboratoriet.

Med venlig hilsen
Malte Olsen