Fiskefysik

För ett tag sedan förekom en diskussion här på torget om flöten och deras känslighet. Ofta resulterar dessa diskussioner i de mest fantastiska teorier om både det ena och det andra. Jag ska försöka, att på ett enkelt sätt, förklara några av de fysiska fenomen som påverkar vårat flöte när vi fiskar och vi börjar med,

Varför flyter flötet?

Förklaringen till varför flötet flyter ligger i den gamla men ack så välkända Arkimedes princip. Denna lyder;

”En kropp som är helt eller delvis nedsänkt i en vätska, påverkas av en lyftkraft som är lika stor som den undanträngda vätskans tyngd”

Jag hoppar över de mest grundläggande ”bevisningarna” och går direkt på flötena. Om vi har två identiska flöten, där det ena har en plastantenn (röd antenn i figuren) och det andra har en metallantenn (grå antenn i figuren) och ”släpper” ned dessa i vatten så kommer de att flyta ungefär som i figuren nedan.

Flötena kommer att inta ett jämviktsläge där lyftkraften från vattnet är lika stor som gravitationen. Om någon av krafterna skulle vara större än den andra så skulle flötet röra sig i riktningen med den största kraften. Att flötet med metallantennen flyter djupare beror på att det väger lite mera i förhållande till sin volym. För att kompensera för den större densiteten måste flötet tränga undan mera vätska för att uppnå jämvikten. En förutsättning för att flötet ska flyta över huvud taget är givetvis att dess densitet är lägre än vattnets. Att en specifik del av flötet har större densitet än vattnet spelar ingen roll, då det är hela flötets densitet som räknas.

Vi går nu vidare och ”blyar” våra flöten så att bara antennen sticker upp. Flötet med metallantenn kommer att kräva en mindre andel bly för att nå det önskade läget. Vi har nu ett nytt jämviktsläge enligt figuren nedan.

Vad krävs det nu för att ”sänka” flötet med plastantennen? Jo, vi måste lägga på en tyngd på linan som motsvarar tyngden av den volym vatten som antennen ska tränga undan. Vad krävs då för flötet med metallantennen? Jo, vi måste även där lägga på en tyngd på linan som motsvarar tyngden av den volym vatten som antennen ska tränga undan, och då antennerna tränger undan lika volym så kommer det att krävas lika tyngd. Detta är ett av de motstånd fisken känner när den drar flötet under vattnet. Vad kan vi nu dra för slutsatser av detta resonemang? Jo, det är uppenbart att antennmaterialet är av underordnad betydelse för flötets känslighet men att antennens volym och därmed form är helt avgörande. En cylindrisk antenn kommer att erbjuda samma ”motståndsökning per underdragen centimeter” emedan en konisk antenn kommer erbjuda en ”minskande motståndsökning per underdragen centimeter”. Om antennernas volym är identisk kommer det totala motståndet att bli identiskt men ”vägen dit” kommer att vara lite annorlunda.

Om nu allt här i världen vore så enkelt som man önskar så skulle det räcka med Arkimedes men tyvärr, så är inte fallet. Farbror Newton vill även han vara med och fiska. Med sig i spöbagen har han sin tröghetslag. Nu kommer det att bli lite formler, men avskräcks inte av detta.

Newtons tröghetslag lyder;

”En kropp förblir i vila eller i likformig rörelse om den inte på grund av en yttre kraft tvingas att ändra sitt rörelsetillstånd”

och rent matematiskt skrivs detta som;

där,

F = kraften som krävs för att flytta flötet

m = massan (flötets vikt)

a = accelerationen (hastighetsförändringen)

Vad är nu detta? Inte nog med att vi måste använda en viss kraft för att få flötet under vattnet på grund av lyftkraften, vi måste använda en kraft bara för att få flötet att röra sig. Om vi tittar lite på formeln så inser vi snabbt att om a och/eller m är litet så blir kraften, F, liten. Vad kan vi påverka? Jo, m. Genom att använda ett lätt flöte, så kan vi minska kraften som fisken måste använda för att dra det under ytan. Det är nu inte bara flötets vikt som räknas utan vikten på allt som fisken måste flytta på, dvs hela ”riggen”. Accelerationen, a, kan vi inte göra mycket åt, den biten får fisken stå för men det intressanta är att;

Om fisken nappar väldigt försiktigt så kommer hastighetsförändringen att vara liten och fisken behöver använda mindre kraft för att dra under flötet.

Nu kommer vän av ordning och säger att Newton påstår ju att en kropp förblir i vila eller i likformig rörelse om den inte på grund av en yttre kraft tvingas att ändra sitt rörelsetillstånd då måste det finnas någon kraft som ”bromsar upp flötets rörelse” och visst är det så. Förutom lyftkraften som hela tiden vill ”lyfta upp” flötet till ytan så uppstår det en kraft på grund av rörelsen mellan vatten och flöte, låt oss kalla detta för ”vattenmotståndet”. Detta motstånd uppstår på grund av att vattenmolekylerna närmast flötet vill ”hänga med flötet” och de som är lite längre ifrån vill ”hänga med vattnet”. Vi tvingar helt enkelt vattenmolekylerna att röra sig i förhållande till varandra. Området där dessa rörelser pågår kallas för gränsskikt. Hur tungt det går för vattenmolekylerna att röra sig i förhållande till varandra beror av vattnets viskositet. Viskositet som vardagligt förknippas med ”trögflutenhet” är i fysikalisk mening ett mått på ”hur tungt det går för molekylerna att röra sig i förhållande till varandra”. På experimentell väg har forskare visat att ”vattenmotståndet” beror av flötets storlek, den relativa hastigheten mellan flöte och vatten och vattnets viskositet (forskarna har naturligtvis inte använt flöten i sina experiment). Ett matematiskt uttryck för detta fenomen är;

där,

F = ”vattenmotståndet” som måste övervinnas för att flötet ska röra sig

A = Ytan som flötet ”visar” mot rörelseriktningen

r = Vattnets densitet

v² = Flötets hastighet (relativt det omkringliggande vattnet) i ”kvadrat” (kvadrat innebär att man multiplicerar hastigheten med sig själv dvs. v² = v * v)

C = ”motstånds koefficient” ett tal som bestäms av flötets form, flötets ytfinhet och ett tal som heter Reynolds tal. Reynolds tal brukar användas för att ”karakterisera” strömningen (laminär eller turbulent) och beror i sin tur på flötets form, den relativa hastigheten mellan flöte och vatten och vattnets densitet.

Som ni nu märker, blev det lite krångligare. Faktiskt så krångligt att koefficienten C inte kan beräknas på något enkelt sätt. Den brukar ofta bestämmas på experimentell väg. Men om vi tittar lite på formeln så ser vi att det finns några saker vi kan påverka. Genom att använda ett ”strömlinjeformat” flöte med en fin yta så kan vi minska motståndet. Ett sätt att ”minimera” parametern, A, skulle kunna vara att använda en ”tesse” variant av flöte, som har en mycket liten ”yta” i rörelseriktningen men, (ständigt dessa men) detta kommer att ge ”bakslag” i form av ett ökande C, då flötets längd påverkar Reynolds tal i ”negativ” riktning. Som ni kanske förstår är detta inte helt enkelt och inte behäftat med de självklarheter som i fallen med Arkimedes och Newton. Det som åter igen framstår som en intressant faktor är farten. Är farten noll, blir motståndet noll, vilket då ger oss att;

Nappar fisken ”långsamt” blir motståndet som fisken måste övervinna litet.

Det resonemang som förts ovan har endast koncentrerats till de krafter som inverkar då vi drar ned flötet under vattnet. Nu är det inte bara detta som man måste ta hänsyn till vid val av flöte. Ström och vindförhållanden spelar stor roll, och genom att variera materialvalen i flötets olika delar kan vi förflytta flötets tyngdpunkt för att på så sätt ge flötet önskade egenskaper i fråga om stabilitet och ”beteende”.

Det jag inte nämnt något om är ytspänningen. Ytspänningen får stor inverkan om vi använder lätta flöten. Ytspänningen kan definieras som;

”Den energi man behöver för att öka vätskans gränsyta till ett annat medium”

Utifrån denna definition ska jag försöka att ge mig på ytspänningen ur en ”energi” synvinkel.

Allt i universum strävar efter att inta ett så lågt energitillstånd som möjligt (då jag inte gillar att trotsa naturlagarna i någon större omfattning, brukar jag försöka att sansa mig och tillbringa lite tid på ”rygg i soffan”, då detta är helt naturligt). Alla fria ytor kan tillskrivas en viss mängd energi. ”Ytorna” försöker att minska sin energi genom att hitta ett tillstånd som ger en lägre energi. Detta kan ske på olika sätt (egentligen bara på ett sätt, nämligen det som ger lägst energi). Om vi droppar lite vatten på en fet yta så kommer vattnet att dra ihop sig till en droppe. ”Klotformen” är nämligen den form som ger mest volym i förhållandet till ytan och dessutom så tycker inte vattnet om den feta ytan och ”ödslar” således ingen energi på att ”bli vän med ytan”. Detta kan också förklaras som att, de krafter som ”håller ihop” vattnet (kohesion) är större än de krafter som vill ”väta ytan” (adhesion). Om vi droppar vatten på en ”icke fet” yta, kommer vattnet att minska sin energi genom att flyta ut på ytan (väta). I det fallet minskar vattnet sin fria yta genom att ”dela lite med den andra ytan” dvs den väter ytan. Ur kraftsynpunkt blir då adhesionen starkare än kohesionen och vattnet intar ett jämviktsläge där de är lika stora. Vad får nu allt detta för effekt på vårat flöte? Jo, om vattnet kan vinna energi (inta ett lägre energitillstånd) på att ”väta” flötet så kommer det att göra så och fisken behöver inte ”putta till” den energi som krävs för att ”övervinna” vätningen.

För att minska effekterna av ytspänningen på flötet, kan flötestillverkarna använda sig av färger som är lätta för vattnet att ”väta”.

Jag hoppas att jag inte rört till det allt för mycket med mina något ”ovetenskapliga” förklaringar. Förhoppningsvis har någon eller några fått svar på saker de funderat på och till sist så kanske vi kan enas om att en metall antenn inte är känsligare än en plastantenn

- Eller hur var det nu egentligen???