Wikijunior:Natuurkunde/Beweging

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Inleiding: Beweging in beeld

Er zijn verschillende manieren om bewegingen in beeld te brengen. Die beelden kunnen je helpen om de bewegingen goed, snel en veilig uit te voeren.

Bewegingen vastleggen

Bewegingen fotograferen

Een stuiterende bal gefotografeerd met een stroboscopische flits met 25 flitsen per seconde.

Het is vaak moeilijk te zien hoe iets beweegt. Veel snelle bewegingen kun je niet zien. Maar toch wil je weten hoe zo'n beweging verloopt. Er zijn manieren bedacht om bewegingen vast te leggen.

Bijvoorbeeld door met tussenpozen te fotograferen. Je krijgt dan een reeks foto's waarvan elke volgende foto een volgend stadium in de beweging laat zien. Als je een beweging filmt, doe je eigenlijk hetzelfde. Dan wordt de beweging ook vastgelegd in een serie beelden. Meestal zijn het 16 opnames per seconde.

Een ander manier is het maken van een stroboscopische foto. Deze foto wordt in donkere ruimtes gemaakt. Het enige licht is een stroboscooplamp. Dat is een lamp die met regelmatige tussenpozen een lichtflits geeft. De sluiter van het fototoestel staat tijdens de hele beweging open. Bij elke lichtflits, wordt op het filmpje één opname van de beweging vastgelegd, waardoor alle bewegingen op één foto terecht komen.

De afstand-tijdtabel

Je kunt een afstand-tijdtabel van een beweging maken met behulp van een stroboscopische foto. Je moet dan dit weten:

• Met welke tussenpozen worden de lichtflitsen afgegeven?
• Hoe groot zijn de afstanden op de foto in werkelijkheid?

Om gemakkelijk te kunnen bepalen hoe groot de afstanden op de foto zijn, wordt er vaak een meetlat mee gefotografeerd.

De afstand-tijddiagram

Je kunt van de tijdtabel vervolgens een tijddiagram maken. Dat noem je een afstand-tijddiagram. Afgekort (s,t)-diagram. De s staat voor de afstand, de t voor de tijd.

Die maak je zo:

1. Teken eerst een assenstelsel, met de tijd langs de horizontale as en de afstand langs de verticale as.
2. Teken de gegevens uit de tabel in het diagram als punten.
3. Teken een lijn die zo goed mogelijk bij de meetpunten aansluit.

Je kunt met zo'n diagram bij elk tijdstip de bijbehorende afstand lezen. En natuurlijk kan dat ook andersom.

Versnellen, eenparig en vertragen

Versnellen, eenparig en vertragen

Stel, je zit in een auto voor een verkeerslicht. Als het licht op groen springt, gaat de auto rijden. De snelheid wordt steeds hoger. Dat noem je een versnelde beweging.

Als de auto met dezelfde snelheid doorrijdt, noem je dat een eenparige beweging.

Oei, een verkeerslicht. Hij staat op rood. Je moet stoppen. De snelheid wordt steeds kleiner. Dat noem je een vertraagde beweging.

Een tijdtikker

Een tijdtikker is een klein machientje dat met regelmatige tussenpozen een stip zet op een bewegende strook papier.

Als je een speelgoedautootje met tikkerstrook erachter naar beneden laat rijden, komen er stippen op. Je kunt dan zien dat de snelheid toeneemt: de beweging van het autootje is versneld. De afstand tussen de stippen wordt namelijk steeds groter.

Proef: De tijdtikker
Benodigdheden: tijdtikker, voedingskastje, drukschakelaar, liniaal, 2 meter tikkerband, 3 snoeren Sluit de tijdtikker via de schakelaar aan op het voedingskastje en leg een strook tikkerband van 1 meter in het apparaat. Zet de tijdtikker in werking. Trek de strook er zo snel mogelijk uit, maar zorg ervoor dat de tijdtikker niet kapotgaat! Zet de tijdtikker dan meteen uit. Dan doe je de proef nog een keer met de andere meter van het tikkerband, alleen trek je de strook er nu langzaam uit.
Wat heb ik geleerd:

Kracht en beweging

Tegenwerkende krachten

Als je fietst, beweeg je door de lucht heen. Dan moet je de lucht eigenlijk opzij duwen. De tegenwerkende kracht die zo ontstaat, noem je luchtweerstand. Die kun je verminderen door jezelf en de fiets te stroomlijnen.

Als je fietst, vervormen je banden en soms ook de ondergrond waarop je rijdt. Daardoor krijg je een tegenwerkende kracht. Dat noem je rolweerstand. Dat merk je heel goed op een hobbelige weg of wanneer je door mul zand rijdt of als je banden zacht zijn.

De rolweerstand kun je verminderen door je banden op te pompen en op een harde, vlakke ondergrond te rijden.

Het verminderen van tegenwerkende krachten

Het is op aarde niet mogelijk om tegenwerkende kracht helemaal te laten verdwijnen. Wel kun je ze heel klein maken. Bijvoorbeeld door een bewegend voorwerp te laten zweven op een dun laagje lucht, dat kan met een luchtkussenbaan. Als je een voorwerp op een luchtkussenbaan een zetje geeft, beweegt het met een bijna eenparige beweging. Het wordt bijna niet afgeremd.

Uit deze en soortgelijke proefjes blijkt dat er geen krachten nodig zijn om te blijven bewegen, als er maar geen tegenwerkende krachten zijn. In de ruimte is er geen luchtweerstand. Daardoor blijft een satelliet steeds meer rondcirkelen als hij eenmaal in een baan rond de aarde is.

Voortstuwende en tegenwerkende krachten

Op de aarde heb je altijd wel met tegenwerkende krachten te maken. Om te blijven bewegen is er daarom altijd een voortstuwende kracht nodig. Anders doen de tegenwerkende krachten de beweging na verloop van tijd ophouden. Als je fietst, wordt de voortstuwende kracht door je spieren geleverd.

Als de voortstuwende krachten even groot zijn als de tegenwerkende krachten, is de beweging eenparig. In dat geval is er geen nettokracht. Wanneer je met een constante snelheid fietst, moet je precies hard genoeg trappen om alle tegenwerkende krachten te compenseren.

Als de voortstuwende krachten groter zijn dan de tegenwerkende krachten, is de beweging versneld. In dat geval werkt de nettokracht in de richting van de beweging.

Als de voortstuwende krachten kleiner zijn dan de tegenwerkende krachten, is de beweging vertraagd. In dat geval werkt de nettokracht tegen de bewegingsrichting in.

Bijvoorbeeld als je remt met je fiets. Door in de handremmen te knijpen, maak je de tegenwerkende krachten groter. Tegelijk houd je op met trappen, zodat de voortstuwende krachten verdwijnen.

Remmen en botsen

De remweg

Rem.

Als het rempedaal van een auto wordt ingetrapt, wordt de beweging van de auto vertraagd. Tijdens die vertraagde beweging legt de auto nog wel een bepaalde afstand af. Die afstand heet de remweg. De remweg is afhankelijk van:

1. De beginsnelheid. Dat is de snelheid op het moment dat de auto begint te remmen. Hoe groter de beginsnelheid, hoe langer de remweg.
2. De massa van de auto. Hoe groter de massa, hoe langer de remweg. Als een vrachtwagen volgeladen is, heeft hij een langere remweg dan als hij leeg is.
3. De remkracht. Hoe harder je op het rempedaal trapt, hoe groter de remkracht en kleiner de remweg. Alleen, trap niet te hard op de rem, want dan slip je.

Proef: De remweg van een fiets
Benodigdheden: Een fiets met handremmen, meetlint, stopwatch, 2 houten blokjes, touw, pen en papier vriend Maak de blokjes vast onderop je stuur en boven de handremmen met touw, zodat je de remmen niet volledig vast kan knijpen. Ga op je fiets zitten en rij met een constante snelheid over een stille weg van ongeveer 10 meter. Laat je vriend de tijd meten waarin je de 10 meter aflegt. Als je de 10 meter hebt afgelegd, rem dan gelijk met de handremmen en laat je vriend de remweg meten. Noteer dat op een papier. Doe deze proef drie keer. Eén keer als je langzaam rijdt, één keer op je normale snelheid en één keer zo snel als je kan. Als je dit gedaan hebt, neem dan iemand achterop je fiets. De remweg wordt groter, maar hoeveel?
Wat heb ik geleerd:

De reactietijd

Als een automobilist ziet dat er een kind voor zijn auto loopt, zal hij afremmen. Maar hij reageert niet op hetzelfde moment dat hij het kind ziet. Het duurt altijd even voor hij het rempedaal intrapt. De tijd tussen zien en reageren noem je de reactietijd.

De reactietijd is normaal ongeveer 0,85 seconden. Maar als je niet oplet of vermoeid bent, reageer je een stuk langzamer. Het gebruik van alcohol en drugs kan de reactietijd ook langer maken.

De totale afstand die een auto nodig hebt om te stoppen, is dus groter dan alleen de remweg. Je moet ook de afstand meerekenen die de auto tijdens de reactietijd aflegt. Dat noem je de reactieafstand. Voor de totale stopafstand geldt:

Proef: Jouw reactietijd
Benodigdheden: Liniaal van 30 centimeter, vriend Laat je vriend de liniaal boven vasthouden en jij houdt je duim en je wijsvinger rond het 0-streepje. Dan laat je vriend ineens de liniaal los. Als dat gebeurt, probeer hem dan zo snel mogelijk tussen duim en wijsvinger vast te pakken. De valafstand kun je op de liniaal aflezen.
Wat heb ik geleerd:

Remweg en remkracht

Gecrashte auto.

Als een auto ergens tegenaan botst, staat hij bijna altijd (PATS-BOEM) stil. De remweg bij een botsing is heel kort. De afremmende krachten zijn dan erg groot. Dat geldt ook voor de krachten die werken op iedereen die in de auto zit.

De krachten op de inzittenden moeten uiteraard zo klein mogelijk blijven. Daarom wordt ervoor gezorgd, dat de remweg voor de mensen zo lang mogelijk is.

• Auto's worden zo gebouwd, dat bij een botsing de complete voorkant in elkaar schuift. Dat noem je de kreukelzone. Daardoor wordt de remweg die de mensen afleggen langer. Bovendien wordt veel van de bewegingsenergie omgezet in de deformatie (vervorming) van de kreukelzone, zodat minder energie overblijft dat zich op de inzittenden uitwerkt.
• In een auto zitten meestal gordels. Die zorgen ervoor dat de inzittenden tegelijk met de auto afremmen. Bovendien rekken de gordels een eindje uit als de auto botst. Daardoor wordt de remweg ook langer. Het belangrijkste effect echter is dat een (inelastische) botsing met het stuur of de voorruit door de gordels wordt voorkomen.
• Een airbag verkort de remweg weer, maar zorgt ervoor dat er geen verwondingen ontstaan.

De helm

Als je op een brommer of motor rijdt, is een veiligheidshelm wettelijk verplicht en ook veilig. Daarmee kunnen de gevolgen van een botsing of een crash heel erg beperkt worden. De helm is van buiten gemaakt van een hard en sterk materiaal, waardoor de krachten over het hele hoofd worden verdeeld.

De binnenkant van de helm is gemaakt van zacht en schokdempend materiaal, wat dezelfde functie heeft als de kreukelzone van auto’s. De remweg wordt verlengd en de botskracht verminderd. Maar als een helm een harde klap krijgt, deukt hij in. De volgende klap kan hij dan niet meer goed opvangen en dan moet je dus een nieuwe kopen.

Voortstuwende en tegenwerkende krachten

In het heelal en op aarde

De Voyager-2 is een onbemand ruimtevaartuig die een reis heeft gemaakt langs de grote planeten van ons zonnestelsel. Het zal steeds verder van de zon afreizen. Uiteindelijk zal hij verdwijnen in het heelal op een reis die nooit zal eindigen.

In de ruimte zijn geen wrijvingskrachten die het ruimtevaartuig kunnen afremmen. Na de lancering beweegt het ‘vanzelf’ verder. Hij heeft nu miljarden kilometers afgelegd, terwijl hij niet door een raketmotor is voortgestuwd!

Op aarde is dit anders. Daar zijn wel tegenwerkende krachten. Voorbeeld: je fietst. Je moet de hele tijd trappen om te blijven rijden. Als je stopt met trappen, zul je al snel stilstaan. Je fiets is tot stilstand gebracht door de tegenwerkende krachten.

Voortstuwende en tegenwerkende krachten

Er zijn heel veel tegenwerkende krachten.

• luchtwrijving. Hiermee krijgen vliegtuigen te maken, als ze vliegen. De lucht moet ‘

opzij worden geduwd’.

• rolwrijving. Hiermee krijgen auto’s te maken doordat de banden tijdens het rijden van vorm veranderen. Hoe groter de vervorming, hoe groter de weerstand.

Vliegtuigen en auto’s blijven bewegen als er een voortstuwende kracht op ze uitgeoefend wordt. Ze worden geleverd door motoren.

Een voorwerp dat beweegt als de resultante 0 N is

Als de resultante (nettokracht) van echt alle krachten 0 N is, is het voorwerp in rust of het beweegt met een constante snelheid langs een rechte lijn.

Een voorwerp dat beweegt als de resultante NIET 0 N is

Bijna altijd is de resultante niet 0 N. De krachten die op het voorwerp dat beweegt werken heffen elkaar dan niet op. Er blijft dus een resultante over met een bepaalde grootte+richting. Het hangt van de richting van de resultante af wat er dan gebeuren zal:

1. Als de bewegingsrichting gelijk is aan de richting van de resultante, beweegt het voorwerp versnellend.
2. Als de bewegingsrichting tegengesteld is aan de richting van de resultante, beweegt het voorwerp vertragend.
3. Als de richting van de resultante recht op de bewegingsrichting staat, verandert de bewegingsrichting en blijft de snelheid van het voorwerp even groot.
4. Als de resultante met de bewegingsrichting een willekeurige hoek maakt, veranderen de snelheid en de bewegingsrichting allebei.

Voorbeelden

STEL JE EENS VOOR.

Space Shuttle

Een Space Shuttle gaat versneld bewegen. De voortstuwende kracht is groter dan de tegenwerkende. De resultante werkt in dezelfde richting als de beweging.

Vliegtuig

Een vliegtuig gaat vertraagd bewegen. De voortstuwende kracht is kleiner dan de tegenwerkende. De resultante kracht werkt daar tegen in de dezelfde richting als de beweging._bereken.

Auto

Een auto verandert van richting omdat er ineens van links een windstoot opsteekt. De resultante laat de auto dan naar links afbuigen.

Traagheid

Om een voorwerp in beweging te krijgen heb je een kracht nodig dat ze in beweging brengt. Ook komen ze niet zomaar tot stilstand. Daarvoor heb je een kracht nodig die ze afremt. Anders:

• blijft, als het voorwerp al stilstond, het voorwerp nog steeds stilstaan.
• blijft, als het voorwerp al bewoog, het voorwerp in een rechte lijn verder bewegen

Je lichaam heeft ook traagheid! Dat merk je als je in de auto van je ouders zit en die snel optrekt. Om jou mee te krijgen, moet je stoel je vooruitduwen. Dan oefent de stoel een kracht op je uit en dan voelt het alsof je in de autostoel wordt gedrukt. De traagheid zorgt er ook voor dat als je verder beweegt als de auto heel sterk afremt. Zonder gordel sla je je gezicht tegen de voorruit. De gordel oefent een kracht op je af die je samen met de auto laat afremmen.

Astronauten worden door zeer grote krachten omhoog geduwd. Dat geeft ze het gevoel dat er een olifant op hun ruggen zit. Er worden grote krachten op hun lichamen uitgeoefend. Hoewel de krachten omhoog werken, voelt het alsof ze naar beneden worden geduwd. Met grote kracht natuurlijk.

Optrekken en afremmen

Stel: een motorfiets en een auto staan voor een stoplicht. De auto weegt 900 kg, de motor 300. Als het stoplicht op groen springt, trekken de auto en de motor allebei op. Op beide werkt er dan een even grote kracht. De versnelling van de motor is driemaal zo groot als die van de auto. De snelheid van de auto verandert dus langzamer dan de snelheid van de motor. Dus de auto heeft een grotere traagheid dan de motor.

Hoe groter de massa van een voorwerp, hoe moeilijker het is om het voorwerp in beweging te brengen. Dat kun je in heel veel situaties merken:

• een tennisbal kun je met een grotere snelheid weggooien dan een bowlingbal
• een volle vrachtwagen komt altijd veel langzamer op gang dan een lege
• als je iemand meeneemt achterop de fiets, duurt het veel langer voordat je op snelheid bent

Afremmen en van richting veranderen

Stel: een vrachtwagen is volgeladen. Dan komt hij langzamer tot stilstand dan als hij leeg is. Tenminste... als de remkracht in beide situaties even groot is. Hoe groter de massa, hoe kleiner de remvertraging.

De chauffeur van een volgeladen vrachtwagen moet ook voorzichtig zijn als hij bochten neemt. Volgeladen vrachtwagens vliegen gemakkelijker uit de bocht dan lege vrachtwagens.

De massa van een voorwerp heeft dus een rol bij elke verandering van beweging. De massa heeft niet alleen invloed op de versnelling, maar ook op hoe moeilijk het is om het voorwerp te laten afremmen of van richting te laten veranderen.

Een voorwerp met een grote massa is niet alleen ‘traag’ in het op snelheid komen, maar ook in het afremmen en het veranderen van richting.