Reader Natuurkunde new versie 2013.pdf - HRWisAHenme
Reader Natuurkunde new versie 2013.pdf - HRWisAHenme
Reader Natuurkunde new versie 2013.pdf - HRWisAHenme
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Reader</strong> <strong>Natuurkunde</strong><br />
1. Inleiding<br />
Deze reader is bedoeld als materiaal ter voorbereiding op het toelatingsexamen natuurkunde aan de<br />
Hogeschool Rotterdam. Hij kan voor zelfstudie worden gebruikt, of als basis voor een van de<br />
voorbereidingscursussen. In het kader van de cursus wordt de theorie uitgelegd. Verder worden<br />
vraagstukken besproken en gedeeltelijk in groepswerk behandeld.<br />
2. Inhoud en verantwoording<br />
De inhoud van deze reader/cursus is gericht op de vervolgopleidingen. Er is daarom gekozen voor een<br />
selectie van onderwerpen uit de HAVO stof natuurkunde.<br />
• Beweging<br />
• Krachten<br />
• Arbeid en energie<br />
• Trillingen en golven<br />
• Elektriciteitsleer<br />
Er zijn helaas ook havo onderwerpen, zoals warmteleer, magnetisme, optica en moderne fysica die uit<br />
tijdgebrek geen plek hebben gekregen. Deze onderwerpen worden dan ook niet in het<br />
toelatingsexamen getoetst.<br />
De reader bevat een korte uitleg/samenvatting van de belangrijkste theoretische punten. Verder zijn er<br />
voor elk onderwerp een aantal vraagstukken met uitwerkingen.<br />
3. Doelstellingen<br />
De doelen van deze cursus zijn:<br />
• het opfrissen van bestaande kennis van HAVO natuurkunde<br />
• het aanvullen van ‘gaten’ in natuurkunde voor bepaalde studietrajecten<br />
• het voorbereiden op het toelatingsexamen natuurkunde<br />
Het is geen doel van deze cursus om het gehele HAVO curriculum natuurkunde door te nemen. Dit<br />
zou onmogelijk zijn in de tijd die ter beschikking staat. In samenwerking met de opleidingen die een<br />
toelatingsexamen eisen hebben wij de belangrijkste onderdelen uit het school curriculum gehaald en<br />
in de cursus opgenomen.<br />
4. Studielast<br />
Naast de lessen (mits een voorbereidingscursus wordt gevolgd) zal er thuis gestudeerd<br />
moeten worden. Afhankelijk van de vooropleiding en aanleg varieert dit van enkele uren per<br />
week tot maximaal tien uur per week.<br />
(Voor cursisten: de thuisstudie omvat verwerken en voorbereiden van lesstof. Het verwerken<br />
bestaat vooral uit maken van huiswerk dat bij elke les wordt gegeven. Dit huiswerk is<br />
namelijk bedoeld om de doorgenomen onderwerpen en vaardigheden goed te oefenen.)<br />
1
5. Literatuur en leermiddelen<br />
Er zijn, behalve deze reader, geen verplichte leermiddelen voor deze cursus. Wij bevelen wel aan<br />
(vooral voor zelfstudie) om extra materiaal ernaast te gebruiken. Vooral de volgende CD-ROM is<br />
aanbevolen (die via Hintshop te bestellen is) :<br />
CD-ROM: FleXact programma Wiskunde en <strong>Natuurkunde</strong>, Uitgeverij Betarom<br />
Er zijn bovendien een aantal websites waar je op een (meer of minder leuke) interactieve manier een<br />
aantal onderwerpen kan oefenen. Een hele grote aanrader, als je Engels redelijk goed beheerst is:<br />
www.khanacademy.org<br />
(op deze website kun je kleine youtube filmpjes met uitleg over elk onderwerp bekijken, en<br />
zelfgestuurd oefeningen doen. Erg leuk.<br />
Andere goede websites zijn:<br />
www.natuurkunde.nl<br />
(HAVO examenvragen)<br />
home.kpn.nl/h.bruning/applets.html<br />
(applets voor bepaalde onderwerpen)<br />
6. Toetsing<br />
Het toelatingsexamen duurt 150 minuten. Het bevat ongeveer 34 meerkeuze vragen uit alle<br />
onderwerpen die in de lesreeks behandeld worden.<br />
Een rekenmachine is bij het examen toegestaan.<br />
7. Herkansingsregelen<br />
Je hebt recht op één herkansing per toets per jaar. Wanneer je afwezig bent tijdens een examen zonder<br />
geldige reden, dan kun je alleen nog gebruik maken van je herkansingsmogelijkheid als laatste<br />
toetsmoment. Meer informatie over de regels die gelden binnen het Toelatingstraject 21+ staat in het<br />
Reglement inschrijving en voorbereiding op hogeschoolrotterdam.nl/toelating.<br />
2
8. Opbouw en planning<br />
Deel1:<br />
Lessen 1 + 2: Beweging<br />
FleXact:<br />
Beginscherm “Kinematica”- theorie onderdeel “Rechtlijnige beweging” met bijbehorende<br />
oefeningen (oefenvragen binnen de theorie; en onderwerpen 1 t/m 6 van het oefengedeelte); ook<br />
theorie onderdeel “Valbeweging” (theorie bij “Kinematica”; maar eigen oefengedeelte; hiervan<br />
alleen onderwerp 3)<br />
Deel 2:<br />
Lessen 3 + 4: Krachten<br />
FleXact:<br />
Beginscherm “Krachten” – theorie “Kracht en Druk” (hiervan alleen het eerste gedeelte ‘Krachten’<br />
en daarin alles behalve ‘rollende wrijving’ en ‘momentenwet’) – oefendeel (Krachten ontbinden)<br />
onderwerpen 1 t/m 5 (onderdeel 6 is vrij moeilijk)<br />
Beginscherm “Newton” – theorie zoals boven – oefendeel (kracht en beweging) 1 t/m 4, 7 en 8<br />
Deel 3:<br />
Lessen 5, 6 en 7: Arbeid, Energie en Trillingen<br />
FleXact:<br />
Beginscherm “Energie”; daaronder theorie “Energie” (niet geheel – alleen inleiding en<br />
energievormen); oefeningen 1 t/m 6, en 7 t/m 11 (deze zijn wat moeilijker, maar kijk of je er toch<br />
uitkomt).<br />
FleXact: hoofdscherm “Trillingen”; daaronder theorie “Trillingen”. Er zitten erg goede animaties in<br />
de theorie – zeker bekijken! Oefeningen 1 t/m en 12.<br />
Deel 4:<br />
Lessen 8 en 9: Elektriciteit I<br />
FleXact:<br />
• hoofdscherm “Basis_elektriciteitsleer-2”; met bijbehorende theorie; oefenonderdelen 2<br />
t/m 4<br />
• hoofdscherm “Serieschakelingen”, met bijbehorende theorie (niet: schuifweerstand en<br />
potentiometer); oefenonderdelen 1 en 2<br />
• hoofdscherm “Parallelschakelingen” met bijbehorende theorie; oefenonderdelen 1 t/m 6<br />
• hoofdscherm “Gemengde_schakelingen”, met bijbehorende theorie; oefenonderdelen 1<br />
t/m 4<br />
• hoofdscherm “Veiligheid thuis” met bijbehorende theorie.<br />
3
Grootheden en maten<br />
Introductie natuurkunde<br />
Er zijn grootheden – dingen die je kunt meten. De grootheden hebben standaard afkortingen.<br />
Om in formules ermee te kunnen werken hebben sommige van deze grootheden standaard<br />
maten – zogenoemde basis-, of SI-eenheden. Een eenheid is een waarde die voor een<br />
bepaalde grootheid vastgesteld is en warmee elke meting van deze grootheid wordt vergeleken.<br />
De eenheden hebben ook standaard afkortingen – het is belangrijk dat je niet afkortingen voor<br />
eenheden met afkortingen voor grootheden verwart! Om dit te voorkomen worden de afkortingen<br />
voor de grootheden gebruikelijk cursief geschreven. Samengevat zijn de voor ons belangrijkste<br />
grootheden met SI-eenheden:<br />
Grootheid SI-eenheid<br />
Tijd (t) seconde (s)<br />
Lengte (s) meter (m)<br />
Massa (m) kilogram (kg)<br />
Stroomsterkte (i) Ampére (A)<br />
Temperatuur (T) Kelvin (K)<br />
Er zijn natuurlijk nog andere grootheden in de natuurkunde, maar de eenheden voor deze<br />
andere grootheden zijn geen SI-eenheden. Zij kunnen wel uit deze afgeleid worden,<br />
bijvoorbeeld:<br />
⎛ s ⎞<br />
snelheid (v ) = weg gedeeld door tijd ⎜ ⎟<br />
⎝ t ⎠<br />
m<br />
eenheid<br />
s<br />
⎛ v ⎞<br />
versnelling (a ) = snelheid gedeeld door tijd ⎜ ⎟<br />
⎝ t ⎠<br />
eenheid<br />
m<br />
2<br />
s<br />
kracht (F ) = massa keer versnelling ( m ⋅ a)<br />
kg ⋅ m<br />
eenheid = N (Newton)<br />
2<br />
s<br />
energie (W ) = kracht keer weg ( F ⋅ s)<br />
*<br />
2<br />
kg ⋅ m<br />
eenheid = J (Joule)<br />
2<br />
s<br />
*let op: er zijn ook andere formules voor andere soorten energie, maar alle hebben dezelfde eenheid!<br />
De grootheden zullen wij in de volgende lessen nog terugzien. Van belang hier is dat je ziet hoe<br />
belangrijk de eenheden zelf ook zijn. Het is altijd handig om in al je berekeningen de eenheden<br />
mee te nemen, ook al lijkt dat lastig. Je voorkomt ermee rekenfouten (snelheid van km/h in m/s<br />
om te rekenen bijvoorbeeld), en je kunt soms ook de samenhang tussen grootheden beter<br />
onthouden als je hun eenheden vergelijkt.<br />
4
Eenparige rechtlijnige beweging<br />
Les 1: Rechtlijnige beweging<br />
Wij zijn hier geïnteresseerd in bewegingen waarbij een voorwerp (mens, trein, kogel enzovoort)<br />
een bepaalde afstand in een bepaalde tijd aflegt.<br />
Je kunt in een diagram een grafiek van de afgelegde weg (y-as) met verstreken tijd (x-as)<br />
maken. Zo een diagram zou je een weg/plaats-tijd diagram noemen (x-t diagram):<br />
afstand (m)<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
x-t diagram<br />
0 20 40 60 80 100<br />
tijd (s)<br />
Als deze grafiek een rechte lijn voorstelt, zoals boven, dan leg je in een bepaald tijdsinterval altijd<br />
dezelfde afstand af. De stijging van de lijn is dus constant (maar kan ook 0 zijn als het voorwerp<br />
zich niet beweegt). In dat geval noemen wij de beweging een eenparige beweging. Voor het<br />
gemak gaan wij hier bovendien ervan uit dat het voorwerp zich in een rechte lijn voortbeweegt.<br />
Dan hebben wij een eenparige, rechtlijnige beweging.<br />
De stijging van de lijn toont dus aan welke afstand je in een bepaald tijdsinterval aflegt.<br />
Dit is natuurlijk niets anders dan de snelheid (v) van het voorwerp.<br />
afgelegde afstand<br />
snelheid ( v)<br />
=<br />
benodigde tijd<br />
Bij een eenparige beweging is deze snelheid steeds hetzelfde. Als je dus voor een rechtlijnige<br />
eenparige beweging een snelheid-tijd diagram (v-t diagram) tekent, dan krijg je een horizontale<br />
rechte lijn:<br />
5
snelheid (m/s)<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
Voor een gegeven tijd kan je dan een soort rechthoek onder de lijn zien – de oppervlakte van<br />
deze rechthoek (dus de oppervlakte tussen x-as en lijn) is de afgelegde afstand in die tijd.<br />
Terug naar de plaats-tijd verhouding. Je kunt voor elk tijdstip de plaats van het voorwerp<br />
aangeven. Bijvoorbeeld kan je zeggen dat aan het begin van de meting (tijd 0) het voorwerp op<br />
plaats 0 stond. Dit kan je ook schrijven als
De verplaatsing is een vector (een rechte lijn met richting) die van beginpunt tot eindpunt loopt.<br />
Als het voorwerp op tijd 0 aan het beginpunt is en op tijd n aan het eindpunt kan je de<br />
verplaatsing ook uitdrukken als het verschil tussen de plaatscoördinaten:<br />
verplaatsing = xeind<br />
− xbegin<br />
(stel je de plaatscoördinaten hierbij voor als bijvoorbeeld GPS coördinaten!)<br />
Je kan voor de verplaatsing ook een snelheid berekenen – deze wordt dan ook de vectoriële<br />
snelheid genoemd.<br />
Snelheid op een tijdstip (niet constante snelheid)<br />
Er zijn in de praktijk maar weinig bewegingen die over hun gehele traject een constante snelheid<br />
hebben. Meestal verandert de snelheid over het traject een aantal keren (je stapt op de fiets, rijdt<br />
een stukje versneld, rijdt een stukje met constante snelheid, en remt aan het einde). Als wij dan<br />
de snelheid over het gehele traject meten, noemen wij de uitkomst de gemiddelde snelheid (je<br />
moet dan wel ook aangeven over welke afstand of over welke tijd werd gemeten).<br />
∆x<br />
gemiddelde snelheid ( v)<br />
=<br />
∆t<br />
Nb: de snelheid kan wel over een gedeelte van het traject constant zijn!<br />
Je kunt ook de gemiddelde snelheid over een bepaald gedeelte van het traject bestemmen als je<br />
voor dat gedeelte weet wat Δx en Δt zijn. De gemiddelde snelheid is in feite gelijk aan de<br />
steilheid van de rechte lijn die je door het begin- en eindpunt van het gewenste traject in de x-t<br />
grafiek trekt.<br />
afstand (m)<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
x-t diagram<br />
stijging = gemiddelde snelheid traject<br />
0 20 40 60 80 100<br />
tijd (s)<br />
Als je nu begin- en eindpunt steeds dichter bij elkaar brengt, dan is deze snijlijn eigenlijk een<br />
raaklijn van de (x,t)-grafiek op dat punt. Dus is de gemiddelde snelheid op elk moment van een<br />
traject gelijk aan de steilheid van de raaklijn aan de (x,t) grafiek van het traject op dat moment.<br />
De momentane snelheid is dus te schrijven als:<br />
∆x<br />
v = lim<br />
∆t→0 ∆t<br />
7
Wat moet je kunnen:<br />
Bij een eenparige rechtlijnige beweging<br />
- het v-t en x-t diagram tekenen/interpreteren.<br />
- van de plaatsfunctie een x-t diagram tekenen.<br />
- tussen v-t en x-t diagram schakelen<br />
- de gemiddelde snelheid bepalen (in m/s – ook omrekenen tussen m/s en km/h)<br />
Het verschil tussen afgelegde weg en verplaatsing uitleggen<br />
Een beschreven beweging tekenen en de afgelegde weg en verplaatsing bepalen<br />
Bij bewegingen met niet-constante snelheid:<br />
- de gemiddelde snelheid berekenen<br />
- het x-t diagram interpreteren (incl. schatten van x(0) en v(0)) en het bijbehorend v-t<br />
diagram schetsen<br />
- weten wat de raaklijn in een x-t diagram betekent<br />
- weten wat de oppervlakte onder de lijn in een v-t diagram betekent<br />
8
Vragen bij les 1: rechtlijnige beweging<br />
1. Een wielrenner heeft op een zeker moment een snelheid van 50 km/h. Reken deze<br />
snelheid om in m/s.<br />
1km = 1000 m, en 1h = 3600s; dus 50km/h = 50x1000/3600 = 13,89 m/s (14 m/s is ook<br />
goed)<br />
2. Bereken hoe lang zonlicht er over doet om de aarde te bereiken. BINAS geeft aan dat de<br />
gemiddelde afstand van aarde tot zon 149,6 x 10 6 km is, en de lichtsnelheid een waarde<br />
van ongeveer 3 x 10 8 m/s heeft.<br />
149,6 x 10 6 km = 149,6 x 10 9 m; 149,6 x 10 9 m/3 x 10 8 m/s = 499 s = 8 minuten 19<br />
seconden<br />
3. Tijdens een onweer constateer je een tijdsverschil van 6s tussen het zien van een bliksem<br />
en het hierna horen van de donder. Op welke afstand speelt het onweer zich af? (BINAS<br />
geeft voor de geluidssnelheid in lucht van 293K een waarde van 0,343 x 10 3 m/s aan). En<br />
waarom hoeft hier alleen rekening te worden gehouden met de geluidssnelheid?<br />
In 6s kan het geluid 6s x 0,343 x 10 3 m/s = 2058 m afleggen. Dus speelt het onweer zich<br />
op ongeveer 2km afstand af. Je hoeft alleen met de geluidssnelheid rekening te houden<br />
omdat de lichtsnelheid dezelfde afstand in een verwaarloosbare tijd aflegt.<br />
4. Fietsend leg je een bepaalde afstand af in dertig minuten. De eerste helft van die tijd rijd je<br />
met een snelheid van 25 km/h, de rest van de tijd met een snelheid van 15 km/h.<br />
a. Hoe groot is je gemiddelde snelheid geweest?<br />
Je rijdt 15 minuten (0,25h) met een snelheid van 25km/h. In die tijd rij je 0,25h x 25 km/h =<br />
6,25 km. Dan rij je 15 minuten (0,25h) met 15 km/h, dus 0,25h x 15 km/h = 3,75 km. De<br />
totale afstand is dan 6,25 + 3,75 = 10 km. Je doet er totaal 30 minuten = 0,5h over, dus<br />
was je (gemiddelde) snelheid over het hele traject 10km/0,5h = 20 km/h. Dit kan je ook<br />
makkelijker berekenen: (25+15)/2 = 20 km/h.<br />
Een klasgenoot legt op de fiets dezelfde afstand af. Hij rijdt de eerste helft van die afstand<br />
met een snelheid van 25 km/h, de rest van die afstand met een snelheid van 15 km/h.<br />
a. Hoe is zónder een berekening te maken al in te zien, dat de gemiddelde snelheid<br />
van je klasgenoot kleiner moet zijn dan die van jou?<br />
b. Bereken zijn gemiddelde snelheid.<br />
a. De klasgenoot rijdt een kortere afstand (5km ipv 6,25km) met de hogere snelheid, en<br />
een langere (5km ipv 3,75km) met de lagere snelheid. De gemiddelde snelheid zal<br />
dus langzamer moeten zijn.<br />
b. De klasgenoot rijdt 5km met 25km/h. Hij doet er dus 5/25 = 0,2h (12 minuten) over.<br />
Hij rijdt dan nog eens 5 km met 15 km/h, en doet er dus 5/15 = 1/3 h over (20<br />
minuten). Bij elkaar is hij dan 32 minuten onderweg, dus zijn gemiddelde snelheid<br />
was 10km/0,53h = 18,75 km/h<br />
9
5. In de onderstaande grafiek is een snelheid-tijddiagram te zien dat hoort bij een rechtlijnige<br />
beweging.<br />
snelheid<br />
(m/s)<br />
a. Waarom is een dergelijk verloop van de snelheid in werkelijkheid niet mogelijk?<br />
b. Welke betekenis heeft de oppervlakte van de donkere rechthoek?<br />
c. Bepaal de afstand die in 50s is afgelegd.<br />
d. Maak een bijbehorend afgelegde weg-tijddiagram.<br />
a. Een dergelijk verloop van de snelheid is in werkelijkheid niet mogelijk omdat de<br />
versnelling hier recht omhoog of omlaag gaat.<br />
b. De donkere rechthoek is de afgelegde weg tussen 25s en 35s.<br />
c. De afgelegde weg is de oppervlakte onder de lijn. Hiervoor kan je rechthoekjes<br />
tellen: het zijn er 66, met elk een oppervlakte van 0,1 x 5 = 0,5 m. Bij elkaar is de<br />
afgelegde weg dan 66 x 0,5 = 33m<br />
d. Het weg-tijddiagram ziet er zo uit:<br />
weg<br />
(m)<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
1,4<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
-10 10 30 50<br />
0 10 20 30 40 50<br />
tijd (s)<br />
tijd (s)<br />
6. Op een rechte weg bevindt zich een auto. Langs deze weg staan de bekende bordjes. De<br />
auto heeft als plaatsfunctie: x( t)<br />
= 45,<br />
8 + 1,<br />
67 ⋅t<br />
(met x in km en t in min).<br />
a. Hoe blijkt uit deze plaatsfunctie dat de auto in beweging is?<br />
b. Welk getal staat op het bordje dat werd gepasseerd op t = 0 min?<br />
c. Hoe blijkt uit deze plaatsfunctie, dat de auto een constante snelheid heeft?<br />
d. Ga na hoe groot die snelheid is (uitgedrukt in km/h).<br />
a. Je kan zien dat de auto in beweging is omdat in de plaatsfunctie de snelheid v =<br />
1,67, dus niet gelijk aan nul.<br />
b. Op t = 0 is x(t) = 45,8km, dus dit staat op het bordje.<br />
10
c. De auto heeft een constante snelheid omdat de afgelegde weg in ieder minuut met<br />
een constante hoeveelheid omhoog gaat.<br />
d. In 60 minuten (een uur) gaat de afgelegde weg met 1,67 x 60 = 100 km omhoog. De<br />
snelheid is dus 100 km/h.<br />
7. In de onderstaande grafiek zie je twee (x, t) functies.<br />
weg<br />
(m)<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 20 40<br />
tijd (s)<br />
a. Stel voor A de twee (!) plaatsfuncties op (met vermelding van de bijbehorende<br />
tijdsintervallen).<br />
b. Doe hetzelfde voor B.<br />
c. Teken in één figuur de bijbehorende (v, t) functies.<br />
a. Voor A zijn er twee componenten: in het tijdsinterval [0s, 25s] begint het traject bij<br />
x(0) = 20m, en gaat de afgelegde weg iedere 1s met 2m omhoog; de eerste<br />
plaatsfunctie is dus x(t) = 20 + 2 t; in het tijdsinterval [25s, 40s] begint het traject bij<br />
x(0) = 70m maar het verandert verder niet met de tijd; de tweede plaatsfunctie is dus<br />
x(t) = 70.<br />
b. Voor B zijn er ook twee componenten: in het tijdsinterval [0s, 20s] begint het traject<br />
bij x(0) = 30m maar het verandert verder niet met de tijd; de eerste plaatsfunctie is<br />
dus x(t) = 30; in het tijdsinterval [20s, 40s] begint het traject bij x(0) = 30m, en gaat<br />
de afgelegde weg iedere 1s met 1,5m omlaag; maar om x(t) te vinden moet je nu de<br />
aflopende lijn terugtrekken tot de y-as; daar komt hij bij 60 uit; de tweede<br />
plaatsfunctie is dus x(t) = 60 – 1,5 t.<br />
c. De (v,t) functies van A en B zien er als volgt uit:<br />
snelheid<br />
(m/s)<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
-3<br />
A<br />
A<br />
0 10 20 30 40<br />
B<br />
B<br />
tijd (s)<br />
11
8. Over dezelfde rechte weg rijden Karel en Leo elk op hun brommer en Mark in een oud<br />
autootje. Voor een klein deel van het traject zie je in de onderstaande grafiek hun (x, t)<br />
functies.<br />
weg<br />
(m)<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-10 10 30 50<br />
a. Welke natuurkundige betekenis heeft het snijpunt van twee (x, t) functies?<br />
b. Wie passeren elkaar het eerst?<br />
c. Bepaal wie het hardst rijdt. (Doe dit zónder het maken van berekeningen!)<br />
d. Bepaal de tijdstippen waarop de afstand tussen Karel en Leo 200 m is.<br />
a. Op het snijpunt van twee lijnen hebben allebei de mensen/voorwerpen dezelfde weg<br />
in dezelfde tijd afgelegd. Ze zijn dan op dezelfde plek.<br />
b. Karel en Leo komen elkaar het eerst tegen (in tegenovergestelde richting rijdend).<br />
c. Mark rijdt het hardst (zijn functie heeft de grootste stijging).<br />
d. De plaatsfunctie voor Karel is x(t, K) = 600 – 12 t; de plaatsfunctie van Leo is x(t, L)<br />
= 200 + 10 t. Als de afstand tussen Karel en Leo 200m is dan moet of (600-12t)-<br />
(200+10 t) = 200 = 400 – 22 t, dus 22 t = 200, dus t = 9,1 s; of (600-12t)-(200+10 t) =<br />
- 200 = 400 – 22 t, dus 22 t = 600, dus t = 27,3 s.<br />
9. Uit een raam, 15m boven de grond, gooit iemand een tennisbal recht omhoog. Na 10m<br />
gestegen te zijn, bereikt de bal het hoogste punt van zijn baan.<br />
Ga na hoe groot én de afgelegde weg én de verplaatsing van de bal zijn, gerekend tot aan<br />
het moment dat de bal op de grond komt. Welke richting heeft de verplaatsing?<br />
De afgelegde weg is 10m + 10m + 15m = 35m. De verplaatsing is -15m; en deze is<br />
negatief omdat de bal omhoog gegooid werd maar 15m verder beneden eindigt.<br />
K<br />
M<br />
L<br />
tijd (s)<br />
12
Les 2: Rechtlijnige beweging, versneld<br />
Eenparig versnelde rechtlijnige beweging<br />
Wij hebben al gezien hoe x-t en v-t diagrammen van bewegingen eruit zien als de snelheid over<br />
het traject verandert. Een verandering in snelheid is natuurlijk niets anders dan een versnelling of<br />
vertraging. Als de toename (versnelling) of afname (vertraging) van de snelheid gelijkmatig is<br />
dan noemen wij dat een eenparig versnelde/vertraagde beweging.<br />
De grootte van de versnelling of vertraging bepaald hoe sterk de snelheid per tijdeenheid<br />
veranderd – dit wordt gewoonlijk aangegeven in snelheid/seconde, of (m/s)/s = m/s 2 . Als de<br />
snelheid v van een voorwerp dus per seconde met versnelling a verandert dan is de snelheid na<br />
t seconden:<br />
v( t)<br />
= v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t<br />
Dit is de snelheidsfunctie van een eenparig versnelde rechtlijnige beweging.<br />
Het is een eerstegraads functie in t, wat betekend dat de grafiek van v als functie van t (v-t<br />
grafiek) een rechte lijn is met helling a (de versnelling dus). Het a-t diagram is dan een rechte<br />
lijn evenwijdig aan de x-as.<br />
snelheid (m/s)<br />
v-t diagram<br />
eenparig versnelde beweging<br />
50<br />
30<br />
10<br />
-10<br />
0 50<br />
tijd (s)<br />
100<br />
Als wij nu de verplaatsing in een eenparig versnelde rechtlijnige beweging willen vaststellen<br />
moeten wij ons even de plaatsfunctie herinneren:<br />
Plaatsfunctie: x( t)<br />
= x(<br />
0)<br />
+ ∆x<br />
Wij gaan ervan uit dat x(0) bekend is, maar wat is in dit geval ∆ x ?<br />
De afgelegde weg kan je berekenen uit gemiddelde snelheid en tijdsduur. De tijd (vanuit de<br />
uitgangspositie x ( 0)<br />
) is t – wij moeten dus nu nog de gemiddelde snelheid weten:<br />
Gemiddelde snelheid (van x(0) naar x(t)):<br />
Omdat het v-t diagram een rechte lijn is, is de gemiddelde snelheid gewoon het<br />
gemiddelde van begin- en eindsnelheid, dus<br />
v(<br />
t)<br />
+ v(<br />
0)<br />
v(<br />
0)<br />
+ a ⋅t<br />
+ v(<br />
0)<br />
2v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t 1<br />
v = =<br />
=<br />
= v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
Dit kan je ook grafisch uitbeelden:<br />
versnelling (m/s 2 )<br />
a-t diagram<br />
eenparig versnelde beweging<br />
50<br />
30<br />
10<br />
-10<br />
0 50<br />
tijd (s)<br />
100<br />
13
snelheid (m/s)<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
De plaatsfunctie wordt daarom:<br />
1<br />
x(<br />
t)<br />
= x(<br />
0)<br />
+ ( v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t)<br />
⋅ t<br />
2<br />
1 2<br />
x(<br />
t)<br />
= at + v(<br />
0)<br />
t + x(<br />
0)<br />
2<br />
Dit is een tweedegraads functie in t, en de x-t grafiek van een eenparig versnelde rechtlijnige<br />
beweging is daarom een (halve) parabool.<br />
afgelegde weg (m)<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Als je voor x(0) niet de plaatscoördinaat gebruikt, maar de afgelegde weg, dan is x(0) altijd gelijk<br />
aan 0. Als de beweging vanuit stilstand begint is v(0) ook gelijk aan 0, en vereenvoudigd de<br />
plaatsfunctie tot:<br />
1<br />
x ( t)<br />
= at<br />
2<br />
gemiddelde snelheid<br />
eenparig versnelde beweging<br />
2<br />
tijd (s)<br />
½ a t<br />
v(0)<br />
afgelegde weg<br />
eenparig versnelde beweging<br />
0 20 40 60 80 100<br />
tijd (s)<br />
14
Samenvatting eenparig versnelde rechtlijnige beweging:<br />
• beweging in rechte lijn<br />
• beweging met constante versnelling<br />
• x-t diagram is een parabool, stijging van raaklijn = snelheid<br />
• v-t diagram rechte lijn (evenwijdig aan x-as), helling van de lijn = versnelling (positief<br />
getal) of vertraging/remmen (negatief getal)<br />
• de snelheidsfunctie is v( t)<br />
= v(<br />
0)<br />
+ a ⋅t<br />
• a-t diagram horizontale lijn (evenwijdig aan x-as), oppervlakte onder de lijn is de<br />
snelheidsverandering<br />
1 2<br />
• de plaatsfunctie is x ( t)<br />
= at + v(<br />
0)<br />
t + x(<br />
0)<br />
2<br />
Wat moet je kunnen:<br />
Voor een eenparig versnelde rechtlijnige beweging:<br />
- in een v-t diagram een eenparig versnelde/vertraagde beweging herkennen en interpreteren<br />
- de afgelegde weg berekenen<br />
- in een v-t of x-t diagram twee versnelde bewegingen met elkaar vergelijken<br />
- in een v-t diagram herkennen dat een beweging vanuit stilstand begon<br />
Praktische voorbeelden:<br />
• Remvertraging en remweg (gegeven: vertraging en beginsnelheid)<br />
• Start van een vliegtuig (gegeven afgelegde weg en bereikte snelheid; ook benodigde<br />
startbaan)<br />
• Rijden op veilige afstand (gegeven snelheid en reactietijd)<br />
• Vrije val (dus in een vacuum)! (dit zien wij nog terug bij zwaartekracht)<br />
• Omhoog gooien van bal – x-t diagram is bergparabool; versnelling is g, maar v loopt<br />
eerst tegengesteld aan de versnelling, dan met versnelling mee.<br />
15
Vragen bij les 2: rechtlijnige beweging<br />
10. Een voorwerp beweegt in een rechte lijn met een vertraging van 2,5 m/s 2 .<br />
a. Hoe groot is de afname van de snelheid per seconde?<br />
b. Hoelang duurt het, voordat de snelheid met 30 m/s is afgenomen?<br />
a. Elke seconde neemt de snelheid van het voorwerp met 2,5 m/s af.<br />
b. Daarom duurt het 30/2,5 = 12 s voordat de snelheid met 30 m/s is afgenomen.<br />
11. Een vliegtuig landt met een snelheid van 86 m/s. Neem aan dat de beweging over de<br />
landingsbaan eenparig vertraagd is, met een vertraging van 3,2 m/s 2 .<br />
Bereken de tijd die het vliegtuig nodig heeft om tot stilstand te komen.<br />
Hier gebruik je de snelheidsfunctie. Je wilt weten voor welk t v(t) = 0 is. Je weet dat v(0) =<br />
86 m/s, en a = -3,2 m/s2. Dus de functie wordt: 86 – 3,2 t = 0, of 3,2 t = 86, of t = 26,875 s.<br />
12. Een automobilist rijdt met een snelheid van 54 km/h. Door gedurende 4,0 s eenparig<br />
versneld te rijden, verhoogd hij zijn snelheid tot 90 km/h.<br />
a. Bereken de versnelling (in m/s 2 ).<br />
b. Bereken de gemiddelde snelheid in de 4,0 s. Licht je antwoord toe aan de hand<br />
van een snelheid-tijddiagram.<br />
a. Je gebruikt hier de snelheidsfunctie: v( t)<br />
= v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t met v(t) = 90 km/h = 25 m/s,<br />
v(0) = 54 km/h = 15 m/s, en t = 4 s. Dan wordt<br />
v(<br />
t)<br />
− v(<br />
0)<br />
25 −15<br />
2<br />
a = = = 2,<br />
5 m / s .<br />
t 4<br />
1<br />
b. Je berekent de gemiddelde snelheid met: v = v(<br />
0)<br />
+ a ⋅t<br />
In dit geval is v(0) = 15<br />
2<br />
1<br />
m/s, t = 4s, en a = 2,5 m/s. Dan is dus v = 15 + 2,<br />
5 ⋅ 4 = 20 m / s = 72km<br />
/ h Het<br />
2<br />
snelheid-tijddiagram ziet er als volgt uit:<br />
snelheid (m/s)<br />
30<br />
20<br />
10<br />
½ a t<br />
0 60 120 180 240<br />
tijd (s)<br />
v(0)<br />
16
13. In de onderstaande grafiek zie je twee (v, t) functies.<br />
snelheid<br />
(m/s)<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
a. Stel voor A de twee (!) snelheidsfuncties op. (Geef ook steeds het tijdsinterval<br />
aan.)<br />
b. Doe hetzelfde voor B.<br />
a. Voor A zijn er twee componenten: in het tijdsinterval [0s, 8s] begint het traject bij v(0)<br />
= 0/sm, en gaat de snelheid iedere 1s met 1,5 m/s omhoog; de eerste<br />
snelheidsfunctie is dus v(t) = 1,5 t; in het tijdsinterval [8s, 12s] is de snelheid<br />
constant; de tweede snelheidsfunctie is dus v(t) = 12.<br />
b. Voor B zijn er ook twee componenten: in het tijdsinterval [0s, 6s] is de snelheid<br />
constant; de eerste snelheidsfunctie is dus v(t) = 6; in het tijdsinterval [6s, 12s] kan je<br />
een denkbeeldige lijn doortrekken tot v(0) = 12 m/s, en gaat de snelheid iedere 1s<br />
met 1 m/s omlaag; de tweede snelheidsfunctie is dus v(t) = 12 – t.<br />
14. Bepaal aan de hand van de onderstaande grafiek:<br />
versnelling<br />
(m/s 2 )<br />
a. de snelheidsverandering in het tijdsinterval [0s; 3s].<br />
b. de snelheidsverandering in het tijdsinterval [0s; 5s].<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
0 4 8 12<br />
tijd (s)<br />
a. In het tijdsinterval [0s; 3s] gaat de snelheid elke seconde met 2 m/s omhoog. Over<br />
het gehele tijdsinterval gaat de snelheid dus met 6 m/s omhoog.<br />
b. In het tijdsinterval [0s; 5s] gaat de snelheid eerst drie seconden lang elke seconde<br />
met 2 m/s omhoog, en dan twee seconden lang elke seconde met 4 m/s omlaag.<br />
Over het gehele tijdsinterval gaat de snelheid dus met 2 m/s omlaag.<br />
15. In de onderstaande grafiek zie je de (v, t) functies van twee motorrijders (A en B) die in<br />
dezelfde richting over een rechte weg rijden.<br />
A<br />
0 1 2 3 4 5<br />
B<br />
tijd (s)<br />
17
snelheid<br />
(m/s)<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50 60 70<br />
Op t = 0 s wordt de een net ingehaald door de ander.<br />
a. Blijkt dit ook uit de grafiek? Licht je antwoord toe.<br />
b. Toon aan dat op t = 70 s A juist weer is ingehaald door B.<br />
c. Waaruit blijkt dat A is ingehaald door B en dus niet B door A?<br />
a. Ja, dit blijkt uit de grafiek, omdat de snelheid van de een (A) op t = 0 groter is dan de<br />
snelheid van de ander (B). Het blijkt uit de oppervlakte onder de functies van A en B.<br />
Deze zijn gelijk aan elkaar zodat we de conclusie moeten trekken dat op het tijdstip<br />
t=0 . A is B op t=0 aan het inhalen.<br />
b. A rijdt eerst 20 s met een snelheid van 40 m/s en legt in die tijd dus 800m af.<br />
Vervolgens remt A over 50 s tot stilstand af, dus zijn versnelling is -0,8 m/s 2 . De<br />
1<br />
gemiddelde snelheid is dan v = v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t = 40 − 0,<br />
4 ⋅ 50 = 20 m / s en hij legt in<br />
2<br />
die tijd dus een weg van 1000 m af. Totaal rijdt A dan 1800m in de 70 seconden. B<br />
rijdt eerst 50 s met een snelheid van 30 m/s en legt in die tijd dus 1500m af.<br />
Vervolgens remt B over 20 s tot stilstand af, dus zijn versnelling is -1,5 m/s 2 . De<br />
1<br />
gemiddelde snelheid is dan v = v(<br />
0)<br />
+ a ⋅ t = 30 − 0,<br />
75⋅<br />
20 = 15 m / s en hij legt in<br />
die tijd dus een weg van 300m af. Totaal rijdt B dus ook 1800m in de 70 seconden,<br />
en komen A en B na deze tijd naast elkaar tot stilstand.<br />
c. De afgelegde weg is het oppervlak onder de lijn in een (v,t) diagram. Het totaal<br />
oppervlak onder de twee lijnen is gelijk, maar A maakt extra meters aan het begin<br />
van het traject (voordat de lijnen elkaar bij ongeveer t = 32 s kruisen), die B daarna<br />
pas begint in te halen. Dus loopt A het geheel traject voor op B.<br />
16. Een jachtluipaard kan een snelheid van 122 km/h bereiken (waarmee hij het snelst<br />
lopende dier is). Vanuit stilstand bereikt hij die snelheid in 18 s. Neem aan dat de start<br />
eenparig versneld verloopt.<br />
a. Bereken de versnelling (in m/s 2 ).<br />
b. Bereken de afstand die in 18 s wordt afgelegd.<br />
a. De snelheid van de luipaard gaat in 18 s met 122/3,6 = 33,89 m/s omhoog. Zijn<br />
versnelling is dus 1,88 m/s 2 .<br />
b. De afgelegde weg bereken je met de plaatsfunctie voor een eenparig versnelde<br />
1 2<br />
beweging: x ( t)<br />
= at + v(<br />
0)<br />
t + x(<br />
0)<br />
In dit geval is v(0) = 0 en x(0) = 0, dus<br />
2<br />
1 2 1<br />
2<br />
x( t)<br />
= at = ⋅1,<br />
88 ⋅18<br />
= 305m<br />
.<br />
2 2<br />
2<br />
B<br />
A<br />
tijd (s)<br />
18
17. Twee auto’s rijden met even grote snelheid achter elkaar aan. Opeens moet de bestuurder<br />
van de voorste auto (A) krachtig remmen, waarna ook de ander (B) dit moet doen. De auto<br />
van B komt op 3m afstand achter die van A tot stilstand:<br />
snelheid<br />
(km/h)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Bepaal aan de hand van de bovenstaande grafiek<br />
a. de reactietijd van B;<br />
b. de beide remvertragingen;<br />
c. de oorspronkelijke afstand tussen de auto’s.<br />
a. Uit de grafiek blijkt dat B pas na 0,75s begint met remmen. Dit is dus zijn reactietijd.<br />
b. Allebei hebben dezelfde beginsnelheid van 80 km/h = 22,22 m/s. A komt binnen 3,25<br />
s tot stilstand; de vertraging van A is dus a = -6,84 m/s2. B komt binnen 3s tot<br />
stilstand; de vertraging van B is dus = 7,41 m/s2.<br />
c. A rijdt 3,25s met een gemiddelde snelheid van 40 km/h = 11,11 m/s; dus hij stopt na<br />
36,11 m. B rijdt eerst 0,75s met 22,22 m/s – dus 16,67m – en daarna rijdt hij 3s met<br />
een gemiddelde snelheid van 11,11 m/s – dus 33,33 m; zijn gehele traject is dan<br />
50m. Het verschil in afgelegde weg is dan 50 – 36,11 = 13,89m, en als zij nu nog 3m<br />
uit elkaar zijn dan was de oorspronkelijke afstand ongeveer 17m.<br />
18. Een voorwerp valt van zodanige hoogte, dat zijn valtijd ruim 5s is. (g = 9,81 m/s 2 )<br />
a. Bereken de snelheidstoename van het voorwerp in de vierde seconde.<br />
b. Bereken de verplaatsing van het voorwerp in de vierde seconde.<br />
A<br />
0 1 2 3 4<br />
tijd (s)<br />
a. Elke seconde gaat de snelheid van het voorwerp met 9,81 m/s omhoog. Dus is de<br />
snelheidstoename van het voorwerp in de vierde seconde ook 9,81 m/s.<br />
1 2<br />
b. De verplaatsing is te berekenen met de plaatsfunctie x ( t)<br />
= at + v(<br />
0)<br />
t + x(<br />
0)<br />
In<br />
2<br />
dit geval is v(0) = 0 en x(0) = 0, dus na 3 seconden is de afgelegde weg<br />
1 2 1<br />
2<br />
x( 3)<br />
= at = ⋅9,<br />
81⋅<br />
3 = 44,<br />
145m<br />
en na 4 seconden<br />
2 2<br />
1 2 1<br />
2<br />
x( 4)<br />
= at = ⋅ 9,<br />
81⋅<br />
4 = 78,<br />
48m<br />
In de vierde seconde is het voorwerp dan<br />
2 2<br />
78,48-44,145 = 34,335m verplaatst.<br />
B<br />
19
19. Op een droge weg met goede banden kan een auto met 5,8 m/s 2 afremmen. Er verstrijkt<br />
wel eerst een ‘reactietijd’ van de bestuurder; normaalgesproken varieert dit van 0,3-1,0 s.<br />
Als deze auto een beginsnelheid van 50 km/h heeft, wat is dan de minimale en de<br />
maximale remweg van deze auto?<br />
De beginsnelheid van de auto in m/s is 50/3,6 = 13,89 m/s.<br />
In de reactietijd rijdt hij dan minimaal 0,3s x 13,89m/s = 4,17m; en maximaal 1,0s x<br />
13,89m/s = 13,89m.<br />
Bij een remvertraging van 5 m/s 2 duurt het remmen van 13,89m/s tot stilstand 13,89/5 =<br />
2,78s; bij een remvertraging van 8 m/s 2 duurt het 13,89/8 = 1,74s.<br />
De gemiddelde snelheid is in allebei de gevallen 25 km/h = 6,94 m/s. Bij een<br />
remvertraging van 5 m/s 2 is de afgelegde weg dan 6,94m/s x 2,78s = 19,29m; bij een<br />
remvertraging van 8 m/s 2 is hij 6,94m/s x 1,74s = 12,06m. Deze afstanden kon je ook<br />
berekenen met<br />
x(1) = 1<br />
2 at 2 = 1<br />
2 ⋅ 5⋅ 2,782 =19,29m en<br />
x(2) = 1<br />
2 at 2 = 1<br />
2 ⋅ 8⋅ 1,74 2 =12,06m .<br />
De minimale remweg is daarom 12,06 + 4,17 = 16,23m; en de maximale remweg is<br />
19,29 + 13,89 = 33,18m.<br />
20
Les3: Krachten I<br />
Wij hebben tot nu toe de beweging van voorwerpen onderzocht. Maar waarom komt een<br />
voorwerp uit rust in beweging, en hoe kan een bewegend voorwerp van snelheid veranderen?<br />
Wij weten – intuïtief – dat er een kracht nodig is om deze veranderingen in beweging te<br />
bereiken. Het begrip ‘kracht’ in de natuurkunde is altijd te verstaan in samenhang met een<br />
voorwerp waarop deze kracht wordt uitgeoefend. Daarbij kan de kracht twee dingen met het<br />
voorwerp doen:<br />
Kracht kan een voorwerp een snelheidsverandering geven<br />
(bijvoorbeeld spierkracht laat je vooruit komen bij het fietsen, wrijvingskracht leidt ertoe<br />
dat je vertraagt als je ophoudt met trappen)<br />
Kracht kan een voorwerp vervormen (mits het voorwerp niet kan bewegen)<br />
(denk aan het buigen van een duikplank, of het uitrekken van een veer)<br />
De wetten van Newton<br />
Een belangrijk concept bij de relatie tussen rust en beweging (dus bij snelheidsverandering) werd<br />
door Galilei ontrafeld en uiteindelijk door Newton geformuleerd. Dit is de wet van de traagheid,<br />
of<br />
De eerste bewegingswet van Newton:<br />
Elk voorwerp blijft in rust, of blijft in een rechte lijn bewegen met een<br />
constante snelheid, zolang er geen nettokracht op werkt.<br />
Als een voorwerp in beweging is dan is er geen krachtuitoefening nodig om het in eenparige<br />
rechtlijnige beweging te houden. Het voorwerp ‘wil’ eigenlijk blijven bewegen. In de praktijk<br />
vertragen voorwerpen namelijk alleen omdat er wel een vertragende kracht op werkt –<br />
bijvoorbeeld wrijvingskracht. Je moet dus wel kracht uitoefenen om een bewegend voorwerp tot<br />
rust te krijgen.<br />
Omdat het uitoefenen van een kracht op een voorwerp dus versnelling of vertraging veroorzaakt,<br />
is het dus ook van belang om de relatie tussen kracht en versnelling te bepalen. Als je twee keer<br />
zo veel kracht uitoefent, hoe veel groter is dan de versnelling die je bereikt? Ook hier was het<br />
weer Newton die de bijbehorende wiskundige relatie wist te formuleren, in<br />
21
De tweede bewegingswet van Newton:<br />
De versnelling van een voorwerp is rechtevenredig met de nettokracht die<br />
erop werkt en omgekeerd evenredig met de massa van het voorwerp. De<br />
richting van de versnelling is gelijk aan de richting van de nettokracht die<br />
op het voorwerp werkt.<br />
Hoe zwaarder een voorwerp is hoe meer kracht je uit moet oefenen om dezelfde versnelling te<br />
bereiken als voor een lichter voorwerp. En hoe meer kracht je uitoefent hoe groter de versnelling<br />
die je bereikt. Als formule uitgedrukt:<br />
∑F a =<br />
waar ∑ F de vectorsom van alle krachten voorstelt die op het<br />
m<br />
voorwerp werken (zie beneden)<br />
Of als je de vectorsom van alle krachten als resulterende, of ‘nettokracht’ uitdrukt:<br />
= m ⋅ a<br />
F r<br />
De invloed van Newton op het gebied van dynamica wordt dan ook duidelijk in de benoeming<br />
m<br />
van de eenheid voor kracht – dit is namelijk N (<strong>new</strong>ton), waarbij 1 N = 1 kg 2<br />
s<br />
Aan de eenheid zie je ook meteen het lineair verband tussen kracht (N), massa (kg) en<br />
versnelling (m/s 2 ). Kracht wordt trouwens vaak gemeten met behulp van een veerunster<br />
(bijvoorbeeld de kracht die nodig is om een kist aan een touw in beweging te brengen)<br />
In de tweede wet van Newton is sprake van zowel de grootte van een kracht als ook van<br />
richting. Het is niet alleen belangrijk hoe sterk de kracht is die op een voorwerp uitgeoefend<br />
wordt, maar ook hoe de kracht is gericht (denk aan het trappen van een bal). Een kracht kan niet<br />
alleen de snelheid van het voorwerp veranderen, maar ook de richting waarin het voorwerp<br />
beweegt.<br />
Een kracht is dus te begrijpen als een vector. In een diagram wordt de richting van een kracht<br />
door de richting van de vector aangegeven, en de grootte van de kracht door de lengte van de<br />
vector. Het aangrijpingspunt van de kracht is het beginpunt van de vector.<br />
In situaties waarin op een voorwerp meerdere krachten tegelijk werken kan je dus al deze<br />
krachten als vectordiagram uitbeelden en een resulterende kracht (resultante) Fr met behulp<br />
van vectoroptelling berekenen:<br />
Voor krachten die een hoek van 0 of 180 met elkaar maken is dat makkelijk: tegenovergestelde<br />
krachten trek je van elkaar af, krachten die in dezelfde richting werken tel je bij elkaar op. Als de<br />
hoek niet 0 of 180 is dan is het berekenen iets lastiger:<br />
22
Hier werk je dan met een krachtenparallelogram:<br />
Om de resultante te berekenen moet je de grootte en richting van alle samenwerkende krachten<br />
weten. Je kan dan de formules voor diagonalen van een parallellogram gebruiken; maar je kan<br />
ook eerst de krachten F1 en F2 ontbinden. Dat betekent dat je voor elke kracht twee<br />
componenten bepaalt, een horizontale en een verticale:<br />
Als je een kracht op deze manier ontbindt, kan je met Pythagoras de onbekende componenten<br />
berekenen, mits je twee van de vier variabelen kent (krachten F1(v), F1(h), F1, en hoek α):<br />
F1 2 = F1(v) 2 +F1(h) 2<br />
F1(h)/F1 = cos α<br />
F1(v)/F1 = sin α<br />
23
Je telt dan de horizontale en verticale componenten van F1 en F2 bij elkaar op; in het geval<br />
boven:<br />
F1(h) = F1 cos 35° = 100N cos 35° = 81,91 N<br />
F1(v) = F1 sin 35° = 100N sin 35° = 57,36 N<br />
F2(h) = F2 cos 45° = 60N cos 45° = - 42,43 N<br />
F2(v) = F2 sin 45° = 60N sin 45° = 42,43 N<br />
Ftot(h) = F1(h) + F2(h) = 81,91 N - 42,43 N = 39,48 N<br />
Ftot(v) = F1(v) + F2(v) = 57,36 N + 42,43 N = 99,79 N<br />
Nu heb jij twee krachten om de resultante te berekenen, en de hoek die deze resultante met de<br />
horizontale as maakt:<br />
Fr 2 = Ftot(v) 2 + Ftot(h) 2 dus Fr = 107,3 N<br />
Ftot (v)/ Ftot(h) = tan α dus α = 68,41°<br />
Als alle krachten die op een voorwerp werken bij elkaar een resultante hebben die nul is dan blijft<br />
het voorwerp in rust. De krachten zijn in evenwicht - zij heffen elkaar in feite op.<br />
In dit geval (reken het eens na) zijn de horizontale componenten van F2 en F1 even groot, maar<br />
in tegenovergestelde richting. De verticale componenten liggen ook in tegenovergestelde<br />
richting, en F3 werkt ook nog in dezelfde richting als de verticale component van F1. Omdat F2(v)<br />
= F1(v) + F3 is ook hier de resultante gelijk aan nul, en is de gehele constructie in evenwicht.<br />
24
Vragen bij les 3: krachten<br />
1. Een kracht van 65 N wordt langs twee assen, die loodrecht op elkaar staan, ontbonden.<br />
a. Als een van de assen een hoek van 53° maakt met de te ontbinden kracht, hoe<br />
groot is dan de krachtscomponent langs deze as? En die langs de andere as?<br />
(maak een tekening)<br />
b. Als een van de componenten 25 N zou zijn, hoe groot is dan de hoek die deze<br />
component maakt met de te ontbinden kracht? En hoe groot is dan de andere<br />
component?<br />
a. De krachtscomponent F1 langs de as die met de te ontbinden kracht (FR) een hoek van<br />
53° maakt, berekenen je met: F1 = FR × cosα = 65N × cos53 = 39,12N . De component<br />
langs de andere as bereken je met F2 = FR × sinα = 65N × sin53 = 51,91N<br />
b. Als een van de componenten 25N was, dan bereken je de hoek met dezelfde formule als<br />
in a.: cosα = F1 FR = 25N<br />
= 0,3846<br />
65N<br />
⇒ α = 67,38° . De tweede component bereken je<br />
eenvoudig met Pythagoras: F2 =<br />
2 2<br />
FR − F1 =<br />
2 2<br />
65 − 25 = 60N<br />
2. In de figuur hieronder zie je vijf krachten die alle in P aangrijpen. Verder zijn er door P twee<br />
assen gelegd, die loodrecht op elkaar staan. F1 = 27 N; F2 = 75 N; F3 = 52 N; F4 = 34 N; F5<br />
= 36 N; α = 73,7°; β = 22,6°; en γ = 28,1°. Deze krachten gaan wij nu (in gedachten)<br />
ontbinden langs de twee assen.<br />
a. Leg uit waarom de richting van de X-as (en daarmee de richting van de Y-as) in<br />
dit geval ‘handig’ is gekozen.<br />
b. Bereken van elke kracht de X-component en de Y-component. (schrijf je<br />
antwoorden in tabelvorm op)<br />
c. Bereken de resultante van de componenten langs de X-as (Fr,x) en de resultante<br />
van de componenten langs de Y-as (Fr,y).<br />
d. Geef in een tekening Fr,x en Fr,y als vectoren weer.<br />
e. Bereken grootte en richting van de resultante van Fr,x en Fr,y. Dit is dan de<br />
resultante van de oorspronkelijke vijf krachten.<br />
25
a. De richting van de assen is handig gekozen omdat twee van de krachten daardoor op de<br />
assen komen te liggen.<br />
b. Een tabel voor de x- en y-componenten:<br />
Kracht F1 F2 F3 F4 F5<br />
Grootte 27 N 75 N 52 N 34 N 36 N<br />
Hoek met x-as 0° 73,7° 22,6° 28,1° 90°<br />
X-component 27 N 21,05 N - 48,00 N - 30,00 N 0 N<br />
Y-component 0 N 71,99 N 19,98 N - 16,01 N - 36 N<br />
De componenten werden als volgt berekend:<br />
FX = FR × cosα /β/γ<br />
FY = FR × sinα /β/γ<br />
hier kan je of de aangegeven hoek gebruiken en de kracht dan handmatig met het goede<br />
plus- of minteken voorzien, of je kan iedere keer de hoek met de positieve x-as gebruiken<br />
(α blijft 73,7°, β wordt 180-22,6=157,4°, en γ wordt 180+28,1=208,1°).<br />
c. De resultanten zijn eenvoudig uit de tabel te berekenen. Optellen van de x-componenten<br />
geeft Fr,x =-29,95 N, en optellen van de y-componenten geeft Fr,y =39,96 N.<br />
d. In de tekening plaats je een vector van 29,95 N langs de negatieve x-as, en een vector<br />
van 39,96 N langs de positieve y-as.<br />
e. De grootte van de resultante van de vijf krachten kan je nu met Pythagoras berekenen:<br />
2 2 2 2<br />
Fr = Fr,x + Fr,y = 29,95 + 39,96 = 49,94N Deze vector wijst in de negatieve<br />
richting langs de x-as en in de positieve richting langs de y-as (of: schuin omhoog naar<br />
links). De hoek die de vector daarbij met de x-as maakt is<br />
cos −1 ⎛ F ⎞<br />
X<br />
⎜ ⎟ = cos<br />
⎝ ⎠<br />
−1⎛ 29,95⎞<br />
⎜ ⎟ = 53,15° .<br />
⎝ 49,94⎠<br />
F R<br />
3. Gea knoopt drie koordjes in één punt aan elkaar, waarna zij de koordjes spant (zie figuur<br />
hieronder). Omdat Gea maar één krachtmeter heeft, kan zij alleen voor koordje A aflezen<br />
hoe groot de spankracht is. Die is 4,2 N.<br />
a. Ga na hoe Gea de spankrachten in de koordjes B en C tóch te weten is<br />
gekomen. Zijn deze waarden groter of kleiner dan de spankracht in koordje A?<br />
b. Als koordje B plotseling zou losschieten, wat gaat de krachtmeter dan kort<br />
daarna aanwijzen: 4,2 N; meer dan 4,2 N; of minder dan 4,2 N?<br />
26
a. Omdat het systeem in rust is, moet de resulterende kracht van B en C die in de<br />
tegenovergestelde richting van A werkt even groot zijn als de spankracht op touw A.<br />
Allebei de krachten zouden kleiner moeten zijn dan 4,2 N. Om de grootte van deze<br />
krachten precies te bepalen zou Gea de hoek moeten meten die B en C met elkaar<br />
maken. Het raamwerk heeft punten waaruit opgemaakt kan worden wat de hoek is van<br />
koord A, B en C met de horizontale lijn. Tan -1 (3/4)=36,87º, Tan -1 (2/4)=26,57º en Tan -<br />
1 (3/2)=56,31º. We kunnen nu de krachten ontbinden in een vertikaal en een horizontaal<br />
deel. Wanneer we naar rechts positief noemen dan krijgen we de volgende totaal<br />
berekening: 4,2cos36,87º-FBcos26,57º-FCcos56,31º=0 In vertikale richting kunnen we<br />
dit ook doen want ook daar is rust, we nemen voor de richting naar boven positief:<br />
4,2sin36,87º+FBsin26,57º-FCsin56,31º=0. Als we uitrekenen wat we kunnen uitrekenen<br />
dan komen we tot de volgende 2 vergelijkingen: 3,36-0,89FB-0,55FC=0 en 2,52+0,45FB-<br />
0,83FC=0. Na wat rekenwerk komen we op FC=3,8N en FB=1,43N. De spankrachten zijn<br />
kleiner dan in koord A.<br />
b. Als koordje B ineens losschiet, houdt alleen nog koordje C het evenwicht met A. Omdat<br />
C kleiner is dan 4,2 N zou de krachtmeter dan ook een waarde kleiner dan 4,2 N<br />
aanwijzen.Wanneer het losschiet ontstaat er ruimte op het koord (kort na het losschieten,<br />
want we weten de constructie niet hoe e.e.a. is bevestigd) en dus zal de kracht kleiner<br />
zijn.<br />
4. Je staat in een tram en je houdt je niet goed vast.<br />
Bij welke bewegingstoestanden van de tram dreig je dan je gewicht te verliezen?<br />
Bij versnelling, bij vertraging, en bij bochten. In de eerste twee gevallen verandert de tram van<br />
snelheid, maar jij niet. In het derde geval verandert de tram van richting, maar jij niet.<br />
5. Kracht, massa en versnelling:<br />
a. Bereken de resulterende kracht die zou moeten werken op een voorwerp A<br />
(massa 1,6 kg), om aan A een versnelling van 3,0 m/s 2 te geven.<br />
b. Bereken de massa van een voorwerp B als een even grote resulterende kracht<br />
aan B een versnelling van 2,0 m/s 2 kan geven.<br />
c. De onder a. genoemde kracht werkt echter op A en B samen. Bereken de<br />
versnelling die A en B hierdoor hebben.<br />
a. Om een voorwerp van 1,6 kg massa een versnelling van 3 m/s 2 te geven zou een<br />
resulterende (of netto-) kracht van 1,6 x 3 = 4,8 N moeten werken.<br />
b. Als een kracht van 4,8 N een voorwerp B een versnelling van 2,0 m/s 2 kan geven, dan<br />
moet B een massa hebben van 4,8/2 = 2,4 kg.<br />
c. Als een kracht van 4,8 N op twee voorwerpen met een gezamenlijke massa van 2,4 + 1,6<br />
= 4 kg werkt, dan kan deze kracht de voorwerpen een versnelling van 4,8/4 = 1,2 m/s 2<br />
geven.<br />
6. Door 4,0 s lang af te remmen, gaat de snelheid van een auto van 86 km/h naar 50 km/h.<br />
(Hierbij blijft de auto rechtdoor rijden.) Met inzittenden en bagage meegerekend is de<br />
massa 1,2 · 10 3 kg.<br />
a. Bereken de (gemiddelde) resulterende kracht die op de auto werkt in genoemde<br />
tijdsduur.<br />
b. Wat kan je over de richting van deze kracht opmerken?<br />
a. De vertraging van de auto is ((86-50)/3,6)/4 = - 2,5 m/s2. Als de massa van het voertuig<br />
1200 kg is, dan moet een resulterend kracht van 1200 x – 2,5 = - 3000 N werken.<br />
b. De resulterende kracht werkt in de tegenovergestelde richting van de oorspronkelijke<br />
beweging van het voertuig.<br />
27
7. In het figuur hieronder zijn drie krachten getekend die alle op hetzelfde moment op het<br />
karretje zijn gaan werken. Het karretje heeft een massa van 15 kg.<br />
a. Bereken de snelheid die het karretje 10 s later heeft.<br />
b. Bereken de afstand die het karretje in die 10 s heeft afgelegd.<br />
a. Op het karretje werkt een nettokracht van 6+4,5-7,5 = 3 N. Deze kracht geeft een massa<br />
van 15 kg een versnelling van 3/15 = 0,2 m/s 2 . Na 10 seconden heeft het karretje dus<br />
een snelheid van 2 m/s.<br />
b. Het karretje beweegt met een constante versnelling. Zijn gemiddelde snelheid over de 10<br />
seconden is daarom 1 m/s. In 10 s heeft het dan een afstand van 10m afgelegd.<br />
28
Les 4: Krachten II<br />
Er is nog een derde eigenschap van krachten die Newton heeft beschreven. Denk aan de<br />
volgende voorbeelden:<br />
1. het afschieten van een kogel geeft het geweer een ‘terugslag’<br />
2. het springen op de wal vanuit een roeiboot brengt de boot in beweging<br />
3. het afzetten tegen een hek brengt een schaatser in beweging<br />
In deze voorbeelden zie je heel duidelijk hoe het uitoefenen van een kracht ook een beweging in<br />
de omgekeerde richting veroorzaakt. Dus er wordt blijkbaar ook een kracht in de tegengestelde<br />
richting uitgeoefend. Newton heeft dit beschreven in<br />
De derde bewegingswet van Newton:<br />
Oefent een voorwerp A een kracht uit op een voorwerp B, dan oefent B gelijktijdig een<br />
even grote maar tegengesteld gerichte kracht uit op A.<br />
Dit staat ook bekend als de actie=reactie wet: iedere actie heeft een even grote reactie (waarbij<br />
je wel moet onthouden dat er geen sprake is van ‘gevolg’ – de reactie is eigenlijk dus niet echt<br />
een ‘re-actie’, maar meer een ‘co-actie’).<br />
In de voorbeelden<br />
1. oefent het geweer een kracht op de kogel uit die de kogel uitdrijft, maar de kogel oefent<br />
een even grote kracht op het geweer uit die het geweer terug laat slaan<br />
2. oefent het boot een kracht op de springer uit om hem op de wal te krijgen, maar oefent<br />
de springer een even grote kracht op het boot uit die hij in beweging zet<br />
3. oefent de schaatser een kracht op het hek uit (die zelf niet kan bewegen), maar het hek<br />
oefent dan een even grote kracht op de schaatser uit die hem in beweging brengt.<br />
Het is belangrijk om te beseffen dat de krachten elkaar in dit geval niet opheffen, ook al zijn zij<br />
even groot, omdat zij op verschillende voorwerpen werken. Dus bij elke overweging van krachten<br />
moet je altijd goed bepalen op welk voorwerp door welk voorwerp een kracht wordt uitgeoefend.<br />
Zwaartekracht en normaalkracht<br />
De massa van de aarde oefent een aantrekkende kracht op andere voorwerpen uit. Vlak bij het<br />
aardoppervlak is deze aantrekkende kracht ervoor verantwoordelijk dat voorwerpen ‘vallen’. Dit<br />
gebeurd met een karakteristieke vertikaal omlaag gerichte versnelling, g , die een gemiddelde<br />
waarde heeft van 9. 81m<br />
2 (er zit een heel klein beetje variatie in omdat de aarde draait en dus<br />
s<br />
ook nog een middelpuntvliedende kracht werkt die op de evenaar het sterkste en op de polen het<br />
zwakste is; ook is de samenstelling van aarde van invloed).<br />
De aantrekkingskracht wordt bepaald door deze versnelling en de massa van het voorwerp, en<br />
staat bekend als zwaartekracht.<br />
= m ⋅ g<br />
F z<br />
Bij een ‘vrije val’ (in een vacuüm) is er dan ook geen luchtwrijving die deze zwaartekracht<br />
tegenwerkt en vallen alle voorwerpen even snel. Maar ook als een voorwerp al op de grond ligt<br />
werkt de zwaartekracht natuurlijk nog steeds in onverminderde grootte. Omdat het voorwerp in<br />
rust is, moet er nog een tweede kracht werken die de werking van de zwaartekracht opheft (zie<br />
de tweede wet van Newton). Deze kracht wordt dan door de oppervlakte waarop het voorwerp<br />
staat, op het voorwerp uitgeoefend, en heet de normaalkracht, F n .<br />
29
Maar let op: zwaarte- en normaalkracht werken op hetzelfde voorwerp – zij zijn dus niet een<br />
actie-/reactiekracht koppel zoals in de derde wet van Newton. De reactiekracht op F n is een<br />
kracht die het voorwerp op de ondergrond uitoefent , F n '.<br />
De reactiekracht op F z is echter en<br />
tegenovergestelde aantrekkingskracht – namelijk een aantrekkingskracht die op de aarde<br />
uitgeoefend wordt door het voorwerp. Daarom werken zwaartekracht en normaalkracht ook niet<br />
altijd in precies tegenovergestelde richting. De zwaartekracht werkt altijd in richting van het<br />
middelpunt van de aarde. De normaalkracht werkt loodrecht op het vlak waarop het voorwerp<br />
zich bevindt.<br />
De normaalkracht hoeft ook niet even groot te zijn als het gewicht van een voorwerp (omdat de<br />
normaalkracht NIET een kracht is die het voorwerp zelf met zijn massa uitoefent). Er zijn<br />
verschillende situaties waarin de normaalkracht die op een voorwerp werkt kan veranderen.<br />
• Als je van boven op het liggend voorwerp drukt<br />
• Als je van boven aan het liggend voorwerp trekt (zonder het te bewegen)<br />
• Als het voorwerp op een helling ligt.<br />
Een voorwerp op een helling<br />
Op een voorwerp op een helling werkt dus een normaalkracht die niet even groot is als de<br />
zwaartekracht die op hetzelfde voorwerp werkt. Hoe groot deze normaalkracht is kan je<br />
berekenen door de zwaartekracht te ontbinden in twee componenten.<br />
30
De component van de zwaartekracht loodrecht op het vlak is even groot als de normaalkracht.<br />
Als het gewicht van het voorwerp bekend is en de hellingshoek α , dan kan je de grootte van de<br />
normaalkracht berekenen als:<br />
F n = F2<br />
= Fz<br />
cosα<br />
(hier negeren wij de richting van de kracht omdat wij alleen de grootte willen<br />
weten)<br />
De tweede component van de zwaartekracht werkt evenwijdig aan het hellende vlak.<br />
F F =<br />
1 z<br />
sinα<br />
Als er geen sprake was van wrijving zou het voorwerp door deze kracht een versnelling ervaren<br />
waardoor het naar beneden zou glijden. De versnelling kan je ook berekenen:<br />
F = m ⋅ a Fz = m ⋅<br />
m ⋅ a = m ⋅ g ⋅ sinα<br />
a = g ⋅sinα<br />
1 g<br />
Als er wel wrijving is en het voorwerp in rust ligt, dan moet de nettokracht in de<br />
tegenovergestelde richting (wrijving tussen de oppervlaktes en luchtweerstand) even groot zijn<br />
als F 1 (dus 1 F Fw = ). De (statische) wrijvingskracht die een voorwerp in rust houdt is (empirisch)<br />
gerelateerd aan de normaalkracht. Dit wordt uitgedrukt met behulp van de statische<br />
wrijvingscoëfficiënt: Fw ≤ µ s ⋅ FN<br />
. Als je een kracht van een grootte van Fw(max) = µ s ⋅ FN<br />
in<br />
tegenovergestelde richting tot de wrijvingskracht uitoefent dan begint het voorwerp te bewegen.<br />
Als het voorwerp eens beweegt, dan is de wrijvingskracht (als je luchtweerstand even negeert)<br />
gerelateerd aan de normaalkracht door een kinetische wrijvingscoëfficiënt: Fw = µ k ⋅ FN<br />
.<br />
Deze coëfficiënt hangt af van de gebruikte materialen (metaal op ijs zou een lage coëfficiënt<br />
hebben, rubber op steen een hoge). De kinetische is meestal kleiner dan de statische<br />
wrijvingscoëfficiënt – daarom is het meestal moeilijker om een voorwerp in beweging te zetten<br />
dan om het in beweging te houden.<br />
Veerkracht en spankracht<br />
Als je een voorwerp aan een veer hangt dan rekt de veer uit. De veer oefent een veerkracht op<br />
het voorwerp uit in tegenovergestelde richting tot de zwaartekracht die op het voorwerp werkt,<br />
Fv = −Fz<br />
; Voor de grootte van de veerkracht geldt de formule FV = C u, waarin C de<br />
veerconstante is (in N/m) en u de uitrekking van de veer (in m).<br />
31
Als je een voorwerp aan een touw hangt, dan kan het touw niet uitrekken, maar het voorwerp<br />
oefent wel een spankracht ( F s )op het touw uit.<br />
Veerkracht en spankracht zijn krachten die bij het hangend voorwerp in rust de zwaartekracht<br />
opheffen.<br />
Wat je moet kunnen<br />
- de bewegingswetten van Newton weergeven<br />
- bepalen wat voor krachten in een gegeven situatie op een voorwerp werken, op wie en door<br />
wie krachten uitgeoefend worden, en hoe traagheid ‘zichtbaar’ wordt<br />
- berekenen wat voor kracht nodig is om een voorwerp van een gegeven massa een bepaalde<br />
versnelling (vertraging) te geven; wat voor versnelling je bij gegeven massa en kracht kan<br />
bereiken<br />
32
Vragen bij les 4: krachten<br />
8. Met behulp van een tweearmige balans (zie figuur hieronder) kun je massa’s met elkaar<br />
vergelijken. Je maakt dan gebruik van geijkte ‘massastukken’.<br />
Zo’n balans is in evenwicht zodra op elk van de schalen een even grote kracht wordt<br />
uitgeoefend. Dit is het geval als de aarde even hard aan het ‘te wegen’ voorwerp op de<br />
ene schaal trekt als aan de massastukken op de andere schaal. Kortweg gezegd geldt dan<br />
Fz,links = Fz,rechts.<br />
Maak nu duidelijk dat bij gebruik van zo’n balans de grootte van de valversnelling géén rol<br />
speelt (zodat inderdaad massa’s met elkaar worden vergeleken).<br />
De grootte van de valversnelling speelt hier geen rol omdat zij aan allebei de kanten werkt.<br />
Zij kan dan uit de vergelijking weggestreept worden:<br />
F z,links = F z,rechts ⇔ g⋅ m links = g⋅ m rechts<br />
9. Bij windstil weer beweegt een regendruppel met constante snelheid recht omlaag.<br />
a. Welke twee krachten werken op de druppel?<br />
b. Wat kun je opmerken over grootte en richting van deze krachten tijdens<br />
genoemde beweging van de druppel?<br />
a. Er werken zwaartekracht en luchtweerstand op de druppel.<br />
b. De zwaartekracht werkt recht omlaag, de luchtweerstand recht omhoog op de druppel.<br />
Omdat deze naar beneden valt kunnen wij concluderen dat de zwaartekracht groter is<br />
dan de luchtweerstand. Als de snelheid constant is, is de uitkomst van de som van de<br />
krachten in vertikale richting nul. Fz=Fw.<br />
10. Een doos met een massa van 10 kg rust op een glad, wrijvingsloos horizontaal oppervlak.<br />
a. Bereken het gewicht van de doos en de normaalkracht die er door de tafel op<br />
uitgeoefend wordt.<br />
b. Bereken de normaalkracht als je met een kracht van 40 N omlaag op de doos<br />
drukt.<br />
c. Bereken de normaalkracht als je de doos aan een touw met een kracht van 40 N<br />
omhoog trekt.<br />
a. Het gewicht van de doos is 10kg x 9,81 m/s 2 = 98,1N = FZ. Deze kracht werkt vertikaal<br />
omlaag. Omdat de doos in rust is, is de enige kracht die vertikaal omhoog werkt de<br />
normaalkracht die de tafel op de doos uitoefent. Deze is even groot (maar qua richting<br />
tegenovergesteld) als de zwaartekracht, dus 98,1 N. De som van de twee krachten is 0:<br />
FN-FZ = 0<br />
b. Er werken nu drie krachten op de doos: de zwaartekracht, de normaalkracht, en de<br />
kracht die door de druk op de doos uitgeoefend wordt. De doos drukt nu met een gewicht<br />
van de zwaartekracht + 40 N tegen de tafel aan. De tafel moet dus een normaalkracht op<br />
de doos uitoefenen van FZ+40N = FN = 138,1N.<br />
33
c. Het gewicht van de doos is nog steeds 98,1N, en deze zwaartekracht is vertikaal omlaag<br />
gericht. Als je nu van boven met een kracht van 40N aan het voorwerp trekt, dan is de<br />
resulterende kracht die het voorwerp op de oppervlakte van de tafel uitoefent kleiner dan<br />
zijn gewicht, namelijk 98,1 – 40 = 58,1N. De normaalkracht waarmee de tafel ‘terug drukt’<br />
is dan even groot, namelijk ook 58,1N.<br />
11. Iemand staat op een personenweegschaal in een lift die stil hangt. Wanneer de lift in<br />
beweging komt, geeft de weegschaal even aan dat het gewicht van de persoon slechts<br />
75% van diens normaal gewicht is. Bereken de versnelling van de lift en bepaal de richting<br />
van de versnelling.<br />
Bij stilstand van de lift is de kracht die de weegschaal registreert even groot als de<br />
normaalkracht die de weegschaal op de vrouw uitoefent, en deze is even groot als de<br />
zwaartekracht die op de vrouw werkt, dus FZ = FN1 = m g.<br />
Als de lift in beweging komt dan verandert de som van de krachten die op de vrouw<br />
werken. De vrouw ervaart een (onbekende) versnelling a, dus de som van de krachten is<br />
F(som) = FZ-FN2 = m a.<br />
De zwaartekracht FZ blijft echter hetzelfde, want g verandert niet. Maar FN heeft nu nog<br />
maar 75% van zijn oorspronkelijke waarde, dus FN2 = 0,75 FN1.<br />
Je kunt dan voor de som van de krachten schrijven m a = FN1 – 0,75 FN1 = 0,25 FN1 = 0,25<br />
(m g). Dus a = 0,25 g = 2,45 m/s 2 . Deze versnelling heeft hetzelfde teken als g en werkt<br />
dus in dezelfde richting: de lift daalt.<br />
12. Op een sleetje (massa 5,0 kg) gaat een kracht van 20 N werken zoals in het figuur<br />
hieronder weergegeven.<br />
a. Bereken de normaalkracht.<br />
b. Bereken de versnelling die het sleetje krijgt als je wrijving kunt verwaarlozen.<br />
c. De grond oefent op het sleetje echter een wrijvingskracht uit van 14 N. Bereken<br />
opnieuw de versnelling.<br />
a. De normaalkracht werkt recht omhoog op het sleetje. Zij is even groot als de<br />
duwkracht die het sleetje op de grond uitoefent. Deze duwkracht is op een recht<br />
oppervlak even groot als de zwaartekracht die op het sleetje werkt, namelijk<br />
2<br />
Fz = 5kg<br />
⋅ 9,<br />
81m<br />
/ s = 49,<br />
05N<br />
. Maar deze kracht wordt in dit geval echter<br />
verkleind door de verticale component van de trekkracht – deze is<br />
Ft ( v)<br />
= sin 37°<br />
× 20N<br />
= 12N<br />
. De normaalkracht is dan Fn = 49 −12<br />
= 37N<br />
:<br />
b. De component van de kracht F die in de richting van de beweging van het sleetje is<br />
gericht is Fvoorwaarts = F ⋅ cos 37°<br />
= 15,<br />
97N<br />
. Deze kracht kan een gewicht van 5 kg<br />
een versnelling van 15,97/5 = 3,19 m/s 2 geven, als wij wrijving kunnen verwaarlozen.<br />
c. Met een wrijvingskracht van 14 N werkt nog maar een kracht van 15,97-14=1,97 N in<br />
de richting van de beweging van het sleetje. Deze kracht kan het sleetje nog een<br />
versnelling van 1,97/5 = 0,39 m/s 2 geven.<br />
34
13. Het sleetje van de vorige opgave wordt even later op een ‘hellend vlak’ gezet (met een<br />
hellingshoek van 23°). Na loslaten blijkt het sleetje in 10 s een afstand van 20 m af te<br />
leggen.<br />
a. Bereken de versnelling van het sleetje.<br />
b. Bereken de wrijvingskracht die op het sleetje heeft gewerkt.<br />
a. Als het sleetje in 10 s een afstand van 20 m aflegt heeft het een gemiddelde<br />
snelheid van 2 m/s gehad. Bij een beweging met constante versnelling moet de<br />
eindsnelheid dan 4 m/s geweest zijn, en zijn versnelling dus 4/10 = 0,4 m/s 2 .<br />
b. De component van de zwaartekracht die in de richting van de beweging van het<br />
sleetje werkt is F1 = Fz ⋅ sin23° = 49,05N⋅ sin23° =19,17N . Uit de versnelling<br />
kunnen wij concluderen dat de daadwerkelijke kracht langs de helling echter 5 x 0,4<br />
= 2 N was. Er moet dus een wrijvingskracht van 17,17 N in de tegenovergestelde<br />
richting hebben gewerkt.<br />
14. De kabel waaraan een lijft met een massa van 2125 kg hangt heeft een breuksterkte van<br />
21750 N. Hoe groot is de versnelling die de kabel aan de lift kan geven zonder te breken?<br />
Bij een breuksterkte van 21750 N kan de kabel een maximale versnelling van a = F/m =<br />
21750/2125 = 10,24 m/s 2 aan de lift geven. Bij versnellingen groter dan dit zal de kabel<br />
breken.<br />
35
ARBEID<br />
Les5: Arbeid en Energie<br />
Als je kracht inzet om een voorwerp te verplaatsen dan verricht je (uit ervaring, maar ook<br />
natuurkundig) arbeid. Hoe meer kracht je in moet zetten (bijvoorbeeld bij een zwaarder<br />
voorwerp, of bij hogere versnelling) of hoe verder je het moet verplaatsen, hoe meer arbeid je<br />
verricht.<br />
Deze samenhang vind je terug in de natuurkundige definitie van arbeid:<br />
W = F ⋅ s<br />
waarin W (‘work’ – werk) het symbool voor arbeid is en s het symbool voor<br />
verplaatsing (in meter). De eenheid van arbeid is dan ook Nm (<strong>new</strong>ton-meter), of<br />
met zijn eigen naam: joule. ( 1 Nm = 1 J )<br />
Je ziet in deze formule dat de samenhang lineair is – dus als je een voorwerp twee keer zo ver<br />
verplaatst, of als je twee keer zoveel kracht in moet zetten, dan verricht je ook twee keer zoveel<br />
arbeid.<br />
In het voorbeeld boven:<br />
Het mannetje moet een kracht van 20N inzetten om de kist van 10kg te verplaatsen,<br />
maar een kracht van 100N om de kist van 50kg te verplaatsen. De arbeid die hij erbij<br />
over een afstand van 5m verricht is daarom 100J voor de kist van 10kg, en 500J voor de<br />
kist van 50kg.<br />
Een aantal opmerkingen bij de definitie van arbeid:<br />
• Natuurkundig gezien verricht niet een persoon of machine de arbeid, maar de betrokken<br />
kracht (spierkracht of machinekracht)<br />
• Zonder verplaatsing wordt geen arbeid verricht (hoewel een kracht wel zonder<br />
verplaatsing uitgeoefend kan worden)<br />
o Voorbeeld: je staat stil met een zware zak boodschappen. Je oefent dan wel een<br />
kracht uit op de zak, maar op dat moment verricht je geen arbeid op de zak. Je<br />
moest wel arbeid verrichten om de zak omhoog te tillen.<br />
36
• Voor berekenen van arbeid moeten kracht en verplaatsing dezelfde richting hebben. Is<br />
dat niet het geval, dan moet je eerst met behulp van een vectordiagram de component<br />
van de kracht uitwerken die wel in de richting van de verplaatsing ligt. Als de hoek tussen<br />
de krachtvector en de verplaatsingsvector α (alfa) is, dan is dus:<br />
W = ( F ⋅ cosα<br />
) ⋅ s<br />
o Voor een hoek van α = 0°<br />
(dus precies in de richting van beweging) is<br />
cos α = 1 en krijg je de oorspronkelijke formule terug: W = F ⋅ s<br />
o Voor hoeken van 0° < α < 90°<br />
moet je dan de horizontale component<br />
berekenen.<br />
o Loodrechte krachten ( α = 90°<br />
, denk aan bijvoorbeeld de normaalkracht)<br />
verrichten dus geen arbeid bij de verplaatsing ( cos α = 0 ), en een kracht die<br />
tegenover de richting van de verplaatsing werkt, zoals de wrijvingskracht, verricht<br />
negatieve arbeid ten opzichte van de verplaatsing ( 90° < α ≤ 180°<br />
dus<br />
cos α < 0 ).<br />
(Voorbeeld: jij en de zak met boodschappen. Je verricht arbeid op de zak<br />
als je hem optilt, maar niet als je ermee stil staat. Je verricht arbeid op de<br />
zak als je begint te lopen (dus als je versnelt), maar niet als je met<br />
constante snelheid op een vlakke vloer loopt.)<br />
Voorbeeld:<br />
Je gaat met een sleetje een helling af. Arbeid wordt op jou en het sleetje verricht door de<br />
component van de zwaartekracht die evenredig is aan de helling, en door de<br />
wrijvingskracht (dit is negatieve arbeid!). Geen arbeid wordt verricht door de<br />
normaalkracht, omdat deze altijd loodrecht staat op de richting van de beweging.<br />
Zoals wij bij het onderwerp ‘krachten’ al hebben gezien werken op een voorwerp meestal een<br />
aantal krachten. Al deze krachten zouden bij de verplaatsing van een voorwerp arbeid kunnen<br />
verrichten (behalve de normaalkracht dan). De netto arbeid is dan de som van al deze krachten.<br />
Dat betekent onder ander ook dat er geen netto arbeid wordt verricht als bij de verplaatsing van<br />
een voorwerp geen snelheidsverandering plaatsvindt! Het is wel zo dat de arbeid op het<br />
voorwerp door verschillende krachten uitgeoefend wordt – dus iemand die een kist met<br />
constante snelheid trekt moet wel arbeid verrichten, alleen de wrijvingskracht verricht<br />
tegelijkertijd precies zo veel negatieve arbeid, zodat de netto arbeid die op de kist wordt verricht<br />
nul is.<br />
Het is dus belangrijk bij een verplaatsingsproces altijd precies te bepalen:<br />
• door wie wordt arbeid verricht (en hoe veel)?<br />
• op welk voorwerp wordt de arbeid verricht?<br />
• is er sprake van een netto arbeid die op het voorwerp verricht wordt (wordt een netto<br />
kracht uitgeoefend)?<br />
37
Arbeid, zwaartekracht en kromme banen<br />
Als een voorwerp recht omlaag beweegt is de arbeid die door de zwaartekracht verricht wordt<br />
eenvoudig te berekenen:<br />
Wz = Fz<br />
⋅ s ⋅ cos 0°<br />
= m ⋅ g ⋅ h<br />
waarin m de massa is, g de valversnelling, en h het doorlopen hoogteverschil.<br />
Maar als het voorwerp nu op een schuine, of kromme baan naar beneden beweegt?<br />
Gelukkig is ook hier de arbeid vrij eenvoudig te berekenen. In de formule voor arbeid stelt s<br />
namelijk niet de ‘doorlopen baan’ voor, maar echter de verplaatsing (dus een vector):<br />
Het gedeelte van de zwaartekracht dat in de richting van de verplaatsing werkt is F z ⋅ cosα<br />
. De<br />
h<br />
verplaatsing zelf is s = . Dan is de arbeid die bij de verplaatsing door de kromme baan<br />
cosα<br />
h<br />
door de zwaartekracht verricht wordt: Wz = Fz<br />
⋅ cos α ⋅ = m ⋅ g ⋅ h .<br />
cosα<br />
De arbeid die de zwaartekracht bij verplaatsing van een voorwerp op dat voorwerp<br />
verricht is daarom NIET afhankelijk van de baan die het voorwerp erbij doorloopt, maar<br />
alleen van het hoogteverschil tussen begin- en eindpunt. Er geldt altijd: =<br />
m ⋅ g ⋅ h<br />
W z<br />
38
Vragen bij les 5: arbeid en energie<br />
1. In welke opzichten heeft het woord ‘arbeid’ in het dagelijkse taalgebruik dezelfde betekenis<br />
als de natuurkundige definitie van arbeid? In welke opzichten niet? Geef voorbeelden. Als<br />
er moeite voor wordt gedaan: Het bewegen zonder windje-mee, het ervaren van<br />
energie(arbeids)levering bij een bergbeklimming, kortom als we er moeite(arbeid) voor<br />
moeten verrichten.<br />
2. Tanja glijdt op haar sleetje een helling af die met een ijslaag is bedekt. De helling is 34m<br />
lang en heeft een hellingshoek van 15°. De helling oefent op het sleetje een<br />
wrijvingskracht van 18N uit. Tanja en haar sleetje hebben samen een massa van 22kg.<br />
Bereken de arbeid die zwaartekracht, wrijvingskracht en normaalkracht verrichten op Tanja<br />
en haar sleetje samen (voer een aparte berekening voor elke kracht uit).<br />
Zwaartekracht: het gedeelte van de zwaartekracht dat in de bewegingsrichting werkt<br />
bereken je met F h F<br />
kg m<br />
z ( ) = z sin15°<br />
= 22 ⋅9,<br />
81 2 ⋅ 0,<br />
2588 = 55,<br />
86N<br />
Deze kracht werkt<br />
s<br />
over een afstand van 34m, dus verricht de zwaartekracht een arbeid van<br />
Wz = Fz<br />
⋅ s = 55 , 86N<br />
⋅34m<br />
= 1899,<br />
2Nm<br />
Wrijvingskracht: de arbeid die een wrijvingskracht van 18N over 34m verricht is:<br />
Ww = Fw<br />
⋅ s = 18N ⋅ 34m<br />
⋅ cos180°<br />
= −612Nm<br />
(je moet hier met cos180°<br />
vermenigvuldigen omdat de kracht in de tegenovergestelde richting van de<br />
bewegingsrichting werkt.<br />
Normaalkracht: de normaalkracht verricht géén arbeid omdat deze kracht voortdurend<br />
loodrecht op de richting van verplaatsing staat.<br />
3. Tanja zit nog steeds op haar sleetje, dat in beweging wordt gehouden door haar grote zus<br />
Katja. Het sleetje glijdt met constante snelheid over een horizontale ijsvlakte.<br />
Eerste situatie:<br />
Katja duwt van achteren tegen het sleetje met een horizontaal gerichte kracht van 24N. Zij<br />
houdt dit vol over een afstand van 50m.<br />
a) Bereken de arbeid die Katja’s duwkracht op het sleetje verricht.<br />
b) Bereken de arbeid die de wrijvingskracht op het sleetje verricht.<br />
c) Zijn er nog andere krachten die werken op Tanja en haar sleetje? Zo ja, wordt er<br />
door die kracht(en) dan arbeid verricht? Licht je antwoord toe.<br />
Tweede situatie:<br />
Katja trekt het sleetje aan een touw voort, waarbij dit touw een hoek van 35°maakt met de<br />
ijsvlakte. De trekkracht van Katja bedraagt 27N. Opnieuw wordt met constante snelheid<br />
een afstand van 50m afgelegd.<br />
d) Bereken de arbeid die Katja’s trekkracht op het sleetje verricht.<br />
e) Bereken de arbeid die de wrijvingskracht op het sleetje verricht.<br />
a) Katja duwt in precies de richting van beweging (dus α = 0°<br />
). Haar kracht van 24N<br />
verricht dan over 50m een arbeid van Wd = Fd<br />
⋅ s = 24 N ⋅ 50m<br />
⋅ cos0°<br />
= 1200Nm<br />
b) Omdat het sleetje met constante snelheid glijdt, moet de nettokracht die erop werkt<br />
nul zijn. De wrijvingskracht moet dus even groot als de voorwaarts gerichte kracht<br />
zijn, 24N, en de wrijvingsarbeid over de 50m even groot als de arbeid die Katja’s<br />
duwkracht verricht. Ww = −Wd<br />
= −1200Nm<br />
(met een negatief teken – andere<br />
richting!)<br />
c) Op het sleetje werken nog normaalkracht en zwaartekracht, maar op een horizontale<br />
vlakte staan deze voortdurend loodrecht op de richting van verplaatsing. Zij<br />
verrichten dus geen arbeid op het sleetje.<br />
d) Alleen het gedeelte van Katja’s trekkracht dat in de richting van verplaatsing werkt<br />
kan arbeid verrichten, dus =<br />
F ( h)<br />
⋅ s = 27N<br />
⋅50m<br />
⋅ cos35°<br />
= 1106Nm<br />
Wt t<br />
39
e) Omdat het sleetje nog steeds met constante snelheid glijdt (zie (b)), moet de arbeid<br />
verricht door de wrijvingskracht even groot zijn als de arbeid verricht door de<br />
trekkracht, maar met een minteken, dus = −W<br />
= −1106Nm<br />
Ww t<br />
4. Een zwaar betonblok wordt met behulp van een hijskraan gehesen (zie plaatje). Het blok<br />
dat een massa heeft van 510 kg, gaat met een snelheid van 0,15 m/s omhoog.<br />
a) Bereken de kracht die de kabel op het blok uitoefent.<br />
b) Bereken de arbeid die deze kracht in precies één minuut verricht.<br />
c) Hoeveel arbeid wordt er in dezelfde tijd verricht door de zwaartekracht die op het<br />
blok werkt?<br />
a) Het blok trekt met een kracht met de grootte van de zwaartekracht aan de kabel, dus<br />
moet de kracht die de kabel op het blok uitoefent even groot zijn.<br />
F F m g kg m<br />
t = z = ⋅ = 510 ⋅ 9.<br />
81 2 = 5003,<br />
1N<br />
(De krachten werken natuurlijk in<br />
s<br />
tegenovergestelde richting, zodat een van hen eigenlijk ook een minteken zou<br />
moeten hebben)<br />
b) Bij een snelheid van 0,15 m/s legt het blok in één minuut een weg van 0,15 x 60 =<br />
9m af. Een kracht van 5003,1N verricht over 9m een arbeid van<br />
Wt = Ft<br />
⋅ s = 5003 , 1N<br />
⋅ 9m<br />
= 45028Nm<br />
c) Omdat het blok met constante snelheid beweegt moet er even veel arbeid in<br />
tegenovergestelde richting van de bewegingsrichting verricht worden. De enige<br />
kracht die deze arbeid in dit geval kan verrichten is de zwaartekracht, dus<br />
= −W<br />
= −45028Nm<br />
Wz t<br />
5. Een wandelaar draagt met constante snelheid een 15kg zware rugzak een heuvel op. De<br />
top van de heuvel ligt 85m hoger dan zijn uitgangspunt. Hoeveel arbeid moet de<br />
wandelaar daarvoor op de rugzak verrichten, en hoeveel nettoarbeid wordt op de rugzak<br />
verricht?<br />
De wandelaar oefent een verticale kracht op de rugzak uit die even groot is als de<br />
zwaartekracht die op de rugzak (in tegengestelde richting) werkt:<br />
Fwand = Fz = m⋅ g =15kg⋅ 9.81m 2<br />
s =147,15N<br />
Hij verplaatst deze rugzak met constante snelheid, we veronderstellen dat de horizontale<br />
krachten op de rugzak verwaarloosbaar zijn. De wandelaar verplaatst de rugzak wel in<br />
verticale richting. De arbeid die de wandelaar voor deze verplaatsing inzet is<br />
Wwand = Fwand ⋅ s⋅ cosα (de kracht van de wandelaar werkt in een hoek α met de richting<br />
van de verplaatsing), maar s⋅ cosα = h (de hoogte van de heuvel). Dus is de arbeid die<br />
de wandelaar op de rugzak verricht<br />
Wwand = Fwand ⋅ h =147,1N⋅ 85m =12503,5Nm =12,5kJ . Maar tegelijkertijd verricht de<br />
zwaartekracht precies evenveel arbeid op de rugzak in tegengestelde richting; -12,5kJ. dus<br />
is de nettoarbeid die op de rugzak verricht wordt nul! De energie van de rugzak is op de<br />
top van de heuvel 12,5kJ.<br />
40
6. Een kogeltje wordt bij A tegen de binnenkant van een cirkelvormige goot gehouden (zie<br />
hieronder). Het zwaartepunt van het kogeltje ligt dan op 42cm afstand van M. Het kogeltje<br />
heeft een massa van 31g. Na loslaten doorloopt het kogeltje de goot.<br />
a) Bereken de arbeid die de zwaartekracht daarbij op het kogeltje verricht.<br />
b) Werken er – bij het doorlopen van de goot – nog andere krachten op het<br />
kogeltje? Zo ja, verrichten die krachten dan arbeid op het kogeltje? Licht je<br />
antwoord toe.<br />
a) Het hoogteverschil tussen A en B is h = 0 , 42m<br />
⋅ cos50°<br />
= 0,<br />
27m<br />
. Dan is de arbeid<br />
die de zwaartekracht bij verplaatsing van A naar B verricht:<br />
W m g h kg m<br />
z = ⋅ ⋅ = 0, 031 ⋅ 9,<br />
81 2 ⋅ 0,<br />
27m<br />
= 0,<br />
0821Nm<br />
De zwaartekracht verricht<br />
s<br />
daarbij eerst positieve arbeid (tot het diepste punt van de goot, en daarna negatieve<br />
arbeid (omhoog tot punt B).<br />
b) Op het kogeltje werken nog centrifugaalkracht, wrijvingskracht en normaalkracht. De<br />
normaalkracht verricht geen arbeid, de wrijvingskracht wel (tot het diepste punt werkt<br />
deze in tegenovergestelde richting van de zwaartekracht, daarna in dezelfde<br />
richting). De centrifugaalkracht wordt opgeheven door de normaalkracht en verricht<br />
geen arbeid, omdat de afstand tot het middelpunt gelijk blijft.<br />
41
ENERGIE<br />
Les6: Arbeid en Energie II<br />
Om arbeid te kunnen verrichten is energie nodig. Of andersom uitgedrukt: iets dat arbeid kan<br />
verrichten moet ook energie hebben. Maar wat is energie? Energie komt in heel veel<br />
verschillende vormen voor. De belangrijkste voor ons zijn:<br />
• Kinetische energie<br />
• Zwaarte-energie<br />
• Veerenergie<br />
(er zijn ook nog bijvoorbeeld elektrische energie, magnetische energie, chemische energie,<br />
kernenergie, stralingsenergie en inwendige energie)<br />
Een kleine kanttekening: de ‘mogelijkheid om arbeid te verrichten’ is een niet erg nauwkeurige<br />
definitie van energie die desalniettemin voor onze doelen (en mechanische vormen van energie)<br />
toerijkend is. Het is echter te eenvoudig en is ook niet geldig voor alle soorten energie.<br />
Kinetische energie:<br />
Alles wat in beweging is bezit energie. Denk aan stromend water dat een waterrad beweegt<br />
(stilstaand water kan dat niet), of een luchtstroom (bewegende luchtdeeltjes) die een zeilboot<br />
voortdrijven.<br />
Hoe sneller een voorwerp beweegt en hoe zwaarder het is, hoe meer kinetische energie het<br />
bezit. Dit verband wordt in de volgende formule aangetoond:<br />
U K<br />
=<br />
1<br />
2<br />
m ⋅ v<br />
2<br />
waarin U het symbool voor energie is (vaak wordt ook E gebruikt).<br />
Als de kinetische energie van een voorwerp tijdens een verplaatsing verandert (denk aan<br />
versnelling of vertraging) dan is er netto arbeid verricht op het voorwerp.<br />
Zwaarte-energie:<br />
Als je een bowlingbal van 4kg van 10cm hoogte op je auto laat vallen dan krijg je er een flinke<br />
deuk in. Een steentje van 4g zal van 10cm hoogte geen deuk maken. Maar als je hetzelfde<br />
steentje van 100m hoogte op je auto laat vallen dan is die deuk net zo groot als die van de<br />
bowlingbal. In al deze gevallen werd arbeid verricht (om het metaal te ‘verplaatsen’), dus moeten<br />
de bowlingbal en het steentje energie bezitten. Deze energie is groter naarmate het voorwerp<br />
zwaarder is en zich hoger boven de grond bevindt, en omdat na loslaten de zwaartekracht voor<br />
beweging zorgt, noemen wij deze energie ook zwaarte-energie.<br />
U Z<br />
= m ⋅ g ⋅ h<br />
waarin g de massa van het voorwerp is en h het hoogteverschil dat het voorwerp<br />
kan doorlopen.<br />
Veerenergie:<br />
Stel dat je een horizontale veer indrukt en er een voorwerp tegen aan legt. Als je dan de veer<br />
loslaat, dan oefent de veer bij het ontspannen een kracht op het voorwerp uit die wederzijds het<br />
voorwerp verplaatst. Een ingedrukte veer moet dus energie bezitten.<br />
De kracht die op de veer moet worden uitgeoefend om het in te drukken is te berekenen met<br />
42
F = C ⋅ x<br />
waarin C de veerconstante is (in N/m) en x de uitrekking (in m)<br />
De arbeid die iemand moet verrichten om de veer een afstand x in te drukken of uit te rekken is<br />
te berekenen met:<br />
1 2<br />
W = C ⋅ x<br />
2<br />
(let op: dit is niet te berekenen met W = F.s, omdat in dit geval de benodigde kracht ook<br />
afhankelijk van de grootte van x is, dus toeneemt hoe verder de veer ingedrukt wordt)<br />
De voorbeelden boven maken duidelijk dat er voortdurend processen plaatsvinden waarbij<br />
energie overgedragen wordt. De energie van een voorwerp kan omgezet worden in andere<br />
vormen van energie, en het voorwerp zelf kan energie ontvangen.<br />
OMZETTEN VAN ENERGIE<br />
Allebei de veer- en de zwaarte-energie zijn vormen van energie die afhankelijk zijn van de<br />
verplaatsing van een voorwerp. In feite heb je door de verplaatsing (of vervorming in het geval<br />
van de veer) eerst energie aan het voorwerp gegeven. Deze energie kan dan door loslaten<br />
omgezet worden in beweging, maar voordat je loslaat ‘zit’ de energie in het voorwerp. Deze<br />
vormen van energie noemen wij daarom ook vaak met een verzamelnaam: potentiële energie.<br />
(andere soorten van potentiële energie zijn bijvoorbeeld chemische, elektrische, of kernenergie)<br />
Voorbeeld 1:<br />
Je schiet een kogel vertikaal omhoog. Door het afschieten geef je de kogel kinetische<br />
energie die deze gebruikt om omhoog te vliegen. Daarbij neemt de snelheid geleidelijk af,<br />
en als de kogel zijn hoogste punt heeft bereikt is de gehele kinetische energie omgezet in<br />
zwaarte-energie. Deze potentiële energie wordt dan op de weg naar beneden weer<br />
omgezet in kinetische energie (en als hij de grond bereikt is het deze kinetische energie<br />
die ergens naartoe moet…).<br />
In dit voorbeeld wordt energie omgezet, maar niet overgedragen. De energie verandert<br />
van kinetisch naar zwaarte en weer terug, maar allebei zitten in het kogeltje zelf en<br />
worden niet aan een ander voorwerp overgedragen (tot het kogeltje de grond bereikt).<br />
43
Voorbeeld 2:<br />
Een karretje staat voor een gespannen veer. De veer bezit dan veerenergie, Laat je de<br />
veer los ontspant deze zich, waardoor het karretje wordt weggeschoten. Hier vindt<br />
energie-overdracht plaats (de veer geeft haar energie aan het karretje), en energieomzetting<br />
(veerenergie gaat over in kinetische energie).<br />
Dit brengt ons naar een van de belangrijkste wetten in de natuurkunde:<br />
Wet van behoud van energie<br />
In een willekeurig proces neemt de totale energie nooit toe of af. Energie kan omgezet<br />
worden van de ene vorm naar de andere, en kan van een voorwerp overgedragen worden<br />
op een ander, maar de totale hoeveelheid blijft constant.<br />
44
De kogel in ons voorbeeld heeft dan ook een totale mechanische energie gekregen (door het<br />
schot) die de som is van zijn kinetische en potentiële energie. Als er geen sprake is van contact<br />
met een ander voorwerp waarop deze energie kan worden overgedragen dan zullen kinetische<br />
en potentiële energie gewoon in elkaar veranderen, maar de totale mechanische energie van de<br />
kogel blijft behouden.<br />
In de praktijk neemt de mechanische energie echter geleidelijk af omdat er zogenoemde<br />
dissipatieve krachten zijn, zoals wrijvingskrachten, die de mechanische energie verminderen. De<br />
kogel is namelijk wel in contact met luchtdeeltjes en geeft daardoor een deel van zijn energie aan<br />
deze luchtdeeltjes af. Daarom lokt wrijving ook voelbare warmte uit – dat is dan namelijk energie<br />
van het bewegend voorwerp die in warmte-energie van het stilstaand voorwerp wordt omgezet.<br />
Dit moet je zeker onthouden:<br />
1. Energie bezitten betekent in staat zijn arbeid te verrichten<br />
2. Wordt er arbeid verricht, dan wordt er energie overgedragen en/of omgezet<br />
3. Energie heeft (dan ook) dezelfde eenheid als arbeid: de joule.<br />
45
KINETISCHE ENERGIE EN ARBEID<br />
Als de kinetische energie van een voorwerp verandert, dan moet door één of meer van de<br />
krachten die op het voorwerp werken arbeid verricht worden.<br />
Voorbeeld:<br />
Op een (rechte en vlakke) glijbaan neemt in het begin je snelheid toe. Dit is te danken<br />
aan de component van de zwaartekracht die langs de helling omlaag gericht is. Deze<br />
component is groter dan de wrijvingskracht en daardoor krijg je versnelling. In arbeid<br />
uitgedrukt: de omlaag gerichte kracht verricht positieve arbeid (de kracht heeft dezelfde<br />
richting als je beweging), en meer dan de negatieve arbeid die door de wrijvingskracht<br />
verricht wordt. Dit verschil wordt omgezet in kinetische energie – je kinetische energie (of<br />
snelheid) neemt dan ook toe.<br />
Tegen het einde van de glijbaan wordt de zwaartekracht langs de helling omlaag kleiner.<br />
Daarmee wordt ook de arbeid die door deze kracht verricht wordt kleiner, en kleiner dan<br />
de arbeid die door de wrijvingskracht verricht wordt. Daarmee neemt je kinetische<br />
energie weer af, en vertraagt de beweging.<br />
De samenhang tussen arbeid en kinetische energie kan je ook als formule uitdrukken:<br />
∑<br />
= ( U K ) eind − ( U K ) begin of ∑<br />
W W = ∆U<br />
In woorden: de arbeid die door alle krachten samen op het voorwerp is verricht, is gelijk aan de<br />
verandering in kinetische energie van het voorwerp.<br />
1 2<br />
In het voorbeeld boven: in het begin neemt je snelheid toe. En omdat U K = m ⋅ v wordt je<br />
2<br />
kinetische energie groter. Hoe veel groter je kinetische energie, en daarmee je snelheid, wordt is<br />
evenredig aan de hoeveelheid arbeid die verricht is om je te versnellen.<br />
Als je dus weet welke krachten op een voorwerp werken, en je weet de snelheid aan het begin<br />
van een traject, dan kan je uit deze gegevens vrij eenvoudig de eindsnelheid van het voorwerp<br />
berekenen.<br />
Een bijzonder geval van de bovengenoemde formule (die vaak in toetsvragen voorkomt) is een<br />
beweging waar de wrijvingskrachten verwaarloosd kunnen worden. Dan wordt er uitsluitend<br />
arbeid verricht door de zwaartekracht. Een voorbeeld ervan is het kogelschot recht omhoog<br />
die wij boven al hebben gezien. Maar ook de beweging van een gewicht aan een touw heen en<br />
weer, of de beweging van een bal langs de binnenkant van een goot zijn voorbeelden.<br />
In dit geval is het verlies aan zwaarte-energie gelijk aan de winst aan kinetische energie (en<br />
omgekeerd):<br />
W = ∆U<br />
Z<br />
K<br />
De zwaarte-energie is evenredig aan het hoogteverschil tussen begin en eindpunt van het<br />
voorwerp. Als het eindpunt lager ligt dan het beginpunt, verliest het voorwerp zwaarte-energie<br />
( m ⋅ g ⋅ h ). Een even groot getal wint het aan kinetische energie. Als de kinetische energie aan<br />
1 2<br />
1 2<br />
het begin gelijk is aan ( U K ) A = m ⋅ v A en aan het einde aan ( U K ) B = m ⋅ vB<br />
dan kan je<br />
2<br />
2<br />
de eindsnelheid berekenen (mits je de beginsnelheid kent):<br />
1 2<br />
1<br />
WZ =<br />
( U K ) B − ( U K ) A of m ⋅ vB<br />
= m ⋅ g ⋅ h + m ⋅ v A<br />
2<br />
2<br />
K<br />
2<br />
46
De massa kan je hier gewoon wegstrepen! Dan krijg je dus:<br />
1 2 1<br />
⋅ vB = g ⋅ h + ⋅ v<br />
2<br />
2<br />
2<br />
A<br />
Als je wrijvingskrachten kan verwaarlozen hangt de eindsnelheid van een voorwerp in deze<br />
gevallen dus NIET van zijn massa af. Net als bij de vrije val zou een zwaar voorwerp dan over<br />
hetzelfde traject dezelfde versnelling ondergaan als een lichter voorwerp (maar de kinetische<br />
energie van het zwaarder voorwerp op het eindpunt is wel groter dan die van het lichter<br />
voorwerp).<br />
VERMOGEN<br />
Soms is het niet alleen belangrijk hoeveel arbeid verricht wordt, maar ook in hoeveel tijd deze<br />
arbeid verricht kan worden. Loop je de 1000 meter in 3 of 30 minuten? Heeft een lift 3 of 30<br />
minuten nodig om een lading bakstenen naar de tweede verdieping te tillen?<br />
De snelheid waarmee arbeid verricht wordt in de natuurkunde uitgedrukt als vermogen. Het<br />
vermogen is de hoeveelheid arbeid die in een bepaald tijdsinterval verricht kan worden, of de<br />
hoeveelheid energie die in een tijdsinterval omgezet kan worden.<br />
W<br />
t<br />
P = of P =<br />
U<br />
t<br />
Als je voor dezelfde hoeveelheid arbeid W dan meer tijd t nodig hebt, dan is het vermogen P dus<br />
kleiner. Als je meer arbeid W in dezelfde tijd kan verrichten dan is je vermogen groter.<br />
De eenheid van vermogen is Watt (W), waarbij 1 Watt = 1 Joule / seconde<br />
(hier opletten: arbeid wordt ook afgekort als W, maar de eenheid van arbeid is Joule)<br />
Je komt vermogen tegen in bijvoorbeeld automotoren en gloeilampen (waarbij een gloeilamp<br />
natuurlijk geen mechanische arbeid verricht, maar wel een bepaalde hoeveelheid elektrische<br />
energie per seconde omzet in stralingsenergie en warmte).<br />
47
Vragen bij les 6: arbeid en energie<br />
7. Een honkbal met een massa van 145g wordt door de pitcher geworpen en bereikt een<br />
snelheid van 25 m/s.<br />
a) Hoe groot is de kinetische energie van de honkbal?<br />
b) Hoe groot was de netto verrichte arbeid op de bal om hem zijn snelheid te geven<br />
als de bal aan het begin in rust was?<br />
a) De kinetische energie van de bal na de worp is<br />
Uk = 1<br />
2 m⋅ v 2 = 1<br />
2 0,145kg⋅ 252 m 2<br />
2<br />
s = 45,31J .<br />
b) Omdat de kinetische energie aan het begin (voor de worp) nul was, is de netto<br />
verrichte arbeid op de bal precies gelijk aan de uiteindelijke kinetische energie,<br />
namelijk 45,31J.<br />
8. Een voetbal (massa 0,41kg) raakt een muur met een snelheid van 19 m/s, en kaatst terug<br />
met een snelheid van 17 m/s. Bereken de verandering in kinetische energie van de bal.<br />
De kinetische energie van de bal op het moment dat hij de muur raakte was<br />
Uk,1 = 1<br />
2 m⋅ v 2 = 1<br />
2 0,41kg⋅ 192 m 2<br />
2<br />
s = 74J<br />
De kinetische energie van de bal op het moment dat hij, terugkaatsend, de muur weer<br />
verlaat is:<br />
Uk,2 = 1<br />
2 m⋅ v 2 = 1<br />
2 0,41kg⋅ 172 m 2<br />
2<br />
s ≈ 59J<br />
De verandering in kinetische energie was dus: ∆Uk = 74J − 59J = −15J<br />
9. Je laat een steentje met massa m = 50g vanaf een hoogte van 2,5m vallen. Bereken op<br />
twee manieren de snelheid waarmee het steentje de grond raakt:<br />
a. door gebruik te maken van de formules voor de eenparig versnelde beweging<br />
b. door gebruik te maken van de formules voor kinetische energie<br />
a. Het steentje krijgt een versnelling van 9,81 m/s2 door de zwaartekracht. Wij hebben<br />
nu eerst de tijd nodig die het steentje voor de 2,5m benodigd. Uit<br />
x(t) = x(0) + v(0)t + 1<br />
2 at 2 volgt dan, omdat x(0) = 0 en v(0) = 0,<br />
t = 2x(t)<br />
a<br />
= 2⋅ 2,5m<br />
9,81 m s 2<br />
=<br />
5<br />
= 0,7139s . Na deze tijd met versnelling 9,81m/s2<br />
9,81<br />
te zijn gevallen, heeft het steentje een eindsnelheid van 0,7139 x 9,81 = 7 m/s.<br />
b. Een steentje van 50g heeft 2,5m boven de grond een zwaarte-energie van<br />
U z = m ⋅ g ⋅ h . Voor het moment dat het steentje de grond raakt is al deze energie<br />
omgezet in kinetische energie, en je kunt dus de snelheid op dat moment berekenen<br />
met: Uk = Uz ⇔ 1<br />
2 mv 2 = mgh ⇔ v = 2gh = 2⋅ 9,81⋅ 2,5 = 7 m s<br />
48
10. Een kind met een massa van 16kg glijdt van een 2,20m hoge glijbaan omlaag en heeft<br />
onderaan een snelheid van 1,25 m/s. Hoeveel wrijvingsenergie werd bij het glijden<br />
gegenereerd?<br />
Op 2,20m hoogte heeft een kind van 16kg een zwaarte-energie van<br />
U z = m ⋅ g ⋅ h = 16 ⋅ 9,<br />
81⋅<br />
2,<br />
2 = 345,<br />
312J<br />
. Als het beneden aankomt met een<br />
eindsnelheid van 1,25 m/s heeft het een kinetische energie van<br />
1 2 1<br />
2<br />
U k = m ⋅ v = ⋅16<br />
⋅ ( 1,<br />
25)<br />
= 12,<br />
5J<br />
. Het verschil in energie,<br />
2 2<br />
U w = U z −U<br />
k = 345 , 312 −12,<br />
5 = 332,<br />
812J<br />
, werd dan bij het glijden als wrijvingsenergie<br />
gegenereerd. (hoe steiler de glijbaan hoe kleiner de wrijvingskracht, omdat de<br />
normaalkracht dan kleiner is, dus hoe minder verlies aan potentiële energie als<br />
wrijvingsenergie).<br />
Vermogen<br />
11. Hoe lang zal een motor met een mechanisch vermogen van 1750W erover doen om een<br />
piano van 335kg vanaf de grond naar een raam op de vijfde verdieping 16m hoger te<br />
hijsen?<br />
Als een piano van 335kg 16m omhoog getild wordt, neemt zijn zwaarte-energie toe met:<br />
U z = m ⋅ g ⋅ h = 335 ⋅ 9,<br />
81⋅16<br />
= 52581,<br />
6J<br />
≈ 52,<br />
6kJ<br />
. De motor heeft een vermogen van<br />
U<br />
P = 1750 W = 1,<br />
75 kJ<br />
z 52, 6<br />
s . Hij zou dus de piano in t = = ≈ 30s<br />
naar de vijfde<br />
P 1,<br />
75<br />
verdieping kunnen hijsen.<br />
12. Een leeuwerik (massa 125g) stijgt met constante snelheid op. In precies één minuut is hij<br />
al 80m hoog. Bereken het vermogen dat hiervoor nodig is.<br />
De zwaarte energie van de leeuwerik neemt bij het opstijgen toe met:<br />
U z = m ⋅ g ⋅ h = 0 , 125 ⋅ 9,<br />
81⋅<br />
80 = 98,<br />
1J<br />
. Hij stijgt met constante snelheid op, dus moeten<br />
wij geen rekening houden met energie die voor versnelling ingezet wordt. Om deze arbeid<br />
W 98 , 1<br />
in één minuut te leveren is een vermogen nodig van P = = = 1,<br />
635W<br />
.<br />
t 60<br />
13. Een auto rijdt met een snelheid van 120 km/h. Bij deze snelheid ondervindt de auto (als<br />
gevolg van lucht- en rolwrijving), een weerstand van 0,90 kN.<br />
a) Toon aan dat de motor bij deze snelheid een vermogen heeft van 30kW.<br />
b) Als deze motor een maximaal vermogen van 45 kW heeft, mag je dan zeggen<br />
dat de topsnelheid van de auto 180 km/h is? Licht je antwoord toe.<br />
a) De auto heeft een snelheid van 120 km/h en overkomt daarbij een weerstand van<br />
900N. Het daarvoor benodigde vermogen is<br />
W F ⋅ s<br />
120<br />
P = = = F ⋅ v = 900 ⋅ = 30000W<br />
= 30kW<br />
t t<br />
3,<br />
6<br />
b) Nee, je mag niet zeggen dat de topsnelheid 50% groter is als het maximaal<br />
vermogen 50% groter is. Dit zou alleen het geval zijn als lucht- en rolwrijving bij 180<br />
km/h net zo groot zijn als bij 120 km/h, maar dat is onwaarschijnlijk, normaal<br />
gesproken neemt de weerstand kwadratisch toe met de snelheid.<br />
49
TRILLINGEN<br />
Les7: Trillingen<br />
Trillingen zijn heen- en weerbewegingen met bepaalde kenmerken. Wij kijken hier naar<br />
eenvoudige mechanische trillingen om deze kenmerken met de <strong>new</strong>toniaanse mechanica te<br />
beschrijven. Dit soort bewegingen wordt ook enkelvoudige harmonische beweging genoemd.<br />
Denk aan een gewicht aan een touwtje of aan een veer. Zonder invloed van buiten zullen deze<br />
systemen in een evenwichtsstand hangen. Als je de veer uitrekt en loslaat, of als je het gewicht<br />
aan het touwtje even opzij trekt en loslaat, dan voeren de voorwerpen een gelijkmatige (of<br />
periodieke) beweging rond deze evenwichtsstand uit.<br />
De beweging ontstaat omdat je een kracht moest uitoefenen om het systeem uit zijn<br />
evenwichtsstand te brengen. Wij hebben darmee (potentiële) energie aan het systeem gegeven,<br />
die bij het loslaten in vorm van een terugdrijvende kracht zichtbaar wordt. Bij de beweging naar<br />
de evenwichtsstand verandert de potentiële energie in kinetische energie, die precies op de<br />
evenwichtsstand maximaal is en het gewicht door de evenwichtsstand heen naar de andere kant<br />
verder drijft. Omdat de beschikbare energie constant blijft kan het gewichtje nu net zo ver naar<br />
de andere kant bewegen – dan is al de kinetische energie weer in potentiële (veer- of zwaarte-)<br />
energie veranderd, dus stopt de beweging en keert het systeem weer om.<br />
Kenmerken van trillingen<br />
Als wij een trilling wetenschappelijk willen beschrijven dan moeten wij een formule vinden<br />
waarmee wij kunnen berekenen hoe ver van de evenwichtsstand het gewicht zich op een<br />
gegeven tijdstip bevindt. De afstand van de evenwichtsstand noemen wij uitwijking (u). Dit kan<br />
positief of negatief zijn, om aan te geven aan welke kant van de evenwichtsstand het gewicht<br />
zich bevindt.<br />
Iedere trilling heeft twee unieke kenmerken:<br />
• De maximale uitwijking; deze heet ook amplitudo (A)<br />
• De trillingstijd, T. Dit is de tijd (in seconden) die het gewicht nodig heeft om een<br />
volledige heen- en weerbeweging uit te voeren.<br />
En ander kenmerk dat je vaak tegenkomt is de frequentie, f. Dit is het aantal trillingen dat het<br />
1<br />
systeem in een seconde doorloopt, en dus het inverse van de trillingstijd, of f = . De eenheid<br />
T<br />
−1<br />
voor frequentie is hertz, afgekort Hz. 1 Hz<br />
= 1 s<br />
50
Voorbeelden:<br />
Een slinger die 2 keer per seconde heen en weer gaat heeft een frequentie van<br />
1<br />
f = 2 Hz . De trillingstijd van deze slinger is dan T = = 0,<br />
5 s<br />
2<br />
Een veer met een trillingstijd van T = 0,<br />
025 s heeft een frequentie van<br />
1<br />
f = = 40 Hz .<br />
0,<br />
025<br />
Hieronder zie je opeenvolgende ‘momentopnamen’ van een slingerbeweging. Daaronder staat<br />
een diagram waarin de uitwijking op elke tijdstip van de slingerbeweging uitgezet is. Dit is een<br />
(u,t)-diagram. Amplitudo en trillingstijd zijn ook in de grafiek aangetoond:<br />
Let op: de kromme die je in het diagram ziet stelt niet de baan van de slinger voor, maar de<br />
uitwijking als functie van tijd. Het heen- en weer van het gewichtje zie je in het op en neer van de<br />
functie in de grafiek terug.<br />
Als de trilling zonder enkele dempende krachten verloopt (dus geen luchtweerstand of interne<br />
wrijving), dan zou zij eindeloos doorgaan, met steeds dezelfde amplitudo A en tijdsduur T. Als er<br />
wel sprake is van demping dan zou de amplitudo van de trilling steeds kleiner worden tot hij<br />
uiteindelijk nul is en de trilling stopt (de invloed van demping op de frequentie is complex – als de<br />
demping klein is, is het effect gering).<br />
51
Dit moet je tot nu toe onthouden:<br />
1. Een trilling is een periodieke beweging om een evenwichtsstand.<br />
2. De uitwijking (u) is de afstand tot de evenwichtsstand (met plus- of minteken).<br />
3. De maximale uitwijking heet amplitudo (A).<br />
4. De amplitudo is constant tenzij de trilling gedempt is. Bij een gedempte trilling neemt de<br />
amplitudo af tot nul.<br />
5. De tijdsduur (in seconden) van één volledige trilling heet periode (T).<br />
6. Het aantal trillingen per seconde is de frequentie (f) van de trilling. De eenheid van<br />
1<br />
frequentie is hertz (Hz). f =<br />
T<br />
DE TRILLINGSVERGELIJKING<br />
Als je de slingerbeweging nog langer volgt krijg je dan een grafiek ongeveer als deze:<br />
Dit is een sinusvormige (of sinusoïde) kromme. De vergelijking die de samenhang tussen<br />
uitwijking en tijd uitdrukt, de trillingsvergelijking, bevat daarom ook een sinus-term:<br />
u = A⋅<br />
ω ⋅ t + α )<br />
sin( 0<br />
Behalve u en t zitten er in deze vergelijking nog drie andere variabelen:<br />
• de amplitudo A<br />
• de hoekfrequentie ω (in rad/s)<br />
• de beginfasehoek α0 (in rad)<br />
De hoekfrequentie is een term waarin de frequentie van de trilling is opgenomen:<br />
ω = 2 ⋅π<br />
⋅ f<br />
(de 2π komen hierin uit de vergelijking met de standaard sinuscurve, die tussen 0 en 2π<br />
rad een volledige periode doorloopt)<br />
De beginfasehoek geeft aan op welke punt van de trilling je begint te meten. Dit kan het<br />
evenwichtspunt zijn – in dit geval is de beginfasehoek α0 = 0. Maar bij een slinger of veer zou je<br />
uitgaanspunt (t=0) ook het moment kunnen zijn waar je het gewichtje loslaat – dus op het punt<br />
van maximale uitwijking. In dat geval schuift de curve boven iets naar links:<br />
52
Om nu de uitwijking op een bepaald tijdstip t te berekenen moet je dus voor deze verschuiving<br />
compenseren. De plek waarop je in een trilling zit wordt ook fase (Ф) genoemd. Aan het begin<br />
(u=0) van de trilling is de fase 0. Op het eerste omkeerpunt (u=A) is de fase 0,25. Bij het<br />
doorlopen van de evenwichtspunt op de terugweg is de fase 0,5 (dan zit je op de helft van één<br />
gehele trilling). Op het tweede omkeerpunt (u=-A) is de fase 0,75. En als de trilling compleet is<br />
en je weer de evenwichtspunt doorloopt (u=0) dan is de fase 1.<br />
Om nu de beginfasehoek in radialen uit te drukken wordt, net als bij de hoekfrequentie, nog met<br />
2π vermenigvuldigd:<br />
α = 2 ⋅π<br />
⋅φ<br />
0<br />
Daarmee zitten in de trillingsvergelijking alle benodigde termen: de maximale uitwijking van de<br />
trilling, de frequentie van de trilling, en een correctie voor het beginpunt van de meting.<br />
Voorbeeld:<br />
Een veer wordt 3 cm omlaag getrokken (dus A = 3cm) en de trilling gemeten vanaf<br />
het loslaten (de beginfase is dus 0,75). De beweging heeft een frequentie van 10<br />
Hz. Wij berekenen eerst de hoekfrequentie en beginfasehoek:<br />
ω = 2 ⋅π<br />
⋅ f = 2 ⋅π<br />
⋅10<br />
= 10 ⋅π<br />
rad / s<br />
α0 = 2 ⋅π<br />
⋅φ<br />
= 2 ⋅π<br />
⋅0,<br />
75 = 1,<br />
5⋅<br />
π rad<br />
De (u,t)-vergelijking van deze beweging is daarom:<br />
u = 3⋅ sin( 20⋅<br />
π ⋅t<br />
+ 1,<br />
5⋅<br />
π )<br />
Op het tijdstip t = 0,02 s is de uitwijking dan<br />
u = 3⋅ sin( 20⋅<br />
π<br />
⋅ 0,<br />
02 + 1,<br />
5⋅<br />
π ) = 3⋅<br />
sin( 1,<br />
9⋅<br />
π ) = −0,<br />
92 cm<br />
Als de trilling op de maximale uitwijking begint (zie grafiek boven), met beginfase 0,25 (of 0,75) ,<br />
dan heb je eigenlijk een cosinus curve. In dat geval kan je de trillingsvergelijking ook schrijven<br />
als:<br />
u = A⋅<br />
cos( ω ⋅t<br />
)<br />
EIGENTRILLINGEN<br />
De eenvoudige trillingen van een slinger die heen en weer gaat, of van een blokje aan een veer<br />
die op en neer gaat, worden ook eigentrillingen genoemd. Anders uitgedrukt is de eigentrilling de<br />
harmonische beweging die de slinger of veer uitvoert nadat en eerste impuls (energietoevoer)<br />
werd gegeven, zonder meer invloed van buitenaf.<br />
De trillingstijden van dit soort eigentrillingen zijn door karakteristieke formules gegeven:<br />
Blokje aan een veer:<br />
T = 2 ⋅π<br />
m<br />
C<br />
waarin m = massa van het blokje<br />
C = veerconstante (N/m)<br />
53
l<br />
Gewicht aan een slinger: T = 2 ⋅π<br />
waarin l = lengte van de slinger<br />
g<br />
g = valversnelling<br />
Met deze vergelijkingen kunnen we de eigenfrequentie van een slinger of een veer berekenen.<br />
Bij de veer moet je daarbij zowel de veerconstante als de massa van het blokje kennen, maar bij<br />
de slinger alleen de lengte van het touw! Hoe langer het touw (of hoe stijver de veer) hoe lager<br />
de frequentie.<br />
REGISTREREN VAN TRILLINGEN<br />
De mechanische trillingen van de veer of slinger zou je kunnen registreren door een pen aan het<br />
gewichtje vast te maken en een papier met constante snelheid er onder of achter langs te<br />
draaien:<br />
Om de trilling van bijvoorbeeld een stemvork weer te geven kan je een oscilloscoop gebruiken.<br />
Een oscilloscoop toont elektrische spanning als een stip op een scherm (afbeelding links). Bij<br />
veranderingen in de spanning zie je dan deze stip op een neer bewegen (afbeelding midden). Op<br />
de horizontale as van het beeldscherm kan je dan nog een tijdbasis instellen, en dan zie je hoe<br />
de spanning over een bepaald tijdsinterval verandert (afbeelding rechts; de hele breedte van de<br />
scherm kan bijvoorbeeld 10 of 100 ms voorstellen). Als je de tijdschaal weet dan kan je op het<br />
scherm aflezen hoeveel tijd nodig is voor een volle trilling, en dus kan je de frequentie van de<br />
trilling berekenen.<br />
54
Sluit je nu een microfoon op de oscilloscoop aan, dan worden de luchttrillingen, veroorzaakt door<br />
de stemvork, omgezet in elektrische spanningsvariaties. Deze zie je dan op het scherm terug. De<br />
curve op het scherm is sinusoïde en daarmee typisch voor een harmonische trilling.<br />
Enkelvoudige tonen zijn harmonische trillingen die aan de omringende lucht ‘doorgegeven’<br />
worden. De frequentie van deze trillingen is gerelateerd aan de waargenomen ‘hoogte’ van de<br />
toon, en de sterkte aan de amplitudo. Hoe hoger de toon, hoe groter de frequentie, en hoe<br />
sterker het geluid hoe groter de amplitudo.<br />
Mensen kunnen alleen geluiden waarnemen met frequenties tussen circa 20 Hz en circa 20 kHz<br />
(honden kunnen iets hogere frequenties nog horen en vleermuizen zelfs frequenties tot 175<br />
kHz).<br />
55
Vraagstukken voor Les7 – Trillingen<br />
1. Als een voorwerp trilt met een frequentie van 1,25 Hz, dan voert het 100 trillingen uit in<br />
a. 12,5 s<br />
b. 125 s<br />
c. 80 s<br />
d. 8 s<br />
Een frequentie van f = 1,25 Hz betekent een trillingstijd van T = 1/f = 1/1,25 s. Voor<br />
honderd trillingen heb je dan 100/1,25 = 80 s nodig.<br />
2. Een bepaalde gitaarsnaar blijkt 162 trillingen per seconde uit te voeren<br />
a. Hoe groot is de frequentie waarmee deze snaar trilt?<br />
b. Bereken de trillingstijd.<br />
De snaar trilt met een frequentie van f = 162 Hz, en de trillingstijd is dan T = 1/f = 1/162 s<br />
(of 0,00617s = 6,2 ms).<br />
3. In de afbeelding hieronder zie je een diagram:<br />
a. Hoe blijkt uit dit diagram dat er sprake is van een trilling?<br />
b. Bepaal de amplitudo, de trillingstijd en de frequentie van deze trilling.<br />
Er is sprake van een trilling omdat er een periodieke beweging rond een evenwichtsstand<br />
plaatsvindt. De amplitudo van deze beweging is 5cm; een volledige trilling duurt 0,1s<br />
(dus T = 0,1 s); de frequentie van de trilling is daarmee f = 1/T = 1/0,08 = 10,0 s -1 .<br />
4. Een stemvork, die aan een van zijn benen een metalen stift heeft, wordt aangeslagen.<br />
Direct hierna wordt de stemvork boven een beroete plaat gehouden en wel zo, dat de punt<br />
van de stift een spoor in het roet trekt.<br />
Vervolgens wordt de plaat met een snelheid van 3,00 m/s onder de stift doorgetrokken. Er<br />
ontstaat dan een sinusvormig spoor. Na afloop worden elf volledige trillingen over een<br />
afstand va 7,50cm geteld.<br />
a. Bereken in hoeveel tijd die elf trillingen door de stift zijn gemaakt.<br />
b. Bereken met welke frequentie de stift dan moet hebben getrild.<br />
Een afstand van 7,5cm (0,075m) op het plaat betekent bij een snelheid van 3 m/s een<br />
tijd van 0,075/3 = 0,025 s. In die tijd zijn elf volledige trillingen waargenomen, dus de<br />
frequentie is f = 11/0,025 = 440 Hz.<br />
56
5. Veert een auto sneller op zijn veren op en neer als hij leeg is of wanneer hij volgeladen is?<br />
De trillingstijd wordt groter als de massa groter wordt (met het wortel van de massa). Als<br />
de trillingstijd groter wordt, dan wordt de frequentie kleiner, dus de auto veert sneller als<br />
hij leeg is.<br />
6. Als de bestuurder van 68 kg achter het stuur van een 1500kg zware auto plaatsneemt,<br />
worden de veren 5,0 mm ingedrukt. Wat zal de trillingsfrequentie worden als de auto over<br />
een hobbel rijdt? (verwaarloos demping)<br />
Een gewichtstoename van 68kg = 68 x 9,81 = 667 N lijdt tot een uitwijking van 5,0mm<br />
(0,005 m) . De veerconstante moet daarom gelijk zijn aan C = 667/0,005 = 133400 N/m.<br />
De trillingstijd van de eigentrilling van deze veer met een gezamelijke massa van auto en<br />
bestuurder van m = 1568kg zou dan zijn: T = 2π m 1568<br />
= 2π = 0,68s en de<br />
C 133400<br />
frequentie van de veerbeweging dus f = 1/T = 1,47 Hz (trillingen per seconde).<br />
57
ELEKTRICITEIT EN STROOM<br />
Les 8: Elektrische Stroom<br />
Het woord ‘elektriciteit’ is afgeleid van het Griekse woord voor barnsteen: elektron. Als je<br />
barnsteen over wol wrijft wordt hij namelijk ‘statisch’. Als je op deze manier statische<br />
elektriciteit opwekt dan doe je eigenlijk niets anders dan energie overdragen. Je verricht<br />
namelijk arbeid (wrijven – mechanische energie) die gebruikt wordt om ladingen te scheiden, en<br />
als je de ladingen gescheiden houdt dan heb je op die manier energie opgeslagen – elektrische<br />
energie. (je kunt trouwens geen netto lading genereren of vernietigen – de som van alle ladingen<br />
in een proces moet altijd nul zijn). Statische ladingen ‘lekken’ in de loop van de tijd weg omdat de<br />
overgedragen elektronen door water in de lucht opgenomen worden.<br />
De eenheid van lading is Coulomb (C), waarbij de lading van één elektron (de<br />
kleinste voorkomende, of elementaire, lading) e = 1,602 x 10 -19 C,<br />
en dus 1 coulomb de lading van 6,25 x 10 18 elektronen is.<br />
De lading tussen twee voorwerpen kan verschillen – je spreekt dan ook van een<br />
‘potentiaalverschil’, of spanning. Als je die twee voorwerpen door een geleider (een materiaal<br />
dat ladingen kan transporteren) met elkaar verbindt, dan ontlaadt zich deze spanning: ladingen<br />
worden van het punt met hoger potentiaal naar het punt met lager potentiaal getransporteerd en<br />
daarbij komt energie vrij die voor andere doelen gebruikt kan worden. Dit noemen wij dan<br />
stroom (het is ook inderdaad een stroom van elektrische ladingen). Elektrische spanning krijgt in<br />
de natuurkunde het symbool V (soms zie je ook U) en de eenheid Volt.<br />
Een spanning van 1V betekent dat er bij het transporteren van een<br />
lading van 1 coulomb van één pool naar de andere 1 joule vrij komt.<br />
Een hogere spanning geeft dus meer energie aan ieder Coulomb aan lading mee (W = Q x V).<br />
Elektrische energie is (relatief) gemakkelijk in andere energievormen om te zetten, en ook<br />
(relatief) gemakkelijk te transporteren. Dit heeft ertoe geleidt dat wij deze vorm van energie in<br />
heel veel praktische toepassingen (apparaten en machines) gebruiken.<br />
Om elektrische energie, of ladingen, te transporteren is wel een geleider nodig. Materialen die<br />
uit atomen met relatief veel ‘vrije’ elektronen bestaan (metalen) zijn goede geleiders.<br />
SPANNINGSBRONNEN EN STROOMKRINGEN<br />
Om elektrische energie praktisch te kunnen gebruiken is een spanningsbron nodig. De eerste<br />
spanningsbron, een voorloper op de batterij, werd door Alessandro Volta uitgevonden (vandaar<br />
ook de naam voor de eenheid van spanning – Volt). In een batterij bevinden zich twee<br />
verschillende metalen met ertussen een zuur. Omdat de twee metalen op verschillende<br />
manieren met het zuur reageren, ontstaat er een overschot aan elektronen in een metaal en een<br />
tekort aan elektronen in het ander metaal (er wordt dus chemische energie omgezet in<br />
elektrische energie). Er zijn batterijen met verschillende spanningen. Een typische ronde cel<br />
heeft een spanning van 1,5V, maar je vindt ook batterijen van 4,5V en zelfs 9V. Om een groter<br />
potentiaalverschil te krijgen kan je meerdere batterijcellen in serie aan elkaar koppelen – dan tel<br />
je de spanningen bij elkaar op (de platte 4,5V batterijen bestaan dan ook uit 3 cellen á 1,5V).<br />
Als je de twee kanten van de batterij door een geleider (bijvoorbeeld draad) met elkaar verbindt<br />
dan bewegen de geladen deeltjes van de ene kant naar de andere – dan heb je een<br />
stroomkring. De batterij kan zo lang een bron van elektrische energie blijven als de<br />
scheikundige reactie in de cel door kan blijven gaan (dus tot de chemische energie ‘op’ is).<br />
58
Een spanningsbron die niet zo snel opraakt is het elektriciteitsnet (het stopcontact). Bij ons<br />
staat er tussen de twee punten van het stopcontact een spanning van 230V. Deze spanning kan<br />
(in een natuurkundepracticum) met behulp van een voedingskastje op een gewenste hoogte<br />
gebracht worden. Maar de elektrische energie die door het elektriciteitsnet geleverd wordt moet<br />
natuurlijk ook eerst op de een of andere manier opgewekt worden (in de centrales).<br />
Zonnecellen worden niet alleen gebruikt om het net met ‘groene’ energie te voeden, maar<br />
kunnen ook – net als batterijen – plaatselijk als spanningsbron dienen (denk aan veel<br />
rekenmachines!). In deze zonnecellen zitten dan materialen die de zonne-energie op elektronen<br />
over kunnen dragen. Er stroomt dan energie zolang als de cel verlicht is.<br />
Om een stroomkring natuurkundig weer te geven worden bepaalde schemasymbolen gebruikt.<br />
De belangrijkste voor onze doelen zijn:<br />
(sommige onderdelen worden pas later in de tekst behandeld)<br />
STROOMRICHTING EN STROOMSTERKTE<br />
De bewegende deeltjes in een stroomkring (elektronen) hebben een negatieve lading en de<br />
‘stroom’ van ladingen gaat dus eigenlijk van de ‘min’-pool (overschot van negatieve ladingen)<br />
naar de ‘plus’-pool (tekort aan negatieve ladingen). Toen stroomkringen voor het eerst ontdekt<br />
en gebruikt werden kende men echter elektronen nog niet. Sterker nog, men nam aan dat het om<br />
een transport van positief geladen deeltjes ging. Daarom werd een afspraak gemaakt dat de<br />
stroomrichting in de geleider van de pluspool naar de minpool gaat, en deze afspraak wordt<br />
ook nu nog gehandhaafd. In de spanningsbron gaat de stroom dan van de minpool naar de<br />
pluspool.<br />
In een gesloten stroomkring is ook nog de stroomsterkte van belang. Dit is de hoeveelheid<br />
lading die een gegeven punt per seconde passeert (je kunt dit vergelijken met een watertap: je<br />
kan meten hoeveel water er per minuut uitstroomt als hij helemaal open staat). Het symbool voor<br />
stroomsterkte is I, en de eenheid is ampère (A).<br />
59
Een stroomsterkte van 1A betekent dat er in 1 seconde 1 coulomb aan<br />
lading door een dwarsdoorsnede van de draad gaat.<br />
(oorspronkelijk werd 1 Coulomb gedefinieerd als de hoeveelheid lading die een dwarsdoorsnede<br />
draad passeert als 1 seconde een stroom van 1 A vloeit, dus Q = I x t).<br />
Als je de stroomsterkte van een stroomkring weet kun je ook berekenen hoeveel ladingen er<br />
gedurende een gegeven tijd beschikbaar zijn.<br />
Voorbeeld:<br />
Een stroom van 7,5 kA gedurende 0,020s (zoals in een bliksemafleider bij een blikseminslag)<br />
3<br />
2<br />
betekent dat er in die tijd 7, 5 ⋅10 A × 0,<br />
02 s = 1,<br />
5⋅10<br />
C aan lading stroomt.<br />
Dit wordt soms ook in ‘ampère-uren’ uitgedrukt (in het bliksemvoorbeeld dan<br />
3<br />
−6<br />
−2<br />
7,<br />
5⋅<br />
10 A × 5,<br />
6 ⋅10<br />
h = 4,<br />
2 ⋅10<br />
Ah ), vooral in het dagelijks leven waar stroom meestal wat<br />
langer beschikbaar moet zijn. Een accu waar ’12 Ah’ op staat zal dan 12 uur lang 1A, of 3 uur<br />
lang 4A kunnen leveren.<br />
DE WETTEN VAN KIRCHHOFF<br />
Als je in een schakeling de leidingen vertakt, dan wordt de hoeveelheid lading op de<br />
verschillende takken verdeeld. De stroomsterkte wordt dan ook over de takken verdeeld:<br />
waarin I = I1 + I2 + I3<br />
Dit is de eerste wet van Kirchhoff, ook wel de stroomwet genoemd:<br />
In een schakeling moet op ieder willekeurig knooppunt de som van alle<br />
stromen naar het knooppunt toe gelijk zijn aan de som van alle stromen van<br />
het knooppunt af<br />
Als je de stroomsterkte in een bepaalde tak wil meten moet je de stroommeter (ofwel<br />
ampèremeter) in serie schakelen.<br />
In een vertakking blijft de spanning op de verschillende takken hetzelfde als de oorspronkelijke<br />
batterijspanning:<br />
waarin V = V1 = V2 = V3<br />
60
Dit is de tweede wet van Kirchhoff, ook wel de spanningswet genoemd:<br />
In een willekeurig gesloten lus in een schakeling moet de som van de<br />
potentiaalveranderingen gelijk aan nul zijn.<br />
Om de spanning te meten schakel je de voltmeter parallel.<br />
WEERSTAND EN GELEIDINGSVERMOGEN<br />
De stroomsterkte door een bepaalde geleider hangt van twee dingen af. Ten eerste is de<br />
spanning belangrijk – bij een hoger energieverschil zal er meer lading stromen (als je het weer<br />
met water vergelijkt: als er meer druk op de leiding staat stroomt er meer water per seconde<br />
door). Ten tweede is ook de doorlaatbaarheid van de geleider belangrijk. In de elektriciteitsleer is<br />
dit het ‘geleidingsvermogen’ van bijvoorbeeld een stuk draad, hoewel meestal de omgekeerde<br />
waarde van het geleidingsvermogen gebruikt wordt: de elektrische weerstand. Een geleider met<br />
een lage weerstand laat meer ladingen per seconde stromen dan een geleider met hoge<br />
weerstand (bij dezelfde spanning). Het symbool voor weerstand is R en de eenheid is ohm (Ω).<br />
DE WET VAN OHM<br />
De naam van de eenheid is afkomstig van Georg Simon Ohm, die vaststelde dat de weerstand<br />
van een metalen draad een bepaalde relatie met spanning en stroomsterkte heeft, namelijk een<br />
evenredige verhouding:<br />
Deze formule is “de wet van Ohm”.<br />
V V<br />
R = of I = of V = IR<br />
I R<br />
Je kunt dus een weerstand van een bepaalde grootte ‘maken’ door een bepaalde lengte draad<br />
om een kokertje te wikkelen. Dit kokertje kan je dan in een stroomkring inbouwen:<br />
De stroom die je op de ampèremeter afleest is dan gegeven uit de batterijspanning en de grootte<br />
van de weerstand.<br />
Als je nu een voedingskastje in plaats van een batterij gebruikt, dan zou je de stroomsterkte bij<br />
verschillende spanningen kunnen meten. Als (zoals bij zo’n draadkokertje het geval is) de<br />
stroomsterkte recht evenredig met de spanning is – dus als R een constante waarde heeft – dan<br />
61
zeggen wij dat voor de geleider ‘de wet van Ohm’ geldt, en zo een weerstand wordt dan ook een<br />
‘ohmse weerstand’ genoemd. Dit soort weerstand wordt in schakelschema’s met het<br />
rechthoekje aangeduid.<br />
Andere onderdelen van schakelingen kunnen een weerstand hebben die met de spanning<br />
veranderd. Een lampje bijvoorbeeld zou bij 2V spanning een weerstand van 9Ω kunnen hebben<br />
(I = 0,22 A) en bij 10V spanning een weerstand van 25Ω (I = 0,4 A). Dit hangt ermee samen dat<br />
het lampje bij een hogere spanning ook warmer wordt.<br />
Een variabele weerstand (zie schema-symbolen boven) kan je maken door een schuif- of<br />
glijcontact in de weerstand op te nemen die je langs de wikkeldraad kan verplaatsen. Op die<br />
manier kan je de lengte van de draad binnen de weerstand variëren.<br />
Geleiders zoals draden kunnen in geleidingsvermogen verschillen. Daarbij speelt de doorsnede<br />
en lengte van de draad een rol: een dikkere/kortere draad heeft een hoger geleidingsvermogen<br />
(en dus een lagere weerstand) dan een dunnere/langere draad. Het materiaal waaruit de draad<br />
gemaakt is speelt echter ook een rol. Een koperdraad heeft een hoger geleidingsvermogen dan<br />
een aluminiumdraad van dezelfde lengte en doorsnede. Je kunt deze eigenschap van een<br />
bepaald metaal weergeven als een constante: de soortelijke weerstand (symbool ρ, eenheid<br />
m 2<br />
Ω⋅<br />
, of Ωm).<br />
m<br />
Voor de weerstand van een metaaldraad geldt dan het volgende:<br />
R = ρ ⋅<br />
l<br />
A<br />
Waarin l de lengte van de draad is (in meter) en A de doorsnede van de draad (in m 2 ). Let op<br />
de eenheden en op het verschil tussen diameter en doorsnede in deze samenhang. De diameter<br />
(of dikte) wordt vaak ook ‘doorsnede’ genoemd, maar is een andere grootheid. De samenhang<br />
1 2<br />
tussen diameter (d) en doorsnede (A) is: A = π ⋅ d .<br />
Voorbeeld:<br />
Een koperdraad van 0,26 mm (=0,26 x 10 -3 m) dikte heeft een doorsnede van<br />
1 −3<br />
2<br />
−6<br />
2<br />
A = 4 π ⋅ ( 0,<br />
26 ⋅10<br />
) = 0,<br />
053⋅10<br />
m . Koper heeft een soortelijke weerstand van<br />
−9<br />
17 ⋅10<br />
Ωm<br />
. Een 50 m lang stuk van deze draad zou dan een weerstand hebben van:<br />
−9<br />
50<br />
R = 17 ⋅10<br />
⋅<br />
= 16 Ω .<br />
−6<br />
0,<br />
053⋅10<br />
4<br />
Denk ook aan verlengsnoeren! Het stopcontact levert normaalgesproken 16A bij een spanning<br />
van 220V. Een verlengsnoer (koperdraad) van 30m lang en 1,5mm2 diameter heeft dan een<br />
weerstand van<br />
62
−9<br />
30<br />
R = 17 ⋅10<br />
⋅ = 0,<br />
34 Ω . Dat betekent dat het U = I ⋅ R = 16 ⋅ 0,<br />
34 = 5,<br />
4 V kost<br />
−6<br />
1,<br />
5⋅10<br />
om de stroom door deze kabel te sturen. Aan het eind van de verlengkabel is dan nog maar een<br />
spanning van 215,6 V beschikbaar.<br />
Bij de meeste metalen heeft de temperatuur van een draad ook nog invloed op het<br />
geleidingsvermogen (bij hoger temperatuur neemt de weerstand toe). Voor natuurkundige<br />
proeven die onafhankelijk van temperatuur moeten zijn moet je dan constantaan-draad<br />
gebruiken (Constantaan is een legering van koper, nikkel en mangaan met de eigenschap dat de<br />
weerstand nauwelijks met een temperatuursverschil verandert).<br />
63
Les 8 Elektriciteit: vraagstukken<br />
1. Een waterleidingsbus A splitst zich in twee takken B en C, die uitmonden op buis D (zie<br />
figuur hieronder). D heeft een iets kleinere dwarsdoorsnede dan A.<br />
De stroomsterkte in A is 0,20 l/s, in B echter 0,12 l/s.<br />
a. Bepaal de stroomsterkte in zowel C als D.<br />
b. Is de stroomsnelheid in D groter of kleiner dan die in A? Of is er geen verschil? Licht<br />
je antwoord toe.<br />
De stroomsterkte in A (0,20 l/s) wordt op het vertakkingpunt op buizen B en C verdeeld.<br />
Als in B de stroomsterkte nog 0,12 l/s is, dan moet de stroomsterkte in C dus 0,2-0,12 =<br />
0,8 l/s zijn.<br />
De stroomsterkte in D is weer hetzelfde als de stroomsterkte in A, maar omdat de buis<br />
smaller is moet de stroomsnelheid dan toenemen, om nog steeds dezelfde hoeveelheid<br />
lading per seconde te laten passeren.<br />
2. Door een verbindingsdraad loopt een stroom van 75mA.<br />
a. Bereken de hoeveelheid lading die per minuut een dwarsdoorsnede van deze draad<br />
passeert.<br />
b. Bereken het aantal ‘vrije elektronen’ dat per minuut die dwarsdoorsnede passeert.<br />
a. Een stroomsterkte van 75mA = 0,075A betekent dat per seconde een totale lading<br />
van 0,075C een bepaalde plaats van de draad passeert. In een minuut passeert dan<br />
een lading van 60 s ⋅ 0,<br />
075C<br />
/ s = 4,<br />
5C<br />
een dwarsdoorsnede van de draad.<br />
b. De grootte van de lading op een elektron is ongeveer 1,6 x 10 -19 C. Een lading van<br />
4,<br />
5C<br />
19<br />
4,5C bevat dan = 2,<br />
8125 ⋅10<br />
elektronen .<br />
−19<br />
1,<br />
6 ⋅10<br />
C / elektron<br />
3. Van twee geleiders, A en B, zijn in de onderstaande figuur (I, V) grafieken getekend.<br />
64
a. Waaruit blijkt dat deze geleiders ‘ohmse weerstanden’ zijn?<br />
b. Hoe is te verklaren dat bij toenemende spanning ook de stroomsterkte toeneemt?<br />
c. Houdt het toenemen van de stroomsterkte in, dat het aantal vrije elektronen groter<br />
wordt? Licht je antwoord toe.<br />
d. Leg aan de hand van de figuur uit dat het ‘logisch’ is om de verhouding V/I<br />
‘weerstand’ te noemen (aanwijzing: vergelijk punt P met punt Q).<br />
e. Welke van de twee geleiders heeft dus de grootste weerstand?<br />
4. In de tabel hieronder staan gegevens van vier draden. Al deze draden zijn van hetzelfde<br />
materiaal gemaakt. Bereken de ontbrekende waarden.<br />
draad lengte (m) diameter (mm) R (Ω)<br />
A 5,0 0,20 175<br />
B 0,20 70<br />
C 5,0 28<br />
D 3,0 0,30<br />
Uit de gegevens voor draad A kun je de soortelijke weerstand van het materiaal<br />
l<br />
berekenen: R = ρ ⋅<br />
A<br />
⇔<br />
R ⋅ A<br />
ρ = en daarmee verder rekenen, maar je kunt ook met<br />
l<br />
de veranderingen in de drie gegevens rekenen, omdat de soortelijke weerstand natuurlijk<br />
constant is. Bij draad B is R kleiner geworden, dus<br />
175 ⋅ A 70 ⋅ A<br />
=<br />
5 l B<br />
⇔<br />
70 ⋅ 5<br />
l B = = 2,<br />
0m<br />
. Bij draad C is R ook kleiner, dus<br />
175<br />
175 ⋅ AA<br />
28 ⋅ AC<br />
=<br />
5 5<br />
⇔<br />
175<br />
AC<br />
= AA<br />
. Maar nu moeten wij wel eerst de doorsnede van<br />
28<br />
π 2<br />
A berekenen: AA = d A<br />
4<br />
π 2<br />
= mm<br />
100<br />
⇒<br />
1,<br />
75π<br />
2<br />
AC<br />
= mm<br />
28<br />
⇒ d C = 0,<br />
5mm<br />
. Bij<br />
draad D zijn lengte en diameter veranderd en zijn wij op zoek naar de nieuwe weerstand:<br />
175 π 2 RD π 2<br />
⋅ ⋅ 0,<br />
2 = ⋅ ⋅ 0,<br />
3<br />
5 4 3 4<br />
⇔<br />
2<br />
175 ⋅ 3 ⋅ 0,<br />
2<br />
RD<br />
=<br />
= 46,<br />
67Ω<br />
.<br />
2<br />
5 ⋅ 0,<br />
3<br />
5. Een wasdroger heeft een verwarmingselement met een weerstand van 8,6Ω.<br />
a. Hoe groot is de stroom in het element wanneer het apparaat wordt aangesloten op<br />
240V?<br />
b. Hoeveel lading stroomt er in 50 minuten door het element?<br />
V 240 V<br />
a. Met de wet van Ohm is de stroom in het element I = = = 27,<br />
907A<br />
R 8,<br />
6Ω<br />
b. Een stroomsterkte van 27,907A betekent dat er 27,907 Coulomb per seconde<br />
stromen. In 50 minuten stroomt er dus 50 x 60 x 27,907 = 83.721C.<br />
65
Les 9: Elektriciteit II<br />
WEERSTANDEN IN SERIE; WEERSTANDEN PARALLEL<br />
In een stroomkring kan je ervoor kiezen om weerstanden of apparaten achter elkaar (in serie) of<br />
op aparte takken (parallel) te schakelen. Bij een kerstboomverlichting zijn vaak alle lampjes in<br />
serie geschakeld, maar als er dan een stuk gaat valt meteen de gehele verlichting uit (omdat er<br />
dan geen stroom meer door de kring kan lopen. Bij een vertakte stroomkring moet je rekening<br />
houden dat de stroomsterkte over de takken verdeeld wordt (zie boven).<br />
Serieschakeling<br />
Een belangrijke eigenschap van alle stroomkringen is de volgende:<br />
op een onvertakte geleider is de stroomsterkte op elke plaats gelijk<br />
Als er een weerstand in deze tak zit dan moeten dus op die plek de ladingen sneller stromen (als<br />
je de weerstand als een ‘nauwe’ buis ziet), waarbij zij in de grootste weerstand het snelste<br />
moeten stromen. De batterijspanning in een serieschakeling moet dus, evenredig met de grootte<br />
van de weerstanden, over de weerstanden verdeeld worden:<br />
Voor deze serieschakeling geldt:<br />
• De stroomsterkte I is constant over de gehele geleider en dus ook over de drie<br />
weerstanden (bijvoorbeeld I = 0,1 A)<br />
• De batterijspanning V (bijvoorbeeld V = 6,0 V) moet dan evenredig met de grootte van de<br />
weerstanden over deze verdeeld worden. V1 : V2 : V3 = R1 : R2 : R3<br />
• De deelspanningen kan je berekenen als je de grootte van de weerstanden kent (met V<br />
= R x I). Als bijvoorbeeld R1 = 10 Ω, R2 = 20 Ω en R3 = 30Ω, dan is V1 = 1V, V2 = 2V en<br />
V3 = 3V.<br />
De totale weerstand van de stroomkring, ook vervangingsweerstand genoemd, kan je met de<br />
V<br />
batterijspanning berekenen: Rv = = 60 Ω . Deze waarde kan je ook uit de enkele weerstanden<br />
I<br />
berekenen door deze bij elkaar op te tellen: Rv = R1 + R2 + R3<br />
66
Parallelschakeling<br />
Wij hebben eerder al gezien wat met de stroomsterkte gebeurd als een geleider vertakt:<br />
op een vertakte geleider is de spanning op elke tak hetzelfde<br />
Als er geen weerstanden op de takken zitten dan wordt de stroomsterkte dus over alle takken<br />
gelijkmatig verdeeld. Als de verschillende takken verschillende weerstanden hebben dan wordt<br />
de stroomsterkte dusdanig verdeeld dat door de kleinste weerstand de meeste stroom loopt. Dus<br />
de verhouding tussen weerstand en stroomsterkte op de verschillende takken is omgekeerd<br />
evenredig. Wij maken dit weer duidelijk in een voorbeeld:<br />
Voor deze parallelschakeling geldt:<br />
• De batterijspanning V is constant over de gehele geleider en dus ook over alle drie<br />
weerstanden (bijvoorbeeld V = 6,0 V)<br />
• De stroomsterkte I (bijvoorbeeld I = 1,1 A) moet dan omgekeerd evenredig met de<br />
grootte van de weerstanden over deze verdeeld worden, waarbij I = I1 + I2 + I3<br />
• De deelstroomsterkte op elke tak kan je berekenen als je de grootte van de<br />
V<br />
weerstanden kent (met I = ). Als bijvoorbeeld R1 = 10 Ω, R2 = 20 Ω en R3 = 30Ω, dan<br />
R<br />
is I1 = 0,6 A, I2 = 0,3 A en I3 = 0,2 A.<br />
De vervangingsweerstand van de stroomkring, kan je ook met de hoofdstroomsterkte<br />
V<br />
berekenen: Rv = = 5,<br />
45 Ω . Deze waarde kan je ook uit de enkele weerstanden berekenen<br />
I<br />
1<br />
door de omgekeerden bij elkaar op te tellen:<br />
Rv 60<br />
R v = = 5,<br />
45 Ω .<br />
11<br />
1 1<br />
= +<br />
R1<br />
R2<br />
1<br />
+<br />
R3<br />
1 1 1 11<br />
= + + = ; dus<br />
10 20 30 60<br />
De vervangingsweerstand is<br />
bij serieschakelingen altijd groter dan de grootste enkele weerstand (en meer weerstanden =<br />
grotere vervangingsweerstand),<br />
bij parallelschakelingen altijd kleiner dan de kleinste enkele weerstand (en meer weerstanden =<br />
kleinere vervangingsweerstand).<br />
67
Gemengde schakelingen<br />
Je vindt vaak (vooral in toetsvragen) schakelingen waarin serie- en parallelschakelingen<br />
gecombineerd voorkomen. In dit soort schakelingen moet je dan de vervangingsweerstand<br />
kunnen berekenen – dit doe je door de vertakkingpunten te bepalen en dan vast te stellen welke<br />
weerstanden (of vervangingsweerstanden) met elkaar parallel en in serie geschakeld zijn. Je<br />
kunt dan, afhankelijk van welke waarden bekend zijn, ook deelspanningen of stroomsterktes in<br />
bepaalde takken berekenen.<br />
ELEKTRISCHE ENERGIE EN ELEKTRISCH VERMOGEN<br />
Wij spreken ervan dat een elektrisch apparaat (een lampje of een koelkast) ‘stroom verbruikt’.<br />
Dat is echter niet waar. De ladingen blijven stromen en de stroom is achter het apparaat net zo<br />
groot als voor de apparaat. Wat wel ‘verbruikt’ wordt is de elektrische energie die de spanning<br />
aan de ladingen meegeeft. Een netspanning van 230V geeft aan elk coulomb lading een energie<br />
van 230V mee. Deze staat dan voor verbruik ter beschikking (bij een lampje bijvoorbeeld wordt<br />
de elektrische energie omgezet in inwendige energie; het draadje wordt heet, en als de<br />
hoeveelheid energie groot genoeg is begint hij te gloeien en straalt dus licht uit).<br />
Energieverbruik van een apparaat:<br />
• Als een apparaat twee keer langer aan staat verbruikt hij twee keer zo veel energie<br />
(omdat in twee keer zoveel tijd twee keer zoveel energie door de spanningsbron<br />
afgegeven wordt)<br />
• Als twee apparaten met hetzelfde verbruik parallel staan, dan moet de spanningsbron<br />
twee keer zoveel stroom leveren (omdat de stroom over de twee takken verdeeld wordt);<br />
in dezelfde tijd wordt dan twee keer zoveel energie verbruikt als bij een enkel apparaat<br />
• Als twee apparaten met hetzelfde verbruik in serie geschakeld zijn dan heb je een twee<br />
keer zo grote spanning nodig om allebei te laten werken (omdat de spanning over de<br />
twee onderdelen verdeeld wordt); in dezelfde tijd wordt dan ook twee keer zoveel energie<br />
verbruikt als bij een enkel apparaat<br />
Dus energieverbruik is evenredig aan tijd en aantal apparaten; waarbij parallel geschakelde<br />
apparaten meer stroomsterkte, en in serie geschakelde apparaten meer spanning nodig hebben.<br />
De formule voor energieverbruik is dan ook:<br />
E e<br />
= V ⋅ I ⋅ t<br />
waarin V de spanning over het apparaat is, I de stroomsterkte in het apparaat en<br />
t de tijd (hoe lang het apparaat is ingeschakeld). De eenheid van elektrische<br />
energie is natuurlijk joule (J) – spanning is immers joule/coulomb en<br />
stroomsterkte is coulomb/sec.<br />
Elektrische energie is een vorm van arbeid, en de hoeveelheid arbeid die in een bepaalde tijd<br />
gebruikt wordt is gedefinieerd als vermogen (P = Ee/t). Het elektrische vermogen van een<br />
apparaat is daarom:<br />
= V ⋅ I<br />
P e<br />
waarin V de spanning over het apparaat is en I de stroomsterkte door het<br />
apparaat. De eenheid van vermogen is watt (W), waarbij 1 W = 1 volt-ampère.<br />
De tijdseenheid die in de formules hierboven gebruikt wordt is seconde. Een vermogen van 2000<br />
W zou dan betekenen dat een apparaat elke seconde die het aanstaat 2000 J aan elektrische<br />
energie verbruikt. Op de meters in je meterkast vind je weliswaar meestal een andere eenheid:<br />
de kilowattuur (kWh). Dat is kilowatt maal uur, niet per uur! Een verbruik van 1 kWh zou dan<br />
68
etekenen dat je één uur (3600 sec) lang één kW (1000W) per seconde aan energie hebt<br />
verbruikt. Dat is dan hetzelfde als 3600 sec x 1000 J/sec = 3,6 x 10 6 J.<br />
OMZETTEN VAN ELEKTRISCHE ENERGIE; RENDEMENT<br />
Elektrische apparaten die je inschakelt zetten de elektrische energie op verschillende manieren<br />
om. In elk apparaat zal daarbij warmteontwikkeling plaatsvinden, die bij sommige apparaten zelfs<br />
de functie bepaald (kookplaat, strijkijzer etc). Het verwarmingselement is daarbij meestal een<br />
grote weerstand, en voor de hoeveelheid warmte geldt:<br />
Q = I ⋅ R ⋅ t<br />
2<br />
(eenheid J).<br />
Andere apparaten zetten de energie in mechanische arbeid of lichtenergie om. Bij bijna elke<br />
energieomzetting treden verliezen op. Een gedeelte van de beschikbare energie gaat in wrijving<br />
en/of warmte op en is daardoor niet meer terugwinbaar. Het percentage geleverde energie die je<br />
daadwerkelijk ‘nuttig’ om kan zetten wordt ook rendement (symbool η) genoemd:<br />
P<br />
η =<br />
P<br />
nuttig<br />
toegevoegd<br />
⋅100%<br />
Soms is het de bedoeling dat alle elektrische energie in warmte omgezet wordt, zoals bij een<br />
elektrische kachel. Die heeft dan een rendement van bijna 100%. Een boiler heeft echter een<br />
lager rendement dan 100%, omdat niet alle warmte in het water blijft zitten (waar het bedoeld is).<br />
Er ontsnapt warmte naar de omgeving zodat het water afkoelt.<br />
Ouderwetse gloeilampen hebben een bijzonder laag rendement. Slechts ongeveer 8% van de<br />
toegevoerde energie wordt werkelijk licht. De rest gaat verloren als warmte. Energiespaarlampen<br />
hebben een hoger rendement – die worden daarom ook minder heet bij gebruik.<br />
Voorbeeld:<br />
Wanneer een gloeilamp 60 W aan vermogen opneemt uit het net en daarvan 3 W omzet<br />
in licht en de andere 57 W omzet in niet bedoelde warmte, dan is zijn rendement 5%,<br />
want 3 is 5% van 60.<br />
Machines die niet met warmte werken hebben gebruikelijk een hoger rendement. Een<br />
elektromotor kan 80-90% van de toegevoerde elektrische energie omzetten in mechanische<br />
energie (de rest wordt warmte).<br />
69
ELECTRICITEIT THUIS<br />
De hoofdkabel van het elektriciteitsnet gaat in ieder huis eerst naar de (verzegelde)<br />
huisaansluitkast en door de elektriciteitsmeter. Achter de meter wordt de kabel dan gesplitst in<br />
een aantal parallelle takken – of ‘groepen’. Iedere groep voorziet een apart bereik van<br />
elektriciteit, en heeft een eigen schakelaar en zekering in de meterkast.<br />
Aan de kabel van elke groep zijn dan een aantal lichtpunten en wantcontactdozen aangesloten –<br />
ook weer in een parallelle schakeling. Daardoor wordt elk apparaat (en lamp) op dezelfde<br />
spanning aangesloten, namelijk de netspanning van 230 V (waarbij wij ervan uitgaan dat de<br />
weerstand van de vertakte kabels te verwaarlozen is).<br />
In de huisinstallatie zijn een aantal veiligheidsmaatregelen opgenomen:<br />
1. Smeltzekering<br />
Als door een draad stroom met een heel grote sterkte loopt, dan kan de draad zo heet<br />
worden dat het isolatiemateriaal smelt. Omdat dit tot brand zou kunnen leiden zitten in de<br />
huisinstallatie zogenoemde ‘smeltzekeringen’ – deze worden ook ‘stop’ genoemd. Een<br />
smeltzekering bestaat uit een houder met een smeltpatroon erin; in het patroon zit een<br />
dun draadje dat bij een bepaalde stroomsterkte doorsmelt (door bijvoorbeeld<br />
‘overbelasting’) - dan ‘slaat de stop door’.<br />
De maximale stroomsterkte op groepskabels is door deze smeltzekeringen op 16 A<br />
beperkt, die op de hoofdkabel op 25 A. Sluit je bijvoorbeeld een kookplaat van 2,0 kW en<br />
de vaatwasser van 2,2 kW op dezelfde groep aan dan heb je met P = 4200 W en U =<br />
230 V een stroomsterkte van I = P/V = 19 A – een overbelasting die de stop eruit zou<br />
slaan.<br />
2. Kortsluiting<br />
Een andere manier waardoor de stroomsterkte op een groep ontoelaatbaar groot kan<br />
worden is door een kortsluiting. Dit gebeurt als de stroom op een tak ineens niet meer<br />
door een apparaat of lamp stroomt, maar rechtstreeks terug naar de groep (als<br />
bijvoorbeeld een kabel dusdanig beschadigd raakt dat de aders met elkaar contact<br />
kunnen maken. Daarmee is de weerstand van het apparaat/de lamp uit de schakeling<br />
genomen waardoor de stroomsterkte heel groot kan worden (100 A of meer). In dit geval<br />
zou dan de smeltzekering ook doorsmelten.<br />
3. Aardleiding<br />
Het aansluitsnoer van de meeste apparaten voert drie draden. Een fasedraad (bruin) die<br />
de spanning van 230 V voert, en nuldraad (blauw) die in de elektriciteitscentrale geaard<br />
is, maar ook nog een aarddraad (geel/groen) die het metalen omhulsel van het apparaat<br />
(denk aan een wasmachine) met de aardleiding van het huis verbindt. Als namelijk per<br />
ongeluk de fasedraad (door bijvoorbeeld beschadiging) met het metalen omhulsel in<br />
contact komt en je die kast aanraakt dan zou de stroom meteen via de aarddraad terug<br />
lopen. Omdat ook hier de weerstand van het apparaat ontbreekt, zal een kortsluiting<br />
ontstaan en de stroomkring meteen verbroken worden. Dit kan dodelijke ongelukken<br />
voorkomen – als namelijk iemand een ongeaarde metalen voorwerp aan zou raken dat in<br />
verbinding met de fasedraad staat dan zou de stroom door diens lichaam naar de aarde<br />
lopen! Alleen dubbel geïsoleerde apparaten (bijvoorbeeld hobbygereedschap) mogen<br />
zonder aarding worden gebruikt.<br />
4. Aardlekschakelaar<br />
Dit is nog een onderdeel van de thuisinstallatie dat het lichaam tegen elektrische<br />
schokken beschermd. De aardlekschakelaar vergelijkt de stroomsterkte tussen fase- en<br />
nuldraad. Als die hetzelfde is dan is er niets aan de hand. Maar als er een verschil is<br />
(dus een hogere stroomsterkte in de fasedraad dan in de nuldraad), dan zou dat kunnen<br />
betekenen dat stroom door een ander voorwerp – bijvoorbeeld je lichaam – naar de<br />
aarde stroomt. Omdat al een stroomsterkte van 40 mA heel gevaarlijk kan zijn, schakelt<br />
de aardlekschakelaar de huisinstallatie al bij een verschil van 30 mA binnen 0,2 s uit.<br />
70
Een korte samenvatting van de belangrijkste punten:<br />
• Een gesloten kring van geleidend materiaal met een spanningsbron erin noem je een<br />
stroomkring.<br />
• Volgens afspraak gaat de stroom in een stroomkring van de pluspool naar de minpool.<br />
• Spanning (V) wordt gemeten in volt (V)<br />
• Stroomsterkte (I) wordt gemeten in ampère (A)<br />
•<br />
V<br />
Weerstand (R) wordt gemeten in ohm (Ω), R =<br />
I<br />
•<br />
l<br />
De weerstand van een metaaldraad is R = ρ ⋅ , waarin ρ de soortelijke weerstand van<br />
•<br />
het metaal is, l de lengte en A de doorsnede van de draad.<br />
Bij een vertakking wordt de stroomsterkte verdeeld: I = I1 + I2 + I3 maar de spanning is<br />
op elke tak hetzelfde: V = V1 = V2 = V3<br />
• In een schakeling meet je stroomsterkte (ampèremeter) in serie en spanning (voltmeter)<br />
parallel; je mag bij alle schakelingen ervan uitgaan dat een stroommeter een te<br />
verwaarlozen weerstand heeft, en dat door een spanningsmeter geen stroom loopt.<br />
• In een serieschakeling is de stroomsterkte constant, de batterijspanning verdeelt zich<br />
over de weerstanden: Vbat = V1 + V2 + V3; de vervangingsweerstand is te berekenen<br />
met Rv = R1 + R2 + R3<br />
• In een parallelschakeling is de spanning constant, de stroomsterkte verdeelt zich over de<br />
weerstanden: I = I1 + I2 + I3; de vervangingsweerstand is te berekenen met<br />
1<br />
Rv 1 1<br />
= +<br />
R1<br />
R2<br />
1<br />
+<br />
R3<br />
• elektrisch vermogen wordt gemeten in watt (1W = 1 volt-ampère); Pe = V ⋅ I<br />
• elektrische energie wordt in de praktijk gemeten in kilowattuur (1 kWh = 3,6 x 10 6 J);<br />
=<br />
V ⋅ I ⋅ t<br />
E e<br />
A<br />
71
Les 9 Elektriciteit: vraagstukken<br />
1. Vier weerstanden, elk van 60Ω, kun je op veel manieren schakelen. Een aantal<br />
schakelingen zijn hieronder aangetoond. Bereken voor elke schakeling de<br />
vervangingsweerstand.<br />
a.<br />
b.<br />
c.<br />
d.<br />
a. Serieschakeling. Rv = 4 ⋅ R = 240Ω<br />
b.<br />
1<br />
Parallelschakeling:<br />
Rv<br />
1 4 1<br />
= 4 ⋅ = =<br />
R 60Ω<br />
15Ω<br />
⇔ Rv<br />
= 15Ω<br />
c. Één weerstand parallel met drie in serie:<br />
1<br />
Rv<br />
1 1 1 1 4<br />
= + = + =<br />
R 3 ⋅ R 60Ω<br />
180Ω<br />
180Ω<br />
⇔ Rv<br />
= 45Ω<br />
d. Die parallelle weerstanden in serie met één weerstand:<br />
60Ω<br />
= + = + 60Ω<br />
= 80Ω<br />
3 3<br />
R<br />
R<br />
Rv e. Twee series van twee weerstanden parallel met elkaar:<br />
1<br />
Rv<br />
1 1<br />
= 2 ⋅ =<br />
2R<br />
60Ω<br />
⇔ Rv<br />
= 60Ω<br />
f. Twee weerstanden in serie met een parallelschakeling van twee:<br />
R 60Ω<br />
Rv = 2⋅<br />
R + = 120Ω<br />
+ = 150Ω<br />
2 2<br />
e.<br />
f.<br />
g.<br />
h.<br />
i.<br />
72
g. Een parallelschakeling van twee enkele weerstanden en een serie van twee:<br />
1<br />
Rv<br />
1 1 5 5<br />
= 2 ⋅ + = =<br />
R 2R<br />
2R<br />
120Ω<br />
⇔ Rv<br />
= 24Ω<br />
h. Een enkele weerstand in serie met een parallelschakeling tussen een enkele<br />
2R 120Ω<br />
weerstand en een serie van twee: Rv = R + = 60Ω<br />
+ = 100Ω<br />
3<br />
3<br />
i.<br />
R<br />
Een parallelschakeling van twee weerstanden ( Rv 1 = = 30Ω<br />
) in serie met een<br />
2<br />
enkele weerstand ( = R + R = 90Ω<br />
) , en dit geheel parallel met een vierde<br />
Rv 2 v1<br />
1 1 1 1 1<br />
weerstand. = + = + ⇔ Rv<br />
= 36Ω<br />
R R R 60Ω<br />
90Ω<br />
v<br />
v2<br />
2. Twee in serie geschakelde weerstanden zijn op een spanningsbron van 6,0V aangesloten:<br />
De stroommeter wijst 40 mA aan, de spanningsmeter 3,4V. Bereken R2.<br />
Als de spanningsmeter 3,4V aangeeft dan moet weerstand R1 zijn: R1 = 3,4V/0,04A =<br />
85Ω. De totale weerstand is Rtot = 6V/0,04A = 150Ω. Omdat de weerstanden in serie<br />
geschakeld zijn is dan R2 = Rtot – R1 = 65Ω.<br />
3. Die in serie geschakelde weerstanden zijn op een spanningsbron van 9,0 V aangesloten:<br />
A<br />
A<br />
V1<br />
R1<br />
V<br />
R2<br />
R1 R2 R3<br />
De stroommeter wijst 0,12 A aan, de bovenste spanningsmeter 4,8 V en de onderste<br />
spanningsmeter 7,2 V.<br />
a. Bereken de vervangingsweerstand (bij gesloten schakelaar)<br />
b. Bereken R2.<br />
c. Wat wijzen de meters aan, nadat de schakelaar is geopend?<br />
V2<br />
73
a. Rtot = 9V/0,12A = 75Ω<br />
b. Uit de spanningen kun je berekenen: R1 + R2 = 4,8V/0,12A = 40Ω<br />
R2 + R3 = 7,2V/0,12A = 60Ω<br />
Het volgt dan: R1 + 2R2 + R3 = 100Ω = Rtot + R2<br />
Dus R2 = 25Ω<br />
c. Nadat de schakelaar is geopend gaat geen stroom meer door V2 (de weerstand van<br />
V2 is heel hoog ten opzichte van de weerstand R3), dus deze meter wijst nul aan. De<br />
stroom gaat van de batterij door zeer hoge weerstand V1-meter , zodat deze meter de<br />
batterijspanning van 9V aangeeft.<br />
4. Drie parallel geschakelde weerstanden zijn op een spanningsbron aangesloten:<br />
A<br />
A<br />
R2 = 20 Ω; R3 = 30Ω.<br />
De ene stroommeter wijst 0,81 A aan, de andere 0,36 A.<br />
a. Bereken de overige twee takstromen.<br />
b. Bereken R1.<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
a. De stroom wordt omgekeerd evenredig met de weerstanden over de takken verdeeld.<br />
Van de hoofdstroom is nog 0,81 – 0,36 = 0,45A over om te verdelen. Dus I2/I3 = R3/R2 =<br />
3/2. Dan is I2 = 0,27A en I3 = 0,18A.<br />
b. De spanning over de schakeling is 0,18A x 30Ω = 0,27A x 20Ω = 5,4V. Daarmee is de<br />
vervangingsweerstand van de schakeling Rv = 5,4V/0,81A = 6,67Ω. Deze<br />
vervangingsweerstand 1/Rv = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3, dus R1 = 15Ω.<br />
5. Een straalkachel (220 V; 1,60 kW) heeft 3 uur en 15 minuten aangestaan.<br />
Bereken de elektrische energie die de kachel heeft opgenomen. (geef je antwoord zowel in<br />
kWh als in joule op).<br />
Drie uur en 15 minuten zijn 3,25h. De elektrische energie is dan 1,6 x 3,25 = 5,2kWh. Dit<br />
betekent dat je 3,25 uur lang ( = 11700 s) 1,6 kW per seconde verbruikt hebt, dus in totaal 18720<br />
x 10 3 J = 1,87 x 10 7 J.<br />
6. Drie weerstanden zijn geschakeld als in het schema hieronder weergegeven. Ze zijn op<br />
een spanningsbron van 16 V aangesloten. R1 = 20Ω; R2 = 25Ω; R3 = 60Ω.<br />
74
R2<br />
R3<br />
a. Bereken het vermogen dat de spanningsbron afgeeft.<br />
b. Bereken het vermogen dat in elk van de weerstanden wordt omgezet.<br />
a. De vervangingsweerstand van deze schakeling is Rv = 40Ω. Bij een spanning van<br />
16V is het vermogen dan P = V 2 /R = 256/40 = 6,4 W.<br />
b. De stroomsterkte over de schakeling I = 16V/40Ω = 0,4A. Over R2 heb je dan een<br />
spanningsverlies van V2 = I x R2 = 0,4 x 25 = 10V. Over R2 wordt dus een vermogen<br />
van P2 = V2 2 /R2 = 100/25 = 4 W omgezet. De spanning over de andere twee<br />
weerstanden is dan nog 6V. Over R1 wordt dan een vermogen van P1 = 36/20 =<br />
1,8W omgezet, en over R3 een vermogen van P3 = 36/60 = 0,6W.<br />
75