Embedded Files
TERMINOLOGIE - FLUÏDUM
Een FLUÏDUM (meervoud: fluïda) is een stof die geen vaste vorm heeft.
Gassen en vloeistoffen zijn fluïda.
Vloeistofdruk
Vloeistofdruk
EXPERIMENT
We vullen een plastic flesje helemaal vol water en sluiten de dop. We duwen hard op de fles en proberen het water samen te persen. Dat lukt niet.
Een vloeistof is NIET samendrukbaar.
EXPERIMENT
We vullen een plastic flesje helemaal vol water en sluiten de dop. We prikken er een aantal kleine (!) gaatjes in. We zetten druk op het water door hard op de fles te duwen. Het water spuit uit de fles, loodrecht op de wand en langs alle gaatjes.
DE WET VAN PASCAL
Als je een druk uitoefent op een vloeistof, wordt die druk overal in de vloeistof gevoeld.
EXPERIMENT
We prikken op verschillende hoogten gaten in een plastic flesje. We vullen de fles langzaam en sluiten ze NIET af.
Het water spuit uit de fles, loodrecht op de wand en langs alle gaatjes. Uit het laagste gaatje spuit het water harder.
DE HYDROSTATISCHE DRUK
Elke vloeistoflaag oefent een druk uit op de vloeistof daaronder. Die druk komt van het gewicht van de vloeistof die boven een vloeistoflaag zit. Die druk noemen we de HYDROSTATISCHE DRUK.
Hoe dieper in de vloeistof, hoe groter de hydrostatische druk is.
Blaise Pascal demonstreerde zijn wet door aan zijn tijdgenoten te laten zien dat je een ton kapot kan laten springen met een kan water.
De watertoren van Mechelen. De watertank zit op 53 meter hoogte en verzorgt zo (hydrostatische) druk op de waterleiding.
EXPERIMENT
We prikken op verschillende hoogten gaten in een plastic flesje. We sluiten het NIET af en dompelen het tot net onder de rand onder in een bak met water.
Het water stroom het flesje in langs de gaatjes. Het water stroomt harder binnen langs het laagste gaatje.
Wat er gebeurt in het vorige experiment is een logisch gevolg van de wet van Pascal in combinatie met de hydrostatische druk. De hydrostatische druk wordt overal in de vloeistof gevoeld, dus ook tegen de wand van het plastic flesje.
EXPERIMENT
We gieten water in verbonden buizen. We stellen vast dat de vloeistofoppervlakken op dezelfde hoogte gaan staan, onafhankelijk van de vorm van de buis.
We doen hetzelfde maar we sluiten een buis bovenaan af. Die buis vult zich dan niet tot op de hoogte van de andere buizen.
Wat er gebeurt in het vorige experiment is een logisch gevolg van de wet van Pascal in combinatie met de hydrostatische druk. Als het waterniveau in 2 buizen niet gelijk is, is de hydrostatische druk op een bepaald niveau ook niet gelijk. Vloeistof stroomt dan naar de kant met de kleinste druk tot het waterniveau wél gelijk is.
Hier zal water stromen van buis ① naar buis ②.
DE WET VAN DE COMMUNICERENDE VATEN
Als een vloeistof in verbonden vaten vrij kan stromen, dan zullen de vloeistofoppervlakken steeds op dezelfde hoogte gaan staan.
OEFENING
Dankzij het gebruik van een waterslot (sifon), komen geurtjes van de afloop of de riool niet bij je thuis binnen. Teken waar het water blijft staan in het waterslot van het toilet en het wasbakje.
OPLOSSING
De archimedeskracht
De archimedeskracht
EXPERIMENT
We hangen een massa aan een dynamometer of een krachtsensor en lezen af hoe groot de (zwaarte)kracht is. ①
We dompelen de massa een stukje onder in water ② en daarna helemaal ③. We lezen telkens af wat de kracht is.
We stellen vast dat een object dat ondergedompeld is in een vloeistof een kleiner gewicht heeft. De vloeistof oefent dus een opwaartse kracht uit op het ondergedompelde stuk van het voorwerp. Die kracht noemen we de archimedeskracht (FA).
EXPERIMENT
We herhalen het vorige experiment nog eens maar dan met olie en met zout water.
We stellen vast dat de archimedeskracht in olie kleiner is dan in gewoon water (want dan is het voorwerp zwaarder).
We stellen vast dat de archimedeskracht in zout water groter is dan in gewoon water (want dan is het voorwerp lichter).
De archimedeskracht is er omdat de hydrostatische druk groter wordt met de diepte. De druk onderaan een ongedompeld voorwerp is groter dan bovenaan een ondergedompeld voorwerp. Op die manier krijg je dus een opwaarts gerichte kracht.
DE ARCHIMEDESKRACHT (FA)
De archimedeskracht (FA) is de opwaartse kracht die een vloeistof uitoefent op een object dat is ondergedompeld in die vloeistof.
De archimedeskracht op een voorwerp hangt af van:
het volume van dat voorwerp.
de vloeistof waarin het voorwerp zich bevindt.
OEFENING
Vergelijk in deze situaties de archimedeskracht op het object met de zwaartekracht op dat object.
Wat gaat het object in die gevallen doen?
De zwaartekracht (FZ) is groter dan de archimedeskracht (FA).
Er is een nettokracht naar beneden. Het object zal ZAKKEN.De zwaartekracht (FZ) is kleiner dan de archimedeskracht (FA).
Er is een nettokracht naar boven. Het object zal STIJGEN.De zwaartekracht (FZ) is gelijk aan de archimedeskracht (FA).
Er is geen nettokracht. Het object zal ZWEVEN.De zwaartekracht (FZ) is kleiner dan de archimedeskracht (FA).
Er is een nettokracht naar boven. Het object zal STIJGEN.De zwaartekracht (FZ) is gelijk aan de archimedeskracht (FA).
Er is geen nettokracht. Het object zal "ZWEVEN".
Omdat het object al aan de oppervlakte is, zeggen we beter dat het object zal DRIJVEN.De zwaartekracht (FZ) is groter dan de archimedeskracht (FA).
Er is een nettokracht naar beneden. Het object zal ZAKKEN tot we weer bij situatie ⑤ belanden.
EXPERIMENT
Ik zet een beker met water op een weegschaal en hang een object aan krachtmeter. Ik lees de weegschaal af en ik meet de kracht op de veer. ①
Ik laat nu het object volledig in het water zakken. Ik lees opnieuw de weegschaal af en ik meet opnieuw de kracht op de veer. ②
Wat is er veranderd? Waarom die veranderingen?
De kracht op de veer is verkleind omwille van de archimedeskracht. De krachtmeter wijst dus minder kracht aan omdat het gewicht van het object minder is.
De archimedeskracht is er omdat de vloeistof een opwaartse kracht uitoefent op het object. Maar dat wil zeggen dat het object een even grote neerwaartse kracht uitoefent op de vloeistof. Het lijkt dus alsof de vloeistof zwaarder is. De weegschaal gaat dus méér aangeven.
Een sportduiker beschikt altijd over een zgn. trimvest. De duiker laat lucht in of uit de vest waardoor het volume van de vest groter of kleiner wordt. Daarmee verandert de duiker de archimedeskracht.
SIMULATIE
Gebruik de simulatie Archimedes Buoyancy 1 van Javalab.
Verander de massa en het volume van het voorwerp. Bestudeer hoe de krachten dan veranderen en wat betekent voor het gedrag van het voorwerp.
Bar
Bar
Om drukken in vloeistoffen en gassen uit te drukken, gebruiken we vaak niet de standaard eenheid pascal (Pa) maar de eenheid bar.
EENHEID - BAR
De BAR is een eenheid van druk. De bar is zó gedefinieerd:
OEFENING
In deze duikfles zit gecompromeerde lucht onder een druk van 220 bar. Hoeveel is dat in pascal?
OPLOSSING
p = 220 bar
= 220 ∙ 10⁵ Pa
= 22,0 ∙ 10⁶ Pa
= 22,0 MPa
OEFENING
Het weerbericht zegt dat de luchtdruk op dit moment 1018,1 hPa is. Hoeveel is dat in millibar?
OPLOSSING
p = 1018,1 hPa
= 1018,1 ∙ 10² Pa
= 1,0181 ∙ 10⁵ Pa
= 1,0181 bar
= 1018,1 mbar
Daarom zeggen ze dus op het weerbericht dat de luchtdruk een aantal “millibar of hectopascal” is.
Gasdruk
Gasdruk
EXPERIMENT
We vullen een glas volledig (!) met water en leggen er een stevig stuk karton op. We draaien het glas om en merken dat het karton blijft zitten.
In het vorige experiment werken 2 krachten op het karton.
Onderaan het glas is er een hydrostatische druk omwille van het gewicht van het water. Er is dus een neerwaartse kracht op het contactoppervlak tussen het karton en het water.
De luchtdruk zorgt dan weer voor een opwaartse kracht op het karton.
Die opwaartse kracht is groter dan de neerwaartse kracht op het karton want op de randen van het karton kan je nu zelfs extra dingen zetten zonder dat het valt.
Bekijk IN DEZE VIDEO dat je op dezelfde manier zelfs gevulde borden kan optillen.
EXPERIMENT
We gebruiken een vacuümpomp om de ruimte tussen 2 metalen halve bollen luchtledig te maken.
Omdat de lucht luchtdruk buiten de bollen erg groot is, krijgen we ze niet meer uit elkaar.
Dit experiment werd voor het eerst uitgevoerd in 1654.
EXPERIMENT
We gebruiken een druksensor om de luchtdruk te meten. We meten een luchtdruk van iets meer dan 100 kPa.
EXPERIMENT
Gebruik de Physics Toolbox Sensor Suite op je smartphone. Als je smartphone een druksensor heeft, kan je kiezen voor de optie Barometer en dan Digital Readout. Je meet een luchtdruk van iets meer dan 100 kPa.
ATMOSFERISCHE DRUK
De ATMOSFERISCHE DRUK (luchtdruk) op zeeniveau op aarde is ongeveer 100 kPa (1 bar).
patm ≈ 100 kPa
OEFENING
Hoe hard moeten we trekken om een deur met oppervlakte 2 m² open te krijgen als zich aan de andere kant van de deur een vacuüm bevindt?
We berekenen de kracht die de lucht op de deur uitoefent.
Stel dat de luchtdruk 100 kPa is. Die druk werkt op een oppervlak van 2 m².
p = 100 kPa = 105 Pa
A = 2 m²
p = F/A
⇔ F = p ∙ A
⇔ F = 105 Pa ∙ 2 m² = 105 N/m² ∙ 2 m² = 2 ∙ 105 N !!
Dat is iets meer dan de zwaartekracht op een object van 20000 kg. Die deur krijg je niet open.
EXPERIMENT
We gebruiken een losse manometer om de luchtdruk te meten.
We meten een druk van ... 0 bar ?!
EXPERIMENT
We leggen een dichtgeknoopte ballon onder een vacuümklok en zuigen de lucht weg. We zien de ballon opzwellen omdat de luchtdruk rond de ballon kleiner wordt dan de druk in de ballon.
Maar de manometer waarmee we de druk onder de klok meten geeft ons een negatieve waarde!
In de vorige experimenten zien we dat onze manometer geen druk meet maar een DRUKVERSCHIL.
TERMINOLOGIE - OVERDRUK, ONDERDRUK
We spreken van OVERDRUK als de druk groter is dan de omgevingsdruk.
We spreken van ONDERDRUK als de druk kleiner is dan de omgevingsdruk.
Een manometer meet een DRUKVERSCHIL. Hij meet de overdruk of de onderdruk in vergelijking met de atmosfeerdruk.
Als je aan een rietje zuigt, creëer je onderdruk in het rietje. De atmosfeerdruk duwt dan de vloeistof omhoog.
Als die snorkel langer zou zijn, zou het kind toch niet dieper kunnen blijven zwemmen. Het kind zou niet kunnen ademen omdat de hydrostatische druk te groot wordt in vergelijking met de atmosfeerdruk. De ademhalingsspieren zijn daarvoor niet sterk genoeg.
OEFENING
We gebruiken een manometer om de druk in een fietsband te meten die NIET is opgepompt. We lezen 0 bar af. Wil dat zeggen dat er geen lucht in de fietsband zit?
Er zit wél nog lucht in de fietsband maar de luchtdruk in de band is hetzelfde als de druk buiten de band. Daarom registreert de manometer een DRUKVERSCHIL van 0 bar en daarom is er geen zgn. bandenspanning.
OEFENING
Bij moderne auto's zit er vaak een druksensor op de banden en kan je op het dashboard de bandenspanning aflezen.
Hoe groot is hier de gasdruk in de band links achteraan?
De sensor geeft een bandenspanning van 2,7 bar.
Er is dus 2,7 bar OVERDRUK.
De gasdruk in de band is dus:
2,7 bar + 1 bar = 3,7 bar.
EXPERIMENT
We beschikken over een balans met daaraan een bol van polystyreen en aan de andere kant een klein flesje met loodbolletjes. De balans is in evenwicht. Het lijkt er dus op dat die twee voorwerpen dezelfde massa hebben.
Maar wat gebeurt er als we de balans onder een vacuümklok zetten en we de lucht daaronder wegzuigen?
ANTWOORD
In de lucht is er ook een archimedeskracht. De neerwaartse kracht op een voorwerp is dan de vectorsom van de zwaartekracht en die archimedeskracht.
Als de balans in evenwicht is, is de nettokracht links en rechts gelijk. Maar als de archimedeskracht wegvalt, wordt het evenwicht verstoord want op de bol is de archimedeskracht groter dan op dat kleine flesje. Op dat moment zien we dat de zwaartekracht op die bol groter is dan op het flesje. De bol is dus het zwaarst.
Net als onder water is er in de lucht ook een archimedeskracht.
Luchtbalonnen maken gebruik van de archimedeskracht om in de lucht te blijven.
Weerballonnen zijn luchtballonnen waaraan meetinstrumenten hangen. Ze worden veel gebruikt voor atmosferisch onderzoek en bereiken typisch een hoogte van 25 tot 35 kilometer
OEFENING
Bij afspraak zeggen we dat we "in de ruimte" zijn als we een hoogte van 100 km boven het aardoppervlak bereiken. Daar is de atmosfeerdruk bijna nul.
Neem een wereldbol en bereken hoe dik de laag moet zijn die je op de bol moet leggen om op schaal die atmosfeer van 100 km dik voor te stellen.
OPLOSSING
De diameter van de aarde is iets meer dan 12700 km
Meet de diameter van je wereldbol.
Gebruik de regel van 3 om te vinden met hoeveel 100 km overeenkomt op de schaal van je wereldbol.
EXPERIMENT
We meten met een smartphone en een geschikte app de atmosferische druk op de verschillende verdiepingen van het schoolgebouw.
Wat stel je vast?
ANTWOORD
Hoe hoger we in het gebouw zijn, hoe kleiner de luchtdruk die we meten.
Hoe hoger je je boven het aardoppervlak bevindt, hoe kleiner de luchtdruk.
STEM PROJECT - WE MAKEN EEN MODEL VOOR DE LUCHTDRUK
We meten de atmosfeerdruk op verschillende hoogten in een gebouw. We stellen een model op voor de verandering van die druk in functie van de hoogte.
STEM PROJECT - WE MAKEN EEN CARTESISCHE DUIKER (NOG UIT TE WERKEN)
We maken een cartesische duiker en analyseren het gedrag ervan.
NAAR HET STEM PROJECT (LINK INVOEGEN) ⧉
⊕ Over stofzuigers en vliegtuigen
⊕ Over stofzuigers en vliegtuigen
Over de wet van Bernoulli → experimenten en toepassingen.
EXTRA OEFENINGEN
EXTRA OEFENINGEN
... VIND JE IN JE WERKBOEK.
Page updated
Report abuse