Embedded Files
Voorkennis
Voorkennis
TERMINOLOGIE - NORMAALKRACHT (FN)
Een NORMAALKRACHT (FN) is de kracht loodrecht op een oppervlak die het binnendringen van een voorwerp tegenwerkt.
DE 1e WET VAN NEWTON
(de traagheidswet van Galilei)
Als de nettokracht op een voorwerp nul is, dan
zal het voorwerp in rust blijven als het stilstond.
zal het voorwerp rechtdoor bewegen met een constante snelheid als het in beweging was.
KRACHTEN SAMENSTELLEN - GRAFISCHE METHODE
Als er meerdere krachten op een object werken, kan je die krachten samenstellen om de nettokracht te vinden.
Dat kan eenvoudig met een tekening.
KRACHTEN SAMENSTELLEN - REKENMETHODE
Als er meerdere krachten op een object werken, kan je die krachten samenstellen om de nettokracht te vinden.
Dat kan (liefst nadat je een schets maakte) via een eenvoudige berekening.
KRACHTEN ONTBINDEN - GRAFISCHE METHODE
Krachten ontbinden in componenten is het omgekeerde van krachten samenstellen.
Meestal ontbinden we een vector in 2 componenten die loodrecht op elkaar staan.
Dat kan eenvoudig met een tekening.
KRACHTEN ONTBINDEN - REKENMETHODE
Krachten ontbinden in componenten is het omgekeerde van krachten samenstellen.
Meestal ontbinden we een vector in 2 componenten die loodrecht op elkaar staan.
Dat kan (liefst nadat je een schets maakte) via een eenvoudige berekening.
OEFENINGEN
Maak de oefeningen in het werkboek bij dit project.
Wrijving
Wrijving
Wrijvingskrachten meten - op een horizontaal vlak
Wrijvingskrachten meten - op een horizontaal vlak
We gebruiken de 1e wet van Newton.
Als een object stil blijft liggen op een horizontaal vlak, dan is ...
de normaalkracht (FN) gelijk aan de zwaartekracht (FZ) op het object.
de wrijvingskracht (FW) gelijk aan de kracht (F) waarmee je het object probeert in beweging te trekken.
de nettokracht (FNETTO) nul.
Als een object aan een constante snelheid (!) over een horizontaal vlak glijdt, dan is ...
de normaalkracht (FN) gelijk aan de zwaartekracht (FZ) op het object.
de wrijvingskracht (FW) gelijk aan de kracht (F) waarmee je het object voortbeweegt.
de nettokracht (FNETTO) nul.
Hieruit volgt dat je de wrijvingskracht kunt meten door de kracht te meten die je zélf op een object uitoefent.
Als het object stil blijft liggen, dan is jouw kracht even groot als de wrijvingskracht.
Als het object met constante snelheid (!) beweegt, dan is jouw kracht even groot als de wrijvingskracht.
In deze metingen leggen we een houten blok op tafel. We maken er een krachtsensor aan vast. Op die manier kunnen we aan het blok trekken en tegelijk de kracht aflezen die we uitoefenen.
EXPERIMENTEN - DE MAXIMALE STATISCHE WRIJVINGSKRACHT BEPALEN
Het houten blok ligt op tafel. Trek er steeds harder aan en bepaal de kracht die nodig was om het in beweging te brengen. Je kent nu ook de MAXIMALE STATISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,S,max).
Kantel het blok zodat het contactoppervlak met de tafel groter of kleiner is. Bepaal de kracht die nodig was om het in beweging te brengen. Je kent nu ook de MAXIMALE STATISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,S,max). Is er een verschil met de vorige situatie? Formuleer je conclusie.
Herhaal meting 1 maar deze keer met het blok dat ligt op een ander materiaal. Is er een verschil met meting 1? Formuleer je conclusie.
Herhaal meting 1 een aantal keer. Plaats telkens meer gewicht op het blok. Bepaal steeds de MAXIMALE STATISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,S,max). Deel die wrijvingskracht door de normaalkracht. Formuleer je conclusie.
EXPERIMENTEN - DE KINETISCHE WRIJVINGSKRACHT BEPALEN
Het houten blok ligt op tafel. Trek het in beweging. Meet de kracht die nodig is om het met constante snelheid (!) te laten bewegen. Je kent nu ook de KINETISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,K).
Herhaal meting 1 maar zorg er deze keer voor dat de (constante) snelheid groter of kleiner is. Is er een verschil met meting 1? Formuleer je conclusie.
Herhaal meting 1 een aantal keer. Plaats telkens meer gewicht op het blok. Bepaal steeds de KINETISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,K). Deel die wrijvingskracht door de normaalkracht. Formuleer je conclusie.
OPDRACHT
De nauwkeurigheid van onze metingen kan tegenvallen. Aan welke factoren zou dit kunnen liggen?
Algemene conclusie
Algemene conclusie
Zowel de maximale statische wrijvingskracht als de als de kinetische wrijvingskracht hangen af van hoe sterk 2 oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt. De maximale statische wrijvingskracht (FW,S,max) en de kinetische wrijvingskracht (FW,K) zijn recht evenredig met de normaalkracht (FN).
De maximale statische wrijvingskracht hangt af van de materialen die over elkaar heen glijden. We introduceren dus een materiaalconstante: de statische wrijvingscoëfficiënt (μS).
De kinetische wrijvingskracht hangt af van de materialen die over elkaar heen glijden. We introduceren dus een materiaalconstante: de kinetische wrijvingscoëfficiënt (μK).
De MAXIMALE STATISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,S,max):
met hierin:
de (maximale) statische wrijvingskracht, FW,S
de statische wrijvingscoëfficiënt, μS
de normaalkracht, FN
De KINETISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,K):
met hierin:
de kinetische wrijvingskracht, FW,K
de kinetische wrijvingscoëfficiënt, μK
de normaalkracht, FN
De kinetische wrijvingscoëfficiënt is (meestal) kleiner dan de statische wrijvingscoëfficiënt: μK ≤ μS
Daarom is het (meestal) moeilijker om iets in beweging te krijgen dan om het in beweging te houden.
Wrijvingscoëfficiënten meten - op een helling
Wrijvingscoëfficiënten meten - op een helling
We gebruiken de 1e wet van Newton.
Als een object stil blijft liggen op een hellend vlak, dan is ...
de normaalkracht (FN) gelijk aan de loodrechte component van de zwaartekracht (FZ,L) op het object.
de wrijvingskracht (FW) gelijk aan de evenwijdige component van de zwaartekracht (FZ,E) op het object.
de nettokracht (FNETTO) nul.
Als een object aan een constante snelheid (!) over een hellend vlak glijdt, dan is ...
de normaalkracht (FN) gelijk aan de loodrechte component van de zwaartekracht (FZ,L) op het object.
de wrijvingskracht (FW) gelijk aan de evenwijdige component van de zwaartekracht (FZ,E) op het object.
de nettokracht (FNETTO) nul.
Hieruit volgt dat je de wrijvingskracht kunt meten door de hellingshoek (θ) aan te passen en dus ook de wrijvingscoëfficiënten kan berekenen.
EXPERIMENT - DE STATISCHE WRIJVINGSCOËFFICIËNT BEPALEN
Het houten blok ligt op een plank. Vergroot de hoek tussen de plank en de horizontale tot het blok in beweging komt. Meet de hellingshoek (θ) en bereken de evenwijdige component van de zwaartekracht (FZ,E) op het object. Je kent nu ook de MAXIMALE STATISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,S,max).
Bereken de loodrechte component van de zwaartekracht (FZ,L) op het object. Je kent nu ook de normaalkracht (FN).
Bereken de statische wrijvingscoëfficiënt (μS) uit de maximale statische wrijvingskracht en de normaalkracht.
EXPERIMENT - DE KINETISCHE WRIJVINGSCOËFFICIËNT BEPALEN
Het houten blok ligt op een plank. Vergroot in kleine stapjes de hoek tussen de plank en de horizontale. Geef telkens het blok een tik om het in beweging te brengen. Zoek de hoek waarbij het blok van je helling blijft glijden met een constante snelheid. Meet de hellingshoek (θ) en bereken de evenwijdige component van de zwaartekracht (FZ,E) op het object. Je kent nu ook de KINETISCHE WRIJVINGSKRACHT (FW,K).
Bereken de loodrechte component van de zwaartekracht (FZ,L) op het object. Je kent nu ook de normaalkracht (FN).
Bereken de kinetische wrijvingscoëfficiënt (μK) uit de maximale statische wrijvingskracht en de normaalkracht.
OPDRACHT
De nauwkeurigheid van onze metingen kan tegenvallen. Aan welke factoren zou dit kunnen liggen?
De oorzaak van wrijving
De oorzaak van wrijving
Wrijving ontstaat doordat oppervlakken nooit helemaal glad zijn. Onder een microscoop zie je kleine hobbeltjes en putjes. Als twee oppervlakken over elkaar schuiven, haken die oneffenheden in elkaar. Soms komt er ook een beetje kleefkracht bij, vooral als materialen stevig tegen elkaar gedrukt worden.
OPDRACHT
Wrijving blijkt een erg complex verschijnsel. Vraag aan een AI wat de oorzaak is van wrijving.
Geef duidelijke informatie aan de AI:
geef informatie over jezelf zodat de AI het niveau van het antwoord kan inschatten.
vraag wat modern wetenschappelijk onderzoek over de oorzaak van wrijving ons leert.
vraag een uitleg die mooi gestructureerd is en ook niet te lang.
De arbeid die je hebt verricht
De arbeid die je hebt verricht
EXPERIMENT
We bouwen een experiment waarbij we de uitgeoefende kracht (F) op het blok en de verplaatsing (∆x) van het blok tegelijk meten. We maken een grafiek die ons de kracht geeft in functie van de verplaatsing. We schatten de geleverde arbeid met de oppervlaktemethode (HOE?).
Wrijving bij gewrichten
Wrijving bij gewrichten
Wij hebben twee types beweeglijke gewrichten.
SYNOVIALE GEWRICHTEN. Voorbeelden hiervan zijn de knie, de heup en de schouder. Ze hebben een gewrichtsholte gevuld met synoviaal vocht om wrijving te minimaliseren. Hyaluronan (ook: hyaluronzuur) is het belangrijkste 'smeermiddel' in synoviaal vocht. Het zijn lange, polymere moleculen die in elkaar verstrengeld zijn (wat de viscositeit veroorzaakt), maar ze hebben niet de neiging om aan de oppervlakken te plakken. In de gewrichten is de smering een vorm van grenslaagsmering, waarbij het hyaluronzuur zich hecht aan het kraakbeen en water vasthoudt. Dit water is hetgeen dat voor de minimale wrijving zorgt.
KRAAKBENIGE GEWRICHTEN. Bij deze gewrichten zijn de botten verbonden door kraakbeen. Ook hier is geen gewrichtsholte en dus ook geen synoviaal vocht. De tussenwervelschijven in de wervelkolom en de symphysis pubis (het gewricht in het bekken) zijn hiervan voorbeelden. Hoewel er geen vloeibaar smeermiddel is, zorgt de structuur van het kraakbeen zelf voor een soepele beweging en schokabsorptie. De matrix van het kraakbeen bestaat uit proteoglycanen en collageenvezels die water vasthouden. Dit water werkt als een schokdemper en zorgt voor een zeer lage wrijving, zelfs zonder vloeibaar smeermiddel.
Synoviaal gewricht. [BRON]
Types synoviale gewrichten. [BRON]
Aquaplaning (watergladheid)
Aquaplaning (watergladheid)
Aquaplaning, of watergladheid, treedt op wanneer er een laag water op het wegdek komt te liggen, waardoor de banden van een auto het contact met het asfalt verliezen en de grip vermindert of volledig verdwijnt.
Een waterlaagje kan dus (net als bij gewrichten) zorgen voor een kleine wrijvingscoëfficiënt.
Bij hoge snelheden kan het profiel van de banden het water op de weg niet voldoende snel afvoeren.
VRAAG
Een waterlaagje kan zorgen voor een kleine wrijvingscoëfficiënt. Waarom gebruiken we dan olie als smeermiddel en niet gewoon water?
OPDRACHT
Je weet dat olie (en ook water) kan dienen als smeermiddel. Zoek op welke andere soorten smeermiddelen er nog worden gebruikt.
Extra oefeningen
Extra oefeningen
OEFENINGEN
Maak de oefeningen in het werkboek bij dit project.
Rolweerstand
Rolweerstand
OPDRACHT
Lees het artikel van Wikipedia over rolweerstand en beantwoord de volgende vragen over rijden met je fiets.
Wat is de voornaamste reden dat er rolweerstand optreedt?
Hoe kan ik de rolweerstand van mijn fiets kleiner maken?
De oorzaak van rolweerstand
De oorzaak van rolweerstand
Bij rollen vervormt het wiel en/of het oppervlak een beetje. Dat zorgt ervoor dat het steunpunt niet exact onder het middelpunt van het wiel ligt maar een klein beetje ervóór. Er ontstaat dan een krachtmoment dat de rotatie van het wiel tegenwerkt.
Rolweerstand is dus geen klassieke wrijving (zoals bij glijden) maar een effect van de vervorming en de verschoven krachtwerking.
Er is ook een tweede aspect. Als bv. een fietsband rolt, dan wordt het contactgebied met de weg constant ingedrukt en daarna weer ontspannen. Ook dat proces kost energie, en die energie moet jij als fietser compenseren.
Soms is er ook het “plakken” (adhesie) van een wiel aan de weg. Tijdens het rollen moet de band steeds weer worden losgetrokken. Bij een rubberen band op asfalt is dit effect verwaarloosbaar klein en dus niet de hoofdreden van rolweerstand.
Vervorming van een wiel veroorzaakt een krachtmoment dat de rotatie tegenwerkt.
Kogellagers
Kogellagers
Een wiel draait rond een vaste as. Ook hier moet wrijving worden beperkt.
Dat gebeurt vaak met een zgn. kogellager.
OPDRACHT
Ik weet zeker dat de wielen van mijn fiets kogellagers bevatten. Maar zijn er ook andere technieken die de wrijving van het wiel tijdens de rotatie kunnen beperken? Zoek het op!
Rolweerstand meten
Rolweerstand meten
EXPERIMENTEN
We bedenken zelf experimenten om de rolweerstand te meten. Hierbij houden we rekening met:
de uitvoerbaarheid op school (materiaal, kostprijs, ...).
factoren die onze meting verstoren.
meetnauwkeurigheid.
Luchtweerstand
Luchtweerstand
OPDRACHT
Lees het artikel van Wikipedia over stromingsweerstand en beantwoord de volgende vraag over rijden met een auto.
Als een auto 2 keer zo snel gaat, hoe is dan de luchtweerstand op die auto veranderd?
De snelheid van een luchtstroom bepalen - de anemometer
De snelheid van een luchtstroom bepalen - de anemometer
De snelheid waarmee een voertuig beweegt t.o.v. de lucht is in grote mate bepalend voor de luchtweerstand.
I.p.v. een voertuig te laten bewegen in lucht, kunnen we met ventilatoren de lucht zelf laten bewegen langsheen een stilstaand object.
We willen dus graag de luchtsnelheid kennen. In de meteorologie is dit een standaard waarneming die wordt uitgevoerd met een anemometer.
Anemometer om de windsnelheid te bepalen.
BOUWEN & METEN
We bouwen zelf een anemometer. We bouwen ook een windtunnel met een ventilator of een haardroger. We bepalen dan de snelheid van een luchtstroom bij verschillende rotatiefrequenties van de ventilator of de haardroger.
De snelheid van een luchtstroom bepalen - de pitotbuis
De snelheid van een luchtstroom bepalen - de pitotbuis
Leer hoe hieruit volgt dat je de stroomsnelheid van een fluïdum kan bepalen met een zgn. pitotbuis.
Met behulp van een pitotbuis kan je de stroomsnelheid van een fluïdum bepalen.
BOUWEN & METEN
We gebruiken een pitotbuis in onze zelfgebouwde windtunnel. We bepalen dan de snelheid van een luchtstroom bij verschillende rotatiefrequenties van de ventilator of de haardroger. We vergelijken onze metingen met de metingen die we deden met de anemometer.
Het verband tussen luchtsnelheid en luchtweerstand bepalen
Het verband tussen luchtsnelheid en luchtweerstand bepalen
Zelf een volledige formule voor de luchtweerstand vinden is zonder professioneel materiaal en veel (ingenieurs)kennis onmogelijk.
De stromingsweerstand (Eng;: drag) die een voorwerp ondervindt als het zich voortbeweegt door een medium, of vice versa, is bij benadering te berekenen met deze formule:
met hierin:
de weerstandskracht, de stromingsweerstand, FD
de dichtheid van het medium waarin het voorwerp zich bevindt, ρ
de relatieve snelheid van het voorwerp ten opzichte van het medium, v
de geprojecteerde oppervlakte van het voorwerp, loodrecht op de bewegingsrichting, A
de weerstandscoëfficiënt, afhankelijk van de vorm van het object, CD
OEFENING
Een auto die (over een vlakke snelweg) 130 km/h rijdt zal meer brandstof verbruiken dan diezelfde auto die maar 110 km/h rijdt. Leg uitgebreid uit hoe dat komt.
BOUWEN & METEN
We gebruiken onze zelfgebouwde windtunnel. We bepalen dan met de pitotbuis de snelheid van een luchtstroom bij verschillende rotatiefrequenties van de ventilator of de haardroger. We meten de kracht die de luchtstroom uitoefent op een plaatje. We proberen na te gaan of die kracht wel degelijk kwadratisch evenredig is met de stroomsnelheid van de lucht.
LEREN & OEFENEN
Open het bijgevoegde document. Leer over de wet van Bernoulli en maak de oefeningen.
bernoulli theorie.pdfPage updated
Report abuse