Wikijunior:Natuurkunde/Kinetische energie

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

Voortstuwende en tegenwerkende krachten

In het heelal en op aarde

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

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

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

Voortstuwende en tegenwerkende krachten

Er zijn heel veel tegenwerkende krachten.

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

opzij worden geduwd’.

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

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

Een voorwerp dat beweegt als de resultante 0 N is

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

Een voorwerp dat beweegt als de resultante NIET 0 N is

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

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

Voorbeelden

STEL JE EENS VOOR.

Space Shuttle

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

Vliegtuig

Een vliegtuig gaat vertraagd bewegen. De voorstuwende kracht is kleiner dan de tegenwerkende. De resultante werkt tegenin de dezelfde richting als de beweging.

Auto

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

Traagheid

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

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

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

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

Optrekken en afremmen

Stel: een motorfiets en een auto staan voor een stoplicht. De auto weegt 900 kg, de motor 300. Als het stoplicht op groen sprigt, trekken de auto en de motor allebei op. Op beide werkt er dan een even grote kracht. De resultante is 1,8 kN. Maar de versnelling? Om de versnelling uit te rekenen, gebruiken we de volgende formule:

     F
a = ---
     M

Beide voertuigen krijgen door de kracht een versnelling:

       MOTOR                          AUTO
     F    1800                      F    1800
a = --- = ---- = 6 m▪s-2       a = --- = ---- = 2 m▪s-2      

     M     300                      M     900

De resultante is even groot, maar de versnelling van de motor is driemaal zo groot als die van de auto. De snelheid van de auto verandert dus langzamer dan de snelheid van de motor. Dus de auto heeft een grotere traagheid dan de motor.

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

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

Afremmen en van richting veranderen

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

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

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

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

Veiligheid in het verkeer

De remweg

Rem.

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

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

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

De reactietijd

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

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

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

stopafstand = reactieafstand + remweg

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

Veiligheid bij het autorijden

Om een veilige snelheid te kiezen moeten automobilisten letten op het soort weg waar ze op rijden. Is het een straat? Een woonwijk? Een doorgaande weg? Een doorgaande weg buiten de bebouwde kom? Daarom gelden oor verschillende soorten wegen maximumsnelhede.

Ook moeten de automobilisten letten op het overige verkeer. Bij veel drukte moet de snelheid worden aangepast. Ook moeten ze rekening houden met omstandigheden waardoor de stopafstand langer is dan gewoonlijk. Voorbeeldjes:

• je bent op vakantie en de auto is zwaar beladen met je gezin en vakantiespullen
• de banden van de auto zijn lek
• het wegdek is spiegelglad door de regen
• de bestuurder is erg moe of heeft teveel gedronken

Als de bestuurder slim is, kies ‘ie een lagere snelheid.

Maar ook bij het remmen moet hij voorzichtig zijn. Als je te hard remt, kan de auto slippen. Dan is de auto onbestuurbaar en de remvertraging kleiner.

Botsen

Hoewel mensen heel voorzichtig zijn in het verkeer, kan er toch welleens een ongeluk gebeuren. Er wordt daarom ook onderzoek gedaan naar botsingen, zodat er zo veilig mogelijke auto’s gemaakte kunnen worden. Voor zulke onderzoeken worden echte auto’s gebruikt, maar ook computermodellen waarmee je een botsing kunt nabootsen.

Gecrashte auto.

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

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

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

Toch kunnen de inzittenden nog ernstig gewond raken, bijvoorbeeld als de constructie van de auto het niet houdt en begeeft. Het gedeelte waarin de passagiers zitten wordt daarom zo stevig mogelijk gemaakt. Dat heet een kooiconstructie. De kreukelzone moeten niet stevig zijn omdat die makkelijk moeten kunnen vervormen.

Als de auto van achteren wordt aangereden, beweegt hij plotseling naar voren. Dan worden de inzittenden ook naar voren gestuurd. Maar stoelen hebben ook welleens heen hoofdsteun en dan bewegen de hoofden van de passagiers niet mee. Traagheid heet dat. Dan lijkt het alsof het hoofd achterover slaat. Dit kan heel ernstig nekletsel en zelfs de dood tot gevolg hebben. Daarom zijn hoofdsteunen tegenwoordig verplicht. Dan kan het hoofd tegelijk mee vooruit worden geduwd.

De helm

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

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