Wikijunior:Natuurkunde/Materialen

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

Inleiding: Materialen en hun toepassingen

Materialen zoals hout, wol en ijzer worden al eeuwen gebruikt. Afgelopen eeuw zijn er steeds meer nieuwe materialen bijgekomen, voor allerlei toepassingen.

Gebruiken

Om dingen te maken, heb je materialen nodig. Bakstenen voor huizen, kunststof folie voor verpakkingen, roestvrij staal voor bestek en katoen voor kleding. Elk materiaal heeft eigenschappen waardoor het geschikt is voor bepaalde toepassingen en ongeschikt voor andere.

Hout

Van hout kun je een prima stoel maken. Dit komt doordat het bestand is tegen druk- en trekkrachten, en toch zeer licht is. Dat is zeker nodig, omdat er behoorlijke krachten op worden uitgeoefend.

Hout kan worden bewerkt door het te zagen, te draaien, erin te vijlen en te boren en door het te schaven. Zo geef je een bepaalde vorm aan het hout. De stukjes hout die je weghaalt, heten spanen. Hout is makkelijk verspaanbaar. Dat is een belangrijke eigenschap voor constructiematerialen.

Ook moet je stevige verbindingen kunnen maken. Bij hout zijn er veel mogelijkheden. Je kunt lijmen, schroeven, bouten en moeren en natuurlijk met spijkers.

Koper en pvc

Beide materialen kom je tegen in de elektriciteitsinstallatie. Voor de leidingen wordt installatiedraad gebruikt. Dit materiaal is gekozen, omdat koper goed geleidt. Bovendien is het buigzaam en sterk. Koper is wel zeer duur, daarom proberen "koperdieven" op werven, langs spoorlijnen, e.d. elektriciteitsleidingen met koper te stelen. Als alternatief voor koper wordt in sommige zeer grote elektrische leidingen aluminium gebruikt.

Om de koperen kern zit een mantel van pvc. Die vormt een isolatielaag. Deze stof is gekozen omdat het goed isoleert. Het laat niets door en is erg duurzaam. Installatiedraad kan heel lang in een woning blijven zitten. Het krijgt geen barstjes of zo. Bovendien kan het gemakkelijk gekleurd worden. Ook dat is belangrijk, omdat voor installatiedraad een kleurcode geldt.

Glas

Dranken werden vroeger bijna altijd in glazen flessen verpakt. Glas heeft ook een aantal eigenschappen. Het houdt zuurstof en gas tegen. Er kan niks uit of juist in lekken. Verder geeft glas geen kleurstoffen af en wordt het niet aangetast door zuren. Bovendien kun je er makkelijk een etiket op aanbrengen.

Maar glas is niet erg sterk. Daarom zijn glazen flessen tamelijk dikwandig. Glazen flessen zijn daarom vrij zwaar, maar toch nog heel breekbaar. Dat glas licht doorlaat kan ook een nadeel zijn. Sommige dranken worden slechter. Bierflesjes zijn daarom meestal groen of bruin, omdat dat weinig licht doorlaat.

Maar tegenwoordig worden er ook andere materialen verpakt. Bijvoorbeeld aluminium, blik en karton met een laagje kunsstof. Zo kun je sterkere en lichtere verpakkingen maken. Toch wordt er nog veel glas gebruikt.

Katoen

Zo zien de vruchten van de katoenstruik eruit.

Katoen bestaat eigenlijk uit vezels uit de vruchten van de katoenplant. Die vezels worden gesponnen tot draden. Met die draden worden weefsels gemaakt, die genaaid en geknipt kunnen worden. Katoen wordt veel gebruikt voor kledingstukken.

Katoen neemt gemakkelijk water op. Daarom zijn er veel kledingstukken van katoen. Als je zweet, absorbeert je t-shirt het zweet op de huid. Het zweet verdampt dan, doordat het in contact komt met de buitenlucht, en je huid blijft droog. Daarom is katoen prettig om te dragen als het warm weer is. Ook wordt het gebruikt voor washandjes, theedoeken, badjassen en handdoeken. Ze moeten namelijk goed water kunnen opnemen.

Polyester

Tentdoek wordt vaak geheel of gedeeltelijk van polyestervezels gemaakt.

Polyestervezels worden in chemische fabrieken gemaakt. Een groot gedeelte wordt verwerkt tot weefsels. Deze weefsels zijn slijtvast, sterk, sneldrogend en kreuken nauwelijks. Daarom worden voor allerlei dingen gebruikt, zoals gordijnen, rugzakken, zeilen van schepen, maar ook voor tentdoeken.

Polyestervezels nemen nauwelijks water op. Daarom is het een goed materiaal voor regen- en zwemkleding. Polyester is minder goed voor shirts en ondergoed. Daar kun je beter katoen voor gebruiken. Polyester kan ook worden verwerkt tot een donsachtig materiaal. Dit materiaal heeft veel lucht die tussen de vezels wordt vastgehouden, waardoor het een heel goede warmteïsolator wordt. Het materiaal wordt daarom gebruikt als vulling voor jassen en slaapzakken.

Productieprocessen

Productieprocessen

Ieder product dat je gebruikt, is ontstaan door een productieproces. Zulke processen bestaan uit heel veel stappen, zelfs voor frisdrankblikjes.

Om een metaal als ijzer te maken moet je eerst ijzererts winnen. IJzererts is een voorbeeld van een grondstof. In hoogovens wordt door middel van een chemische reactie ijzer uit het ijzererts gehaald waaruit bijvoorbeeld het halffabrikaat blikstaal gemaakt kan worden, zodat jij je cola uit een blikje drinken kan.

Grondstof → eindproduct

Een hoogoven wordt gevuld met afwisselende lagen ijzererts en cokes. Hete lucht wordt van onderaf de hoogoven ingeblazen.

De verbranding van cokes vindt plaats waarbij koolstofmono-oxide vrijkomt. Ook komt daarbij zeer veel warmte vrij. Koolstofmono-oxide ontstaat door onvolledige verbranding van cokes.

Het vrijkomende koolstofmono-oxide reageert met het ijzererts uit de bovenliggende lagen. Hierbij ontstaat ruw ijzer dat regelmatig wordt afgetapt. IJzer wordt uit erts gesmolten.

Blikstaal

Als het vloeibare ijzer in de hoogoven naar beneden zakt, neemt het koolstof op. Zo ontstaat ruwijzer met ongeveer 5% koolstof. Doordat er zoveel koolstof in zit, is ruwijzer niet alleen hard, maar ook nog eens erg bros. Je kunt er nog geen blikje van maken. Eerst moet het koolstofpercentage worden verlaagd. Dit kan gedaan worden door zuurstofgas door de afgetapte ijzermassa te ‘blazen’. De koolstof reageert dan met zuurstof en er ontstaat koolstofdioxide.

De hoeveelheid koolstof bepaalt een heleboel eigenschappen van het staal. Zacht staal heeft weinig koolstof. Voor frisdrankblikjes gebruikt men staal met weinig koolstof. Het metaal moet goed vervormd kunnen worden.

Staal voor blikjes is plat. Daarna komt er een dun laagje tin op, wat het ijzer beschermt tegen roest. Dan heb je blikstaal. Blikstaal is een halffabrikaat: het moet in een andere fabriek verder bewerkt worden tot een product.

Blikjes maken

Eerst komt het blikstaal in grote rollen de blikjesfabriek in. Daar worden er ‘bakjes’ uit geperst. Het blikstaal wordt van de rol gehaald, een pers drukt er ondiepe ‘bakjes’ uit. Dan wordt de wand van de bakjes opgerekt en dunner gemaakt en de bovenkant wordt er recht afgesneden.

Het productieproces gaat nog verder. De blikjes worden ook nog schoongemaakt, gelakt, bedrukt, gedroogd, van een naar binnen gebogen bovenrand voorzien en gecontroleerd op lekken. In een andere productielijn in de fabriek worden er nog bovenkanten gemaakt, voorzien van een ringsluiting en uiteindelijk verpakt. Dan worden de blikjes en ook de bovenkanten naar de frisdrankfabriek vervoerd. Daar worden de blikjes gevuld en de bovenkanten worden erop vastgemaakt. Hetgene wat je dan hebt, is het eindproduct.

Blikjes en het milieu

Producten maken heeft gevolgen voor het milieu. Kijk daarbij naar het verbruik van grondstoffen en energie en het ontstaan van afvalstoffen.

De belangrijkste grondstof voor een blikje is ijzererts. Deze grondstof zal niet uitgeput raken, omdat er grote voorraden ijzererts over de hele wereld verspreid zijn. Maar er is niet al te veel tin meer. Daarom wordt tin opnieuw gebruikt. Dat noemen we recyclen.

Ook voor het maken van een blikje is energie nodig. Die energie wordt gebruikt voor het winnen van het ijzererts, het transport van het ijzererts naar de hoogovens, de productie van ruwijzer, het omzetten van ruwijzer in staal, het walsen en vertinnen, het transport van blikstaal naar de blikjesfabriek, het blikje maken, lakken, drogen en bedrukken.

Bij het maken van een blikje ontstaan er veel afvalstoffen. Hoogovens produceren heel veel koolstofdioxide en vast afval, die heten slakken. In de blikjesfabriek komen oplosmiddelen in de lucht terecht als de lak wordt gedroogd. Het schoonmaken levert nogal wat afvalwater op. Sommige afvalstoffen worden tot nuttige producten verwerkt; van slakken kan bijvoorbeeld beton gemaakt worden.

Afvalverwerking

Afval

Als je afval zo op straat gooit, komen er schadelijke stoffen in het milieu. Voorbeelden:

• batterijen bevatten kwik wat heel giftig is
• terpentine in het water verontreinigt het water
• het verbranden van pvc ontstaan giftige stoffen (dioxide) die kanker kunnen eroorzaken

Er zijn veel strenge regels over afval. De vervuling moet beperkt blijven. Maar het kan nooit worden voorkomen dat er schadelijke stoffen in het milieu komen. De verontreiniging moet beperkt blijven.

Er is ook afval dat opnieuw wordt gebruikt. Dat heet recyclen. Zo kun je grondstoffen en energie besparen en ook de hoeveelheid water wordt beperkt. Bijvoorbeeld de productie van aluminium. Aluminium uit bauxiet maken kost bijvoorbeeld veel meer energie dan het recyclen van aluminiumafval.

Afval scheiden

Het kca-afval wordt opgehaald door de chemokar.

De verwerking van afval begint met het scheiden van afval in verschillende soorten. Iedere soort afval kan apart worden verwerkt. Bijvoorbeeld:

• van groente-, fruit en tuinafval wordt tuinaarde gemaakt
• glas, blik en papier wordt apart ingezameld om opnieuw glas, bliken papier van te maken
• chemisch afval wordt apart opgehaald met de chemokar. Het wordt apart verwerkt.
• afval als puin en snoeihout kan naar een afvaldepot. Puin wordt gebruikt voor wegen, snoeihout wordt bijvoorbeeld verwerkt tot lucifers.

Het afval dat overblijft gaat naar een vuilverwerkingsinstallatie. Daar wordt ook aan afvalscheiding gedaan. Blik en ander ijzer wordt uit het afval gehaald met behulp van magneten, maar er zijn ook technieken om andere metalen te scheiden.

Recycling

Een deel van afval kan gerecycled worden. Bijvoorbeeld oud papier. Het papier wordt vermalen tot pulp en daarvan wordt nieuw papier gemaakt. Het papier doorloopt een kringloop.

Bij de recycling van papier heb je veel problemen. Oud papier is bijvoorbeeld bedrukt. Het nieuwe papier ziet er daardoor nogal grauw uit. Je kunt het met chloor bleken, maar dat is wel schadelijk voor het milieu. Bovendien is de lengte van papiervezels ook een probleem. Als papier wordt vermalen, wordt papiervezels korter. Na ongeveer vier keer kan papier niet meer hergebruikt worden. Je kunt het dan alleen nog maar verbranden.

Ook voor andere materialen is het onmogelijk om een perfecte kringloop op te zetten. Materialen kunnen niet voor 100% worden gerecycled. Maar je kunt wel een heel end in de goede richting komen.

Afval verbranden

Thuis gooi je restafval in de grijze container, of je stopt het in vuilniszakken. Het grootste deel van dit huishoudelijk afval wordt verbrand in grote verbrandingsovens. Verbranden neemt veel minder ruimte in beslag dan storten. De temperatuur in verbrandingsovens is 800 tot 1000°C. Bij het verbranden komt warmte vrij. Bij sommige verbrandingsovens wordt een deel van de warmte gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.

Wel of niet verbranden?

Niet al ons afval wordt verbrand. Afvalverwerkingsbedrijven sorteren het afval voordat het wordt verbrand. Ze bekijken eerst of het afval kan worden hergebruikt. Denk maar aan GFT-afval. GFT-afval wordt niet verbrand. GFT-afval gaat naar composteerbedrijven.

Veel van ons afval bestaat uit stoffen die goed kunnen branden. Die stoffen gaan naar de verbrandingsoven.

Er is ook allerlei afval dat niet kan verbranden. Bijvoorbeeld asbest. Dit afval gaat naar stortplaatsen.

Klein chemisch afval wordt verbrand in speciale ovens.

Nadelen van afvalverbranding

De rook die bij de verbranding vrijkomt bevat veel schadelijke stoffen. Daarom laat men de rook eerst door filters gaan. De filters halen een groot deel van de schadelijke stoffen uit de rook, maar niet alles. Een klein deel van de schadelijke stoffen gaat met de rook de lucht in, hierdoor treedt luchtvervuiling op.

Een ander nadeel is dat niet al het afval verbrandt. Er blijft ook veel as over. De as en de afvalresten samen, noemen we slakken. In slakken zitten heel veel schadelijke stoffen. Deze slakken worden gebruikt om wegen te maken. Of ze worden gestort op stortplaatsen, hierdoor kan bodemvervuiling ontstaan.

Afval storten

Een klein deel (zo'n 10%) van het afval kan niet worden hergebruikt en ook niet worden verbrand. Toch moet ook dit afval worden verwerkt. Het wordt dan gestort op stortplaatsen. Storten is dus ook een manier van afvalverwerking.

Oplossingen voor milieuproblemen

Veel afval

Er wordt veel afval geproduceerd in Nederland. Dit wordt door twee dingen veroorzaakt:

1. De vele mensen die hier wonen
2. De groei van de welvaart

De bevolking van Nederland zijn alle mensen die in Nederland wonen. Bij bevolkingsgroei, groeit de bevolking. Er komen steeds meer mensen. In 1900 woonden er ongeveer 5 miljoen mensen in Nederland. Nu wonen er hier ruim 16,5 miljoen mensen.

Welvaart is hoe rijk mensen zijn. In Nederland hebben de mensen sidns de 2e helft van de 20e eeuw steeds meer welvaart gekregen, ze hebben dus meer geld dan eerst. Daardoor kunnen ze ook meer dingen kopen.

Wegwerpartikelen

Wegwerpartikelen zijn producten die na gebruik worden weggegooid. Bijvoorbeeld: plastic borden en plastic bestek. Mensen kopen dit omdat ze weggooien makkelijker vinden dan schoonmaken en opnieuw gebruiken. Dankzij wegwerpartikelen komt er erg veel afval bij. Dat is slecht voor het milieu.

Milieu

Het milieu is de omgeving waarin een organisme leeft. Een stekelbaars leeft bijvoorbeeld in een sloot. Het water en de bodem van de sloot vormen het milieu van de stekelbaars. Het milieu is ook de omgeving waar de mensen in leven. Veel mensen maken zich zorgen over het milieu. Iedereen kan helpen om het milieu gezond te houden. Want: ‘Een beter milieu begint bij jezelf.’

Hergebruik

Hergebruik betekent dat je spullen niet zomaar weggooit. Veel spullen die jijzelf niet meer nodig hebt willen anderen nog wel gebruiken, bijvoorbeeld oude kleren. Hergebruik is milieuvriendelijk. Door hergebruik komt er minder afval en hoeven er minder grondstoffen uit de natuur te worden gehaald.

Materialen kiezen

Surfing, surfing, windsurfing...

Nieuwe toepassingen

Vroeger waren kozijnen altijd van hout. Tegenwoordig zijn er ook aluminium en kuststoffen kozijnen. Die laatste twee vragen nauwelijks onderhoud. Daarom gebruiken sommige mensen liever deze nieuwe materialen dan het traditionele hout.

Het maken van een kozijn is een bestaande toepassing waarvoor je nieuwe materialen kunt gebruiken. Maar nieuwe materialen maken ook nieuwe toepassingen mogelijk. Bijvoorbeeld de windsurfplank. Een goede, betaalbare windsurfplank wordt alleen gemaakt van moderne materialen.

De windsurfplank

Windsurfplanken zijn ontwikkeld in de Zestiger Jaren van de vorige eeuw. Het basisontwerp is sinds die tijd niet veranderd. De eerste windsurfplank had een board, een mast, een zeil en een giek. Die hebben ze nu nog steeds. Wel zijn de prestaties van de windsurfplank sterk verbeterd. Dat komt doordat er steeds nieuwe materialen toegepast worden. Ook zijn er een heleboel varianten op het basisontwerp bedacht voor verschillende windsnelheden en zeiltechnieken.

Het board

De materialen van windsurfplanken gemaakt worden moeten aan een heleboel eisen voldoen. Surfplanken moeten bijvoorbeeld drijven, ook als een surfer erbovenop staat. Dat heeft gevolgen voor de materiaalkeuze.

Het hangt van de dichtheid af of een voorwerp drijft, zweeft of zinkt. Je kunt proeven doen met verschillende voorwerpen. Een voorwerp

• drijft als de dichtheid van het materiaal kleiner is dan de dichtheid van de vloeistof waar het op drijft
• zweeft als de dichtheid van het materiaal even groot is als de dichtheid van de vloeistof waar het in zweeft
• zinkt als de dichtheid van het materiaal groter is dan de dichtheid van de vloeistof waar het in zinkt

Voor een board moet je dus een materiaal kiezen met een kleine dichtheid.

Daarom is het board opgebouwd uit een schuimkern met daaromheen een buitenlaag. De schuimkern is bijvoorbeeld van piepschuim gemaakt. De dichtheid van dit materiaal is klein. Zo blijft de surfplank drijven. De buitenkant zorgt voor stevigheid en zorgt voor voldoende stevigheid en beschermt de schuimkern tegen beschadigingen.

Het zeil

Je moet ook met een surfplank kunnen varen. Bij een windsurfplank zorgt het tuig voor de voortstuwing. Het tuig gebruikt de energie in wind om de plank te laten varen. De belangrijkste onderdelen van het tuig zijn de mast, de mastvoet, de giek en... het zeil! Op al deze onderdelen worden grote krachten uitgeoefend bij een harde wind. Bij de keus van de materialen wordt daar rekening mee gehouden. Het gewicht is ook belangrijk: hoe lichter de onderdelen, hoe beter het is.

Voor de zeilen worden speciale sterke kunststoffen gebruikt die hun vorm goed vasthouden. De zeilen werden vroeger meestal gemaakt van weefsels die bestaan uit weefsels van polyester. Bijvoorbeeld mylar en dacron. Omdat beide stoffen niet doorzichtig zijn, werd er een doorzichtig venster van pvc in het zeil gemaakt. De meeste zeilen zijn tegenwoordig van monofilm. Dit is een doorzichtige kunststof. Helaas is monofilm slecht bestand tegen UV-straling. De zeilen mogen daarom niet in de felle zon liggen als ze niet worden gebruikt.

De mast

Masten van surfplanken worden meestal van composieten gemaakt. Dit zijn combinaties van twee materialen tot een nieuw materiaal. Het nieuwe materiaal combineert eigenschappen van de twee... ja... ‘moedermaterialen’. Voor masten worden kunststoffen gebruikt die met koolstof- of glasvezels zijn versterkt. Deze composieten zijn sterk, maar ook licht. En doordat ze zo sterk zijn kunnen ze grote krachten opvangen zonder te breken.

Bijna alle surfers tegenwoordig gebruiken een mast van een kunststof die met koolstofvezels is versterkt. Deze composiet noemt men carbon. Het is heel sterk. Doordat carbon masten zo licht en sterk zijn, kun je er enorme prestaties mee verrichten. Mensen die gewoon af en toe windsurfen, gebruiken liever een mast van kunststof dat is versterkt met glasvezels. Glasvezels zijn niet zo sterk als kookstofvezels, maar wel goedkoper. Glasvezels zijn niet zo sterk als kookstofvezels en worden tegenwoordig (bijna) niet meer verkocht. Als je niet per se topprestaties wil neerzetten, zijn ‘glasvezelmasten’ goed, mits je ze met oudere zeilen gebruikt aangezien moderne zeilen vaak veel neerhaler spanning gebruiken en de mast echt om doet buigen waardoor er meer spanning op glasvezelmasten komt te staan dan waarvoor ze origineel gemaakt zijn en ze dan de neiging hebben te breken tijdens zwaar gebruik.

Het surfpak

Kitesurfen met een wetsuit. Een neopreen wetsuit beschermt de surfer tegen onderkoeling.

Regelmatig vallen windsurfers in het water. Daarom moeten ze een speciaal pak dragen om te voorkomen dat ze te sterk afkoelen. Zulke pakken worden gemaakt van neopreem, een kunsstof. Dit materiaal heeft goede warmteisolerende eigenschappen.

Maar de meeste neopreenpakken zijn niet waterdicht. Je noemt ze wetsuits - van het Engelse wet ("nat") en suit ("pak, vest") -, omdat er altijd wel wat water naar binnen komt. Dat is niet erg, want het dunne waterlaagje tussen de huid en het nauwsluitende neopreen warmt snel op.

Sommige pakken zijn met titanium (een metaal) gevoerd. De meest koudegevoelige delen op je borst en je rug worden zo beschermd tegen afkoeling. Het titanium kaatst de lichaamswarmte terug naar het lichaam. Neopreen dat met titanium is gevoerd isoleerd tot 20% beter beter dan gewoon ongevoerd neopreen van gelijke dikte.