NATUURWETENSCHAPPEN
Planeet vol spanning
2
Inhoud ISAAC-moment
NATUUR
Een bouwwerk van woorden ��������������������������������������������������������������������������������������� 4
Krachten 1 Een krachtig milieu! ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 6 2 Kracht en effect ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 8 3 Krachten wiskundig bekeken ������������������������������������������������������������������������� 10 3.1 Krachten en vectoren ��������������������������������������������������������������������������������������������� 3.2 Zwaartekracht ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 3.3 Het zwaartepunt �������������������������������������������������������������������������������������������������������� 4 Faseovergangen �������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ISAAC-actie
STUDIEWIJZER
10 12 15 16
Leonardo’s brug ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 18
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 20
3
4
ISAAC-moment
Een bouwwerk van woorden Wat is een bouwwerk? Volgens het woordenboek is het een algemene naam voor alle soorten van gebouwen, of ze nu nog onder constructie zijn of niet. Het is dus iets tastbaars, iets wat mensen met materialen tot stand hebben gebracht. Denk maar aan een huis, een brug, een kippenhok, een knikkerbaan, een modelbouwbootje, een poppenhuisje ... Bouwwerken of constructies zijn synoniemen. Soms worden deze woorden ook in de figuurlijke zin gebruikt. Dan staat het voor iets met een bepaalde opbouw of structuur. Hieronder vind je bijvoorbeeld een minder tastbare constructie van blokjes en woorden: een kruiswoordraadsel. Vul het kruiswoordraadsel in. De woorden die je nodig hebt, komen allemaal aan bod in deze module. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
5
HORIZONTAAL
1 sponzige, witte of roze snoepjes (Eng.) 4 teken, letter of beeld 7 zijkant, zijde (bv. van een berg) 10 dobbelsteen 13 tegengestelde van piepklein 14 helemaal onder de zeespiegel (bn.) 15 In dit gebergte vind je de hoogste berg ter wereld. VERTICAAL
2 planeet of ster 3 Italiaanse pastaslierten 5 niet slagen, mislukken 6 zeer grote ramp 8 ontruimen, in veiligheid brengen 9 ontplofbaar 11 weerlicht 12 sterrenkundige Welk woord kun je maken met de letters uit de gekleurde hokjes? 
Probeer nu met bouwblokjes (zoals Lego of Clics) het kruiswoordraadsel na te bouwen. Je maakt dus een hoge constructie met 15 horizontaal als basis. Wat stel je vast? Lukt dit?
6
Krachten 1 Een krachtig milieu! Op onze planeet (en daarbuiten) zijn krachten aan het werk. Denk maar aan hoe een schommel beweegt, hoe paarden een kar trekken of hoe je fitnessgewichten omhoog krijgt. Daar heb je allemaal een bepaalde kracht voor nodig. Maar wat is een kracht nu eigenlijk precies?
Volgens de natuurkunde is een kracht een interactie die de beweging of de vorm van een voorwerp verandert. Een kracht zelf kun je niet zien, maar de gevolgen ervan zijn wel zichtbaar. In de natuurkunde onderscheidt men verschillende soorten krachten. Hieronder vind je enkele voorbeelden. Noteer het juiste nummer bij elke afbeelding. 1 2 3 4
veerkracht magnetische kracht zwaartekracht trekkracht
5 6 7
wrijvingskracht weerstandskracht drukkracht
7
In dit hoofdstuk staan vier krachten centraal.
De kracht die van buitenaf op een voorwerp wordt uitgeoefend, alsof we het willen indrukken, noemen we drukkracht. De kracht die van buitenaf op een voorwerp wordt uitgeoefend, alsof we het willen uitrekken, noemen we trekkracht. De kracht die de massa’s van twee voorwerpen naar elkaar toetrekt, noemen we zwaartekracht. De kracht die ontstaat wanneer twee oppervlakten langs elkaar schuiven, noemen we wrijvingskracht.
Bedenk voor elk van de krachten uit het bovenstaande kader een eigen voorbeeld. Welke soort kracht is hier aan het werk? Kruis het juiste antwoord aan. Soms zijn meerdere antwoorden mogelijk. 1
zwaartekracht wrijvingskracht trekkracht drukkracht andere:
2
zwaartekracht wrijvingskracht trekkracht drukkracht andere:
3
zwaartekracht wrijvingskracht trekkracht drukkracht andere:
8
4
zwaartekracht wrijvingskracht trekkracht drukkracht andere:
5
zwaartekracht wrijvingskracht trekkracht drukkracht andere:
6
zwaartekracht wrijvingskracht trekkracht drukkracht andere:
2 Kracht en effect Krachten kunnen de beweging of de vorm van een voorwerp veranderen. We zeggen dan dat een kracht een bepaald effect heeft op een voorwerp. Bekijk het filmpje over krachten. Welke stellingen over effecten zijn juist? Kruis aan. Wanneer je met je fiets rechtdoor rijdt en plots moet remmen, verander je van snelheid. Als je het veertje uit je balpen heel hard uitrekt, dan heb je het plastisch vervormd. De effecten van een kracht kun je niet zien.
9
Krachten kunnen verschillende effecten hebben: ze kunnen een voorwerp vervormen of invloed hebben op de snelheid ervan. Als de kracht weggenomen wordt, kan vervorming plastisch of blijvend zijn (zoals bij ingedrukte klei). Het effect kan echter ook elastisch of tijdelijk zijn (zoals bij een elastiekje). Als een kracht de snelheid van een voorwerp verandert, dan betekent dit dat het vertraagt, versnelt of van richting verandert. Welk effect heeft de kracht op het voorwerp? Gaat het over een vervorming (V) of een verandering van snelheid (S)? Soms zijn de twee antwoorden mogelijk. Noteer de juiste letter(s) bij de juiste foto.
10
3 Krachten wiskundig bekeken 3.1 Krachten en vectoren Je leerde dat er verschillende soorten krachten zijn en dat ze voorwerpen kunnen vervormen of van snelheid doen veranderen. Denk maar eens aan een wip in beweging. Hier zijn een aantal krachten en effecten tegelijk aan het werk.
Vaak is het van belang om heel precies uit te rekenen wat de werking van een bepaalde kracht zal zijn. Het springdoek van een trampoline mag bijvoorbeeld niet te rekbaar zijn en een hoog gebouw moet natuurkrachten kunnen trotseren. Als we de impact van krachten willen begrijpen en toepassen, moet er dus wat rekenwerk gebeuren. Daarvoor gebruiken we bepaalde grootheden, eenheden en de bijhorende symbolen. Lees de info in het kader en vul de tabel aan met de grootheid, de eenheid of het symbool.
Grootheden zijn dingen die je kunt meten, zoals kracht, oppervlakte, temperatuur, massa ... Die worden afgekort met een symbool. In de voorbeelden hier is dat respectievelijk F, A, T en m. Eenheden zijn de maten waarin je de grootheden uitdrukt, zoals newton, vierkante meter, graden Celsius, kilogram. Elk van die eenheden heeft ook zijn eigen symbool. In deze gevallen noteren we N, m2, °C, kg. SYMBOOL GROOTHEID
GROOTHEID
tijd volume
(VOORBEELD VAN EEN) EENHEID
SYMBOOL EENHEID
t L
decibel
V
kubieke meter
dichtheid
De grootheid van kracht wordt uitgedrukt in F (naar het Engelse ‘force’). De eenheid van kracht wordt uitgedrukt in N (newton).
dB
kg/m3
11
Krachten tekenen we met pijlen. We noemen zo’n pijl een vector. Je kunt je bijvoorbeeld inbeelden dat dit de kracht is die de man op pagina 9 op de speer uitoefent, wanneer hij die lanceert.
Dit schema vertelt je natuurlijk heel weinig. Welke elementen moeten hieraan worden toegevoegd zodat de kracht duidelijk gedefinieerd wordt? Kruis aan. of de kracht recht of schuin verloopt
of de kracht naar rechts, onder … gaat
de diameter van de kracht
de luchtdruk van de kracht
hoe sterk de kracht is
hoe koud of hoe warm de kracht is
het beginpunt van de kracht
de leeftijd van de speerwerper
Elke kracht heeft een bepaalde grootte (of sterkte), maar ook een bepaalde richting (verticaal, horizontaal, schuin) en een zin (welke kant de vector uitwijst op de richtingsas). Bij trek- of drukkrachten is er ook een duidelijk aangrijpingspunt. Die geeft aan op welk punt de kracht precies inwerkt. Grootheden die een grootte en een richting aangeven, noemen we ook wel vectoren. In een afbeelding geeft de lengte van de vector de grootte van de kracht aan. Vectoren noteren we met behulp van een pijltje: F. Noteer nu de juiste termen uit het kader en het symbool F op de juiste plaats in het schema bovenaan deze pagina. ekijk de onderstaande situatie waarin iemand een slee vooruit trekt. B Beantwoord aan de hand van de afbeelding de volgende vragen. Wat is de richting van de kracht? Wat is de zin van de kracht?
Hoe wordt de grootte van de kracht weergegeven? Markeer op de afbeelding. aar ligt het aangrijpingspunt van de kracht die de man op het touw zet? W Omcirkel op de afbeelding.
F
12
Bestudeer de volgende afbeelding. Markeer daarna de juiste opties in de tekst.
F2
F1
De kracht die het rechtse team uitoefent op de tegenstander wordt hier weergegeven met de vector F1 / F2. De vectoren F1 en F2 hebben dezelfde richting / zin maar een tegengestelde richting / zin. Het linkse team oefent een kracht uit die groter / even groot / kleiner is dan het rechtse team. Daarom wint het rechtse team / geen enkel team / het linkse team.
3.2 Zwaartekracht WIST-JE-DAT
Isaac en de appel De eenheid N van newton dankt zijn naam aan de Engelse wetenschapper Sir Isaac Newton, ook wel de vader van de zwaartekracht genoemd. Het verhaal gaat dat hij in 1666 in de boom gaard van zijn moeder een appel zag vallen. Dat gaf hem het inzicht dat een appel (en alles wat valt) eigenlijk naar de aarde wordt toegetrokken. Op diezelfde manier bedacht hij dat de maan door de aarde wordt aangetrokken. Het wiskundig bewijs van de zwaartekracht is echter slechts een van de vele ontdekkingen van Isaac Newton. Als natuurkundige, wiskundige, astronoom, theoloog, filosoof en muntmeester zou hij volgens sommigen het startsein van de Verlichting hebben gegeven. Zonder twijfel was hij een van de grootste geleerden in de geschiedenis van de wetenschap.
Wie nog meer wil weten over deze wetenschappelijke ‘reus’, kan het filmpje bekijken.
In dit gedeelte leerde je dat zwaartekracht de kracht is die de massa’s van twee voorwerpen naar elkaar toetrekt. Het is een wederzijdse aantrekkingskracht. Maar wat doet zwaartekracht nu eigenlijk precies? Want echt veel voelen we er niet van, toch?
13
Bekijk de onderstaande afbeelding en bespreek waarom zwaartekracht zo belangrijk is.
zwaartekracht
maan
zwaartekracht
aarde
Lees het artikel over zwaartekracht. Markeer de antwoorden op de volgende vragen in de tekst op pagina 14. 1
Geef een eenvoudige definitie van zwaartekracht.
2
Welke voorwerpen oefenen de grootste aantrekkingskracht uit?
3
Waarom lijkt het zo te zijn dat enkel de appel beweegt? De appel oefent toch ook een kracht uit op de aarde die even groot is?
4
Waarom knalt de maan niet tegen de aarde aan? Tussen aarde en maan is er toch ook (zwaarte)kracht?
5
Waarom valt een appel op onze planeet niet richting een grotere planeet zoals Saturnus?
14
Zwaartekracht Als een appel van de boom losraakt, valt hij altijd recht naar beneden en nooit eens omhoog of schuin omlaag. Dat heeft een eenvoudige oorzaak: de zwaartekracht. Alles wat massa heeft – een boek, een planeet, een mens, noem maar op – heeft zwaartekracht. Anders gezegd: alle voorwerpen – groot en klein – trekken elkaar aan. Nu heeft een planeet natuurlijk een veel grotere aantrekkingskracht dan een appel. Vandaar ook dat die appel naar de aarde lijkt te vallen. Toch is het zo dat de aarde ook naar de vallende appel toe beweegt. Maar omdat de aarde heel groot en zwaar is, komt zij bijna niet van haar plek. In de praktijk kun je dus gewoon doen of de aarde stilstaat. HOE ZWAARDER, DES TE ... Uit het voorbeeld van de appel en de aarde kun je al een eerste conclusie trekken: voorwerpen die veel massa hebben, hebben een grotere aantrekkingskracht dan lichtere voorwerpen. Dat geldt ook op heel grote schaal. Zo heeft Jupiter, de grootste planeet van ons zonnestelsel die meer dan 300 keer zo zwaar is als de aarde, een veel grotere aantrekkingskracht dan onze planeet. En de aantrekkingskracht van de zon, die nog eens duizend keer zo zwaar is, is nóg veel groter. De maan daarentegen heeft veel minder zwaartekracht: hij is meer dan tachtig keer zo licht als de aarde. Toch weegt de maan nog vele biljoenen kilo’s: als je het getal zou uitschrijven, kreeg je een 7 met 22 nullen! Maar wacht eens even ... als Jupiter veel zwaarder is dan de aarde en de zon nóg zwaarder, waarom valt zo’n vallende appel dan niet naar Jupiter of de zon? Dat heeft te maken met de afstand. De aantrekkingskracht tussen twee voorwerpen wordt niet alleen bepaald door de massa’s van die voorwerpen, maar ook door hun onderlinge afstand. Hoe groter die afstand, des te kleiner de aantrekkingskracht. Voor een vallende appel is de aarde maar een paar meter ver weg, terwijl de zon op 150 miljoen kilometer staat: dat scheelt nogal.
EEN STAPJE OPZIJ Hoewel het ene hemellichaam dus veel zwaarder is dan het andere, hebben ze allemaal aantrekkingskracht. De aarde trekt de maan aan, maar het omgekeerde is ook waar: de maan trekt de aarde aan. Toch is het niet zo dat de maan als een appel naar de aarde toe valt. Waarom eigenlijk niet? Het antwoord op deze vraag zal bijna iedereen verbazen: de maan valt namelijk wel degelijk naar de aarde! Maar tegelijkertijd beweegt de maan met een flinke snelheid (3600 km/uur) in een richting die precies loodrecht op de valbeweging naar de aarde staat. Terwijl de maan ‘omlaag’ valt, doet hij dus stapjes opzij. Het netto resultaat is dat de maan niet op de aarde ploft, maar net genoeg snelheid heeft om dezelfde afstand tot onze planeet te houden. Iets soortgelijks geldt natuurlijk ook voor de cirkelbeweging van de aarde om de zon. GEWICHTLOOS? ECHT NIET! Je hebt vast wel eens gelezen dat er in de ruimte geen zwaartekracht is. Zweven astronauten in een ruimtestation immers niet gewichtloos rond? Dat lijkt misschien wel zo, maar zwaartekracht is overal: ook in de ruimte. Stel je eens voor dat je een 500 kilometer hoge ladder zou kunnen beklimmen. Boven aangekomen zou er geen lucht meer zijn, maar zelfs op die hoogte ben je bepaald niet gewichtloos. Je zou er – door de grotere afstand tot het middelpunt van de aarde – slechts een procent
of vijftien lichter zijn dan op zeeniveau. In plaats van bijvoorbeeld 40 kilo zou je nog 34 kilo wegen. Het gekke is nu dat de astronauten in een ruimtestation dat je op die hoogte langs ziet komen toch echt gewichtloos lijken. Wat is hier aan de hand?
De verklaring is dat de astronauten in een vallend voertuig zitten! Als je het ruimtestation bovenaan de ladder zou vasthouden (je moet dan wel erg sterk zijn), zouden de passagiers onmiddellijk weer gewicht krijgen en naar de bodem van hun voertuig vallen. De enige reden waarom de astronauten in hun ruimtestation vrij kunnen rondzweven is dat ze samen met hun voertuig om de aarde bewegen (of eigenlijk: vallen en stapjes opzij doen, net als de maan). De astronauten zijn dus niet gewichtloos – dat kan helemaal niet – maar bewegen in vrije val. Je kunt het bovenstaande vergelijken met de ervaring van een parachutist vóórdat deze zijn parachute geopend heeft. Tijdens zijn val merkt hij niks van de zwaartekracht, maar dat die kracht er wel degelijk is, is te zien aan het feit dat hij steeds sneller naar de aarde valt. Wie niet te pletter wil slaan, kan in zo’n geval maar twee dingen doen: heel snel stapjes opzij doen of de parachute openen. E D DY E C H T E R N A C H
UIT: NATUURKUNDE.NL
15
Zwaartekracht is een aantrekkende kracht die twee voorwerpen met massa naar elkaar toetrekt. Hoe groter de massa, hoe groter de aantrekkingskracht. Hoe verder de afstand tussen de voorwerpen, hoe kleiner de aantrekkingskracht. Het is ook de zwaartekracht die de planeten in hun baan houdt. De zwaartekracht van de aarde, die een zeer grote massa heeft, zorgt ervoor dat wij op de grond blijven. Het trekt alles naar beneden, meer bepaald naar het middelpunt van de planeet.
3.3 Het zwaartepunt Je weet nu waarom appels van de bomen vallen, of beter: waarom de aarde appels aantrekt wanneer ze zich lossen van een boom. De zwaartekracht die daarvoor zorgt, grijpt altijd in op het zwaartepunt. Wat is het zwaartepunt volgens jou? Bekijk de foto’s hieronder en kruis het juiste antwoord aan.
het zwaarste punt van een massa het punt van een massa dat contact maakt met een oppervlakte of ondergrond het punt dat een massa in evenwicht houdt het bovenste punt van een massa het punt waarop een massa zijn evenwicht verliest
Het zwaartepunt is het punt waarrond de massa van een voorwerp gelijk verdeeld (of in evenwicht) is. Dit zit meestal in het midden van een voorwerp.
Bekijk nu de filmpjes. Wat kun je hieruit besluiten over het zwaartepunt en stabiliteit? Noteer. 1
2
Š TECHNOPOLIS EN STENA LINE
16
Bij eenvoudige en regelmatige voorwerpen, zoals een appel of een kubus, ligt het zwaartepunt meestal in het midden. Bij onregelmatige voorwerpen is dat anders. Kun je bedenken waar het zwaartepunt op de volgende afbeeldingen ligt? Op welk punt is het voorwerp in deze positie in balans? Markeer met een rood kruisje.
4 Faseovergangen Natuurkrachten op aarde hebben vaak te maken met faseovergangen.
In het deel Natuurwetenschappen van de module Water(s)nood komen faseovergangen uitgebreid aan bod.
Water, bijvoorbeeld, komt voor in verschillende vormen (water, ijs, damp) en deze vormen kunnen gemakkelijk in elkaar worden omgezet (door verdamping, stolling ‌). Bij die overgangen kunnen bepaalde krachten vrijkomen.
Temperatuurafname
Temperatuurtoename
Bestudeer het onderstaande schema van de aggregatietoestanden en de faseovergangen.
17
Noteer de juiste nummers op de juiste plaats in het schema onderaan pagina 16. 1 2 3
sublimeren condenseren smelten
4 5 6
stollen desublimeren verdampen
Welke faseovergang(en) vinden we hier terug in de natuur? Markeer het juiste antwoord.
Hydrothermale bronnen, ook wel ‘black smokers’ genoemd, produceren rook en spuwen water van meer dan 400 °C in de oceanen. Het contact met het koude zeewater zorgt ervoor dat mineralen op de bodem neerslaan.
1 2 3 4 5 6
Zwaveldampen vallen neer tegen de wand van een krater. Dat resulteert in de afzetting van gele zwavel.
1 2 3 4
Gesteenten kunnen door extreme temperaturen weer vloeibaar worden. Deze brij noemen we magma. Aan het aardoppervlak noemen we het lava. Wanneer het afkoelt, vormt het vast gesteente.
1 2 3 4 5 6
smelten stollen verdampen condenseren desublimeren sublimeren
smelten stollen verdampen condenseren 5 desublimeren 6 sublimeren
smelten stollen verdampen condenseren desublimeren sublimeren
18
ISAAC-actie
Leonardo’s brug
19
STUDIEWIJZER
NATUUR Ik kan de betekenis van de begrippen kracht, effect, drukkracht, trekkracht, wrijvingskracht en zwaartekracht uitleggen en er voorbeelden van geven. Ik kan vervorming of verandering van snelheid als effecten van krachten herkennen. Ik weet dat de grootheid van kracht in F en de eenheid in N (newton) wordt uitgedrukt. Ik kan het aangrijpingspunt, de richting, zin en grootte van een kracht aanduiden op of afleiden uit een vectormodel. Ik kan het verband tussen het zwaartepunt en stabiliteit uitleggen. Ik kan de faseovergangen van stoffen herkennen en benoemen.
COLOFON Auteur Diederik Maebe Illustrator Martijn van der Voo Eerste druk 2020 SO 2020/818 Bestelnummer 90 8080 262 ISBN 978 90 4863 959 5 KB D/2020/0147/347 NUR 126/136 Verantwoordelijke uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge RPR 0405 108 325 - © die Keure, Brugge Die Keure wil het milieu beschermen. Daarom kiezen wij bewust voor papier dat afkomstig is uit verantwoord beheerde bossen. Deze uitgave is dan ook gedrukt op papier dat het FSC®-label draagt. Dat is het keurmerk van de Forest Stewardship Council®.
9
789048 639595