Fysica Wetten van Newton Broos Fonck SintPaulusinstituut 2005

Fysica Wetten van Newton Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 2005

De mechanica is het onderdeel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met bewegingen van voorwerpen onder invloed van de krachten die erop werken. De kinematica is een onderdeel van de mechanica dat de beweging van een lichaam bestudeert zonder zich af te vragen wat de oorzaak van deze beweging is. Het verband tussen kracht(en) en beweging wordt bestudeerd in de dynamica. In de kinematica wordt ook de vorm van het object verwaarloosd, en wordt het geabstraheerd tot een puntmassa. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 2

Kinematica: Op welke wijze bewegen voorwerpen? Dynamica: Waarom bewegen voorwerpen? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 3

Isaac Newton Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 4

Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 5

Isaac Newton was the greatest English mathematician of his generation. 1642 - 1727 n Brits natuurkundige, filosoof, wiskundige, sterrenkundige, theoloog en alchemist. n Cambridge n Voor zijn 25 ste jaar 3 fundamentele ontdekkingen: n n Broos Fonck De universele gravitatie, differentiaal- en integraalrekening dispersie (kleurschifting). Sint-Paulusinstituut 6

Eerste wet van Newton Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 7

Vraag Is het de natuurlijke neiging van voorwerpen om tot rust te komen? Een voorwerp in rust blijft in rust? Een voorwerp in beweging gaat naar rust? Is er een kracht nodig is om een beweging te onderhouden? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 8

Demonstratie (waterbak) Waarneming? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 9

Waarneming We verspillen water wanneer: n de bak in rust is en we de bak proberen te verplaatsen n de bak in beweging is en we de bak proberen te stoppen n de bak beweegt in de ene richting en we proberen van de bak te doen bewegen in een andere richting Besluit? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 10

Besluit Een voorwerp in rust … probeer in rust te blijven Een voorwerp dat beweegt … probeert in beweging te blijven aan dezelfde snelheid en in dezelfde richting (geen versnellende voorwerpen) Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 11

Besluit Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 12

Voorbeelden Hebben jullie ooit traagheid ervaren? n In de auto, moto, ladder op vrachtwagen, skateboard n… keep on doing what it is doing Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 13

Voorzie de volgende voorbeelden van de nodige uitleg n n n Broos Fonck Bezem en bezemsteel Ketchup … Sint-Paulusinstituut 14

Definitie De traagheid is de weerstand die een voorwerp ondervindt als het verandert van bewegingstoestand. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 15

Vraag Waarom is er niemand voor Newton op deze wet gekomen? Wat waren de bestaande wetten die gehanteerd/ aanvaard werden rond zijn tijd? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 16

Antwoord In de 17 de eeuw stemde het begrip traagheid niet overeen met de meer populaire concepten van beweging. Men dacht dat het de natuurlijke neiging was van voorwerpen om tot rust te komen. Bewegende voorwerpen zouden uiteindelijk stoppen met bewegen als er geen kracht was die het voorwerp onderhield om te bewegen. Een bewegend voorwerp zou eindelijk tot rust komen en een voorwerp in rust blijft in rust. Dat was het idee dat bijna 2000 jaar domineerde: het was de natuurlijke neiging van voorwerpen om een rust positie aan te nemen Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 17

Verder Galileo, de eerste wetenschapper van de zeventiende eeu Galileo beredeneerde dat bewegende voorwerpen uiteinde Galileo observeerde een bal die via een helling naar bene Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 18

Verder Isaac Newton bouwde verder op de ideëen van Galileo van beweging. De eerste wet van Newton vertelt ons dat er geen kracht nodig is om een voorwerp in beweging te houden. Duw een boek over de tafel en kijk hoe het stopt. Het bewegende boek komt niet tot rust door het gebrek aan een kracht. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 19

Denk daar eens over na Tot op de dag vandaag denkt men dat er een kracht nodig is om een beweging te onderhouden. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 20

Vraag Alle voorwerpen weigeren veranderingen in hun beweging. Alle voorwerpen ondervinden traagheid. Hebben sommige voorwerpen meer de neiging om veranderingen te weerstaan/weigeren dan anderen? Ja. Van wat hangt dat af? Massa Meer massa, meer … Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 21

Check Stel je een plaats in de kosmos voor ver van alle gravitatie. Een astronaut werpt daar een rots. De rots zal: n geleidelijk aan stoppen. n verder bewegen in dezelfde richting aan constante snelheid. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 22

Check check Bert en Mandhond zitten in de cafeteria. Mandhond zegt dat indien hij zijn blommen met een grotere snelheid werpt, het een grotere traagheid zal ondervinden. Bert zegt dat traagheid niet afhangt van de snelheid, maar eerder van de massa afhangt. Met wie ga je akkoord? Waarom? Traagheid hangt enkel af van de massa van een voorwerp. Hoe meer massa, hoe meer “traagheid”. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 23

Check check Indien je in een gewichtloze omgeving in de ruimte was, zou het een kracht vereisen om een voorwerp in beweging te zetten? Ja zeker! Zelfs in de ruimte hebben voorwerpen een massa. En als ze massa hebben, ondervinden ze traagheid. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 24

Andere definities Traagheid is de neiging van een voorwerp om veranderingen in snelheid te weerstaan. Traagheid is de neiging van een voorwerp om versnellingen te weerstaan. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 25

De eerste wet van Newton Het gedrag van voorwerpen waarbij resultante = 0. n a = 0 m/s 2 n Traagheidswet n Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 26

Tweede wet van Newton Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 27

2 variabelen De tweede wet zegt dat de versnelling van een voorwerp van 2 variabelen afhangt: n De resultante n De massa van het voorwerp Is de versnelling recht of omgekeerd evenredig met de aangewende kracht? Is de versnelling recht of omgekeerd evenredig met de massa van het voorwerp? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 28

Besluit Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 29

GH - EH Broos Fonck Grootheid Symbool Eenheid Kracht F [F] = N Sint-Paulusinstituut 30

Besluit Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 31

Opmerking Nog niet benadrukt: De resultante is recht evenredig met de versnelling. NIET: Een enige/enkele/individuele kracht Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 32

Opdr. 21 Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 33

Voorbeeld Wat is de zin van de resultante in figuur A & in figuur B? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 34

Opdr. 31 Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 35

De Grote Misvatting Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 36

So what's the big deal? De eerste wet van newton en F=m. a zijn niet zo verschrikkelijk moeilijk!!! Betekenis! Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 37

Belangrijk Krachten veroorzaken geen beweging maar versnellingen!!! Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 38

Are You Infected with the Misconception? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 39

In rust of in beweging? Beide. Een voorwerp in rust blijft in rust. Een voorwerp dat beweegt blijft in beweging aan dezelfde snelheid en in dezelfde richting. Krachten veroorzaken geen beweging maar versnellingen!!! Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 40

de krachten werkzaam op de man met de slee. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 41

Vrije val en luchtweerstand Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 42

Vrije val Demonstratie (tennisballen) Waarneming? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 43

Waarneming Beide ballen vallen tegelijk op de grond! Waarom? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 44

Vrije val Speciaal type van beweging: enige kracht zwaartekracht (luchtweerstand te verwaarlozen) n Passen we de tweede wet van Newton toe: Fz = 100 N Fz = 10 N eerste voorwerp grotere versnelling Van wat hangt de versnelling af? Kracht & massa Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 45

Vrije val Eerste voorwerp ondervindt meer traagheid. a = 100 N / 10 kg a = 10 N / 1 kg Besluit? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 46

Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 47

Besluit De verhouding F/m is voor beide voorwerpen dezelfde! De verhouding F/m = versnelling van het voorwerp! Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 48

Luchtweerstand Voorwerp dat valt luchtweerstand Wat is luchtweerstand? Botsingen met luchtmoleculen Welke factoren hebben direct verband met de hoeveelheid luchtweerstand die een voorwerp ondervindt? Snelheid Contactoppervlak van het voorwerp Hoe meer een voorwerp in botsing komt met luchtmoleculen hoe meer luchtweerstand Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 49

Vraag - situaties waar voorwerpen luchtweerstand ondervinden Bereiken voorwerpen, die weerstand van de lucht ondervinden, uiteindelijk een bepaalde eindsnelheid? Waarom vallen grotere massa’s sneller dan kleinere massa’s? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 50

Luchtweerstand Wie raakt eerst de grond? De olifant of de veer? Waarom? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 51

h = & t 0 = n Animatie te zien: n Beweging olifant + beweging veer n Vector versnelling n Waarom valt de olifant sneller? n Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 52

Juist of fout? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Broos Fonck De olifant ondervindt een kleinere luchtweerstand dan de veer en valt daarom sneller. De olifant heeft een grotere versnelling dan de veer en valt daarom sneller. Zowel de olifant als de veer hebben deze zwaartekracht, toch heeft de olifant een grotere versnelling. Zowel de olifant als de veer hebben deze zwaartekracht, toch ondervindt de veer een grotere luchtweerstand. Elk voorwerp ondervindt dezelfde luchtweerstand, toch ondervindt de olifant een grotere zwaartekracht. Elk voorwerp ondervindt dezelfde luchtweerstand, toch ondervindt de veer een grotere zwaartekracht. De olifant ondervindt minder luchtweerstand dan de veer en bereikt dan een grotere eindsnelheid. De veer ondervindt meer luchtweerstand dan de olifant en bereikt daarom een kleinere eindsnelheid. De olifant en de veer ondervinden dezelfde luchtweerstand, toch heeft de olifant een grotere snelheid. Sint-Paulusinstituut 53

Antwoord Alle stellingen fout Voorwerpen niet in evenwicht beide versnellen n Voorwerpen vallen en ondervinden een opwaartse kracht: luchtweerstand n Luchtweerstand hangt af van n De snelheid van het vallend voorwerp n Het contactoppervlak van het voorwerp n n Stel dezelfde snelheid olifant meer luchtweerstand Maar waarom valt de olifant sneller terwijl hij meer luchtweerstand ondervindt? Luchtweerstand vertraagt toch je voorwerp? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 54

Antwoord - Wet van Newton Voorwerp versnelt als resultante Luchtweerstand vergroot Voorwerp versnelt niet meer Luchtweerstand groot genoeg is grotere massa grotere zwaartekracht versnelt gedurende een langere periode tot wanneer de luchtweerstand de zwaartekracht kan opheffen ERB: bepaalde snelheid tot einde De olifant Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 55

Tekening Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 56

Besluit De olifant valt sneller dan de veer omdat het nooit de eindsnelheid bereikt. De olifant blijft versnellen. Daarbij neemt de luchtweerstand toe. De veer bereikt snel zijn eindsnelheid. Vereist niet veel luchtweerstand alvorens zijn eindsnelheid ophoudt. De veer bereikt zijn eindsnelheid in een vroeg stadium van zijn val. Als er geen luchtweerstand zou zijn, wie zou er dan eerst op de grond aankomen? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 57

Eindsnelheid Waarom bereiken voorwerpen, die luchtweerstand ondervinden, uiteindelijk een bepaalde eindsnelheid? Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 58

Skydiver Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 59

Derde wet van Newton Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 60

Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 61

Experiment 1 Benodigdheden: - filmrolpotje - ballon Werkwijze: 1. Blaas de ballon op via de opening van het potje. Blaas niet meer dan 2 of 3 -maal. 2. Hou de ballon boven het potje dicht en laat het geheel dan vliegen. Waarneming: Er zijn twee bewegingen: enerzijds zal hij stijgen en anderzijds zal hij roteren. Verklaring: Het stijgen en roteren van het geheel is uiteraard te verklaren vanuit het actie-reactie principe. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 62

Experiment 2 Benodigdheden: - twee rietjes (ong. 24 cm) met plooistuk - plakband Technische uitvoering: 1. Knip van één van de rietjes een achttal cm af van het lange stuk. 2. Schuif het korte stuk van dit rietje over het lange stuk van het andere rietje. Dit zal pas goed lukken als je eerst in het lange stuk een inkeping knipt van ongeveer 2 cm. 3. Plak beide rietjes met een reepje plakband aan elkaar vast. 4. Buig de rietjes zodat twee rechte hoeken ontstaan, maar niet in hetzelfde vlak! Werkwijze: 1. 2. 3. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut Steek het ingekorte lange stuk van het rietje in de mond. Neem het vast alsof je een sigaret zou vastnemen. Blaas nu krachtig door het rietje. 63

Experiment 2 vervolg Waarneming: Het geheel zal ronddraaien! Buig het onderste stuk nu over een hoek van 180° en herbegin. Het geheel zal nu langs de andere kant ronddraaien! Door de stand van het onderste deel te veranderen kan je bepalen wanneer het geheel het best ronddraait. Verklaring: Dit is uiteraard opnieuw een zeer eenvoudig, maar praktisch voorbeeld van het actie-reactie principe. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 64

Experiment 3 Benodigdheden: - plastieken speelgoedemmertje - tennisbal - elastiek - touwtje Werkwijze: 1. Neem het touwtje in de ene hand 2. Draai met de andere hand het balletje rond zodat het elastiekje goed opgespannen is. 3. Laat het balletje nu los en zie wat er gebeurt. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 65

Experiment 3 vervolg Waarneming: Het balletje draait rond en het emmertje ook, maar dan wel in tegengestelde zin van het balletje! Na een tijdje draait het balletje in de andere zin en ook het emmertje gaat van draaizin veranderen. Verklaring: Dit alles heeft zoals de voorgaande drie experimenten opnieuw te maken met het actie-reactie principe. Het veranderen van de draaizin na een tijdje komt door de traagheid dat het balletje heeft en hierdoor verder doordraait dan normaal en dus opnieuw kan terugdraaien. Broos Fonck Sint-Paulusinstituut 66