Krachten en energie

Samenvatting Natuurkunde voor H2 en H3 van Nova leerjaar 3VWO. Geschreven voor toetsweek 2 van leerjaar 3VWO.

Krachten

Effecten

• Verandering grootte van de snelheid
• Verandering richting van de snelheid
• Verandering vorm
  • Elastisch: als je de kracht weghaalt krijg het voorwerp zijn oorspronkelijke vorm terug
  • Plastisch: permanente vervorming

Evenwicht: als 2 krachten elkaar opheffen

Soorten

• Spierkracht (F_spier)
• Zwaartekracht (F_z)
  • Fz = m*g
  • g van aarde = 9,81 N/kg
• Spankracht (F_span</span>)
• Veerkracht (F_v)
  • Fv = C * u
  • u = uitrekking in cm
  • C = veerconstante in N/cm (krijg je of C = Fv/u)
• Magnetische kracht (F_mag)
• Normaalkracht (F_n)
  • loodrecht op grond

Eigenschappen

• Grootte
• Richting
• Aangrijpingspunt

Weerstand

• Luchtweerstandskracht - F_{w, l}
  • Snelheid in m/s (v)
  • Vorm (gemeten met weerstandscoefficient (Cw))
  • Dichtheid lucht in kg/m³ (ρ)
  • Frontaal oppervlak in m² (A)
  • Fw,l = 0,5 * Cw * A * ρ * v2
• Schuifweerstandskracht - F_{w, s}
  • Gladheid voorwerp
  • Druk tussen voorwerpen
• Rolweerstandskracht - F_{w, r}
  • Hardheid voorwerp en ondergrond
  • Gladheid ondergrond
  • Druk tussen voorwerpen

Krachtmeter

Bestaat uit:

• Veer
• Haakje
• Schaalverdeling

Eerste wet van Newton

Is een voorwerp in rust of beweegt het met een constante snelheid in een rechte lijn? Dan is de resultante 0 N.

Als je een kracht toevoegd:

• in bewegingsrichting: verandering snelheid (versnellen)¹
• in tegengestelde richting: verandering snelheid (vertragen)
• loodrecht op bewegingsrichting: richting veranderd
• schuin: zowel snelheid als richting veranderd

x,t-diagram

Plaats-tijd. Loop je een rondje en eindig je op het zelfde punt: 0.

<image 1>

<image 2>

v,t-diagram

Snelheid-tijd. Een eenparige beweging is een beweging die constant is. Dat kan een constante versnelling, vertraging of normale beweging zijn. Je ziet dat als een rechte lijn op de grafiek.

<image 3>

<image 4>

Ons zonnestelsel

8 planeten:

• Aardse planeten:
  • Mercurius
  • Venus
  • Aarde
  • Mars
• Gasreuzen:
  • Jupiter
  • Saturnus
  • Uranus
  • Neptunes

Aardse planeten hebben allemaal een atmosfeer (behalve mercurius) en vaste grond. Gasreuzen bestaat uit gas (duh).

• 200 manen in ons zonnestelsel
• 1M+ asteroiden

De planeten hangen in een baan rond de zon in de vorm van een ellips (DUBBEL L!). Een ellips is een soort ovaal, maar 2x symetrisch. Een ellips heeft 2 brandpunten (handig voor het tekenen). De zon staat in een van die twee.

De middelpuntzoekende kracht (F_mpz) is een kracht die de richting van een voorwerp veranderd. In ons zonnestelsel is de zwaartekracht van de zon de middelpuntzoekende kracht.

Energie

Energiesoorten

Een energiecentrale zet energie om van chemische energie naar elektrische energie. Een apparaat is ook een energieomzetter, maar zet elektrische energie in om een andere soort energie. Alle soorten energie bij elkaar dragen de naam energiemix.

• Warmte
• Elektrische energie
• Bewegingsenergie
• Stralingsenergie (licht, ir, uv etc.)
• Chemische energie (opgesloten in moleculen)
• Kernenergie (door atomen te delen)
• Zwaarte-energie

Energiebronnen

Fossiele brandstoffen of biomassa (chemische energie) ⟶ warmte + licht

Wind (bewegingsenergie) ⟶ elektrische energie

Kernenenergie (in atomen) ⟶ ??

Zon (stralingsenergie) ⟶ warmte (via zonnecollector²)

Zon (stralingsenergie) ⟶ elektrische energie (via zonnecel, ookwel zonnepaneel)

Energietransitie

De energietransitie is de switch van fossiele brandstoffen naar duurzame energiebronnen: de overgang van het huidige energiesysteem naar een nieuw energiesysteem.

Manieren om minder energie te gebruiken:

• Minder lang douchen
• Licht uitdoen
• Isoleren
• Minder verwarmen
• Zuinige producten

We moeten energie ook opslaan zodat we bijvoorbeeld de energie die we in de zomer teveel opwekken in de winter kunnen gebruiken.

Windmolens

Windmolens zetten beweginsenergie om in elektrische energie met behulp van een generator (inductie, spoelen en magneten). Hoeveelheid hangt af van de windsnelheid. De beweging wordt groter gemaakt met tandwielen.

Je kan het vermogen van een windmolen met de volgende formule uitrekenen:

\[P = k \cdot v^{3}\]

P = het vermogen in Watt k = constante (verschilt p. windmolen, geen eenheid) v = windsnelheid in m/s

Energiestroomdiagram

Met een energiestroomdiagram kan je zien hoeveel energie er in en uit een apparaat komt en in welke vorm.

<image 5>

Volgens de wet van energiebehoud gaat er evenveel energie in een apparaat als eruit komt (in welke vorm dan ook): Ein = Euit.

Om de temperatuur van een voorwerp te verhogen moet je warmte toevoegen. Warmte stroomt van een plek met hoge temperatuur naar een plaats met een lage temperatuur. De energie die nodig is voor verwarmen hangt af van:

• Materiaal
• Temperatuurverschil
• Massa (die verwarmd moet worden)

Dat kan je ook zien in de formule:

\[Q = c \cdot m \cdot \Delta T\]

Q = warmte (energie) in J
c = soortelijke warmte in J/(g * °C)
m = massa in g
ΔT = temperatuursverschil in °C

De soortelijke warmte is hoeveel energie er nodig is om 1g 1°C op te warmen.

Bij water geld: 1L = 1kg = 1dm³

Warmtetransport

Er zijn verschillende vormen van warmtetransport:

• Stroming: warme lucht en vloeistof beweegt omhoog.
• Geleiding: bij direct contact. Van hoge temperatuur naar laag.
• Straling: IR straling die voorwerpen uitzenden. Elk voorwerp zend deze straling uit, alleen de mate verschilt. Is zichtbaar met speciale camera’s

Als er evenveel warmte of energie ergens in gaat als eruit komt is er sprake van een dynamisch evenwicht en blijft de temperatuur constant. Denk bijvoorbeeld aan je lichaamstemperatuur of het verwarmen van je huis.

Isoleren zorgt voor minder warmteverlies, en er is dus minder energie nodig om het huis op temperatuur te houden.

Warmtestroom is het warmteverlies per seconde door middel van geleiding en hangt af van:

• materiaal
• oppervlakte
• temperatuurverschil
• dikte

De formule hiervoor is:

\[P = \frac{\lambda \cdot A \cdot \Delta T}{d}\]

P = warmte verlies per seconde (energie per seconde dus) in W
λ = warmtegeleidingscoëfficiënt in W/(m * °C)
A = oppervlakte in m²
ΔT = temperatuursverschil in °C
d = dikte in m

Rendement

Om energie te besparen kan je de volgende dingen doen (zie E = P * t):

• Vermogen beperken
• Tijd verkorten

Tijd verkorten kan maar tot een zeker punt, dus is vermogen beperken het beste plan van aanpak. Om dit te doen willen we het rendement van een apparaat zo groot mogelijk maken. Het rendement is hoeveel energie er nuttig wordt gebruikt: voor het doel van het apparaat.

Het rendement bereken je zo:

\[\eta = \frac{E_{\text{nut}}}{E_{\text{tot}}} \cdot 100\]
\[\eta = \frac{P_{\text{nut}}}{P_{\text{tot}}} \cdot 100\]

Waarbij ŋ het rendement in % is.

De stookwaarde van een stof is hoeveel energie er vrijkomt bij het verbranden van een bepaalde massa van die stof.

¹Massa uitstoten leid tot positieve snelheid in tegengestelde richting

²In een zonnecollector wordt water verwarmd met de stralingsenergie van de zon. Nadeel: als het warme water op is is het op, en dan moet de volgende persoon koud douchen