Zwaartekracht, gewicht, wrijving, luchtweerstand en waterweerstand

Houd een appel stil in je hand. Je kunt niet zien dat de aarde eraan trekt, maar de trekkracht is er wel. Open je hand en de appel valt.

Een trekkracht zonder aanraking

Een kracht is een duw of een trek. Zwaartekracht is een trekkracht. De zwaartekracht van de aarde trekt jou, een tafel, een regendruppel en een vliegende vogel naar de aarde toe. Ze werkt door lucht, water en lege ruimte heen. De aarde hoeft de appel niet aan te raken om eraan te trekken. Daarom is zwaartekracht een kracht op afstand.

Luchtweerstand, waterweerstand en wrijving zijn contactkrachten. Daarvoor moet lucht, water of een ander oppervlak het voorwerp aanraken.

Wat houdt een voorwerp omhoog?

Een voorwerp wordt ondersteund als iets het omhooghoudt. Je hand geeft de appel een opwaartse kracht. Een tafel duwt een boek omhoog. Een touwtje trekt een hangende jojo omhoog. Op elk voorwerp werkt nog steeds zwaartekracht.

Als een kopje voorbij de rand van een tafel komt, ondersteunt de tafel het niet meer. De zwaartekracht trekt het naar beneden en het valt. De trekkracht begon niet plotseling toen het kopje de tafel verliet.

Beneden wijst naar het middelpunt

Stel je de aarde voor als een bol met kinderen die rondom op de rand staan. Teken van elk kind een pijl naar het middelpunt van de aarde. Elke pijl laat zien welke kant voor dat kind “beneden” is.

Een kind in de Verenigde Staten en een kind in Australië laten allebei een bal naar de grond vallen. Hun pijlen wijzen op de bladzijde verschillende kanten op. Beide wijzen naar binnen. Mensen aan de andere kant van de aarde blijven op de grond omdat de zwaartekracht ook hen naar het middelpunt trekt.

Een bal die omhoog wordt gegooid, voelt deze neerwaartse trekkracht ook. Hij gaat langzamer terwijl hij stijgt, staat bovenaan even stil en valt dan. Een bal die opzij wordt gegooid, volgt een gebogen baan naar de grond.

Bouw een verklaring op met bewijs

Een natuurwetenschappelijk argument verbindt drie onderdelen:

• Bewering: “De zwaartekracht van de aarde trekt voorwerpen naar haar middelpunt.”
• Bewijs: “Ballen die je laat vallen, vallen naar de grond in Ohio en Australië. Een gewicht dat aan een touwtje hangt, wijst recht naar beneden.”
• Redenering: “De grond ligt op beide plaatsen in de richting van het middelpunt van de aarde. Deze waarnemingen passen bij een trekkracht naar het middelpunt.”

Bewijs is iets wat je waarneemt of meet. De redenering legt uit hoe het je bewering ondersteunt. De uitspraak “zwaartekracht bestaat omdat dingen vallen” heeft meer uitleg nodig: noem de richting van de val en verbind die met de vorm van de aarde.

Zwaartekracht reikt verder dan de grond onder je voeten. Ze trekt tussen elk paar voorwerpen dat massa heeft. Massa betekent hoeveel materie, of stof, een voorwerp bevat.

Waardoor wordt de trekkracht sterker?

Jij en je potlood trekken aan elkaar. Die trekkracht is veel te zwak om te merken. De aarde heeft een enorme massa, dus haar aantrekkingskracht is gemakkelijk te merken. Meer massa geeft een sterkere trekkracht. Als twee voorwerpen dichter bij elkaar komen, wordt hun aantrekkingskracht ook sterker.

De aantrekkingskracht van de aarde wordt zwakker als je verder weg reist. Ze eindigt niet plotseling aan de rand van de lucht. De zon trekt aan de aarde over een afstand van ongeveer 150 miljoen kilometer door de ruimte, oftewel ongeveer 93 miljoen mijl.

Hemellichamen in hun baan houden

De zwaartekracht van de aarde houdt de maan in haar baan om de aarde. De zwaartekracht van de zon houdt de aarde en de andere planeten in hun baan om de zon. Zwaartekracht houdt ook de lucht en de oceanen van de aarde dicht bij de planeet.

De aantrekkingskracht aan het oppervlak van de maan is ongeveer een zesde van die van de aarde. Astronauten kunnen daar grote, verende sprongen maken. Aan de bovenkant van de wolken van Jupiter trekt de zwaartekracht ongeveer tweeënhalf keer zo hard als op aarde.

Astronauten zweven in het internationale ruimtestation ISS, ongeveer 400 kilometer boven de aarde. Dat is ongeveer 250 mijl. De aantrekkingskracht van de aarde is daar nog steeds bijna negen tiende van de sterkte op de grond. De astronauten en het ruimtestation vallen samen rond de aarde. Dat ze zweven betekent niet dat de zwaartekracht is verdwenen.

Ideeën over vallen onderzoeken

Lang geleden leerde Aristoteles dat zwaardere voorwerpen altijd sneller vallen. Ongeveer 400 jaar geleden onderzocht Galileo Galilei het vallen. Hij mat de tijd van ballen die van flauwe hellingen rolden. Doordat ze langzamer rolden, had hij meer tijd om te meten. Hij redeneerde dat zware en lichte voorwerpen even snel vallen als de lucht niet in de weg zit.

Isaac Newton verbond vallende appels met de baan van de maan. Hij legde uit dat in beide gevallen dezelfde kracht werkt. Zijn boek waarin hij zwaartekracht beschreef, verscheen in 1687. Een beroemd verhaal over een appel vertelt wat hem aan het denken zette; experimenten en waarnemingen ondersteunen de wetenschap. De eenheid van kracht, de newton, draagt zijn naam.

In 1971 liet astronaut David Scott een hamer en een valkenveer op de maan vallen. Hij liet ze tegelijk vanaf dezelfde hoogte los. Zonder luchtweerstand landden ze tegelijk. Op aarde remt de lucht de veer veel sterker af.

Met de proef werd een idee met bewijs onderzocht. De naam van een beroemd persoon kan een natuurwetenschappelijke vraag niet beslissen. Door te meten en waar te nemen kunnen mensen verklaringen toetsen en verbeteren.

Een vol etui trekt harder aan je hand dan een leeg etui. Met een krachtmeter kun je die trekkracht meten. Je hoort ook wel de namen veerunster of newtonmeter.

De veer en de eenheid

In de meter rekt een veer uit als iets aan de haak trekt. Een aanwijzer beweegt langs een schaalverdeling met getallen. Hoe harder de trekkracht, hoe verder de veer uitrekt.

Krachten worden gemeten in newton, afgekort als N. Een kleine appel met een massa van ongeveer 100 gram heeft op aarde een gewicht van ongeveer 1 N. Schrijf een gemeten kracht met de eenheid op, bijvoorbeeld “3,5 N”.

Klaarmaken om te meten

1. Kies een meter met een bereik dat groot genoeg is voor het voorwerp. Een meter van 10 N is geschikt voor een schoen of etui. Een meter van 1 N laat kleine verschillen bij heel lichte voorwerpen duidelijker zien.
2. Houd de meter in de stand waarin je hem gaat gebruiken. Controleer of hij nul aangeeft als niets aan de haak trekt. Stel hem zo nodig bij. Dit heet op nul stellen.
3. Hang het voorwerp aan de haak. Wacht tot het niet meer op en neer beweegt.
4. Houd je ogen op dezelfde hoogte als de aanwijzer. Kijk recht op de schaalverdeling om die af te lezen.
5. Noteer het getal en N.

Als de aanwijzer aan het einde van de schaalverdeling komt, heb je een sterkere meter nodig. Door overbelasting kan de veer te ver uitrekken en kunnen latere meetwaarden onjuist worden.

Bepaal de waarde van de kleine tussenruimtes

Stel dat de streepjes met een getal 4 N en 5 N aangeven. Daartussen zitten vijf gelijke tussenruimtes. De hele afstand is 1 N, dus elke tussenruimte is:

Elke kleine stap is 0,2 N. Tel de tussenruimtes vanaf 4 N: 4,2 N; 4,4 N; 4,6 N. Een aanwijzer die drie tussenruimtes voorbij 4 N staat, geeft 4,6 N aan. Als je streepjes telt in plaats van tussenruimtes, kun je de verkeerde stapgrootte krijgen.

Ophangen of zijwaarts trekken

Een etui dat stil hangt, geeft een meetwaarde van 2,5 N. Het gewicht is 2,5 N: dat is de zwaartekracht die eraan trekt.

Je kunt de meter ook aan een schoen haken. Trek de schoen horizontaal met een lage, constante snelheid over een tafel. Nu meet je een zijwaartse trekkracht. De meter meet kracht in de richting waarin je hem gebruikt; hij meet niet alleen het gewicht van hangende voorwerpen.

Als een lege meter bij 0,5 N begint, zijn de meetwaarden 0,5 N te groot. Stel hem op nul voordat je opnieuw meet. Lees af als de aanwijzer stilstaat, want een voorwerp dat op en neer beweegt of een trekkracht met rukjes laat de meetwaarde heen en weer springen.

Een steen die je meeneemt naar de maan bevat nog steeds dezelfde materie. Toch voelt het daar gemakkelijker om hem op te tillen. Zijn massa blijft hetzelfde, maar zijn gewicht verandert.

Hoeveel materie of hoeveel trekkracht?

Massa is de hoeveelheid materie in een voorwerp. Je meet die in gram (g) of kilogram (kg), met een balans of een keukenweegschaal. Eén kilogram bevat 1000 gram.

Gewicht is de zwaartekracht die aan die massa trekt. Je meet die in newton (N), met een krachtmeter. Op aarde wijst die kracht naar het middelpunt van de aarde.

Voorwerpen op aarde vergelijken

Op dezelfde plaats heeft een voorwerp met meer massa meer gewicht. Twee gelijke rugzakken bevatten verschillende hoeveelheden boeken. Als de ene twee keer zoveel massa heeft, is zijn gewicht daar twee keer zo groot.

Een handige vuistregel op aarde is dat 1 kg ongeveer 10 N weegt, nauwkeuriger ongeveer 9,8 N. Een zak meel van 1 kg heeft dat gewicht. Een appel van 100 g weegt ongeveer 1 N. De kilogrammen geven de massa aan; de newtons de trekkracht.

De steen meenemen naar de maan

Volg de steen stap voor stap:

1. Op aarde geeft een krachtmeter zijn gewicht aan als 6 N.
2. Je neemt de hele steen mee naar de maan. Er is geen materie weggehaald, dus zijn massa is niet veranderd.
3. De maan trekt ongeveer een zesde zo hard. De meter geeft nu ongeveer 1 N aan.

Ver weg van planeten, manen en sterren kan de aantrekkingskracht heel zwak zijn. Een gereedschapskist heeft daar nog steeds massa. Het kost nog steeds moeite om haar in beweging te brengen of te stoppen. Door het zweven verdwijnt haar materie niet.

Waarom woorden uit het dagelijks leven verwarrend kunnen zijn

Iemand kan zeggen: “Ik weeg 35 kilogram” of “Ik weeg 77 pond.” In het dagelijks leven gebruiken we “gewicht” op die manier. Een personenweegschaal meet hoe hard je erop drukt en geeft daarna kilogram of pond aan.

Houd de grootheden in een natuurwetenschappelijk antwoord duidelijk uit elkaar. Zeg: “Het boek heeft een massa van 2 kg.” Gebruik newton als je het gewicht opgeeft. Een astronaut die de maan bezoekt, heeft minder gewicht, niet minder lichaamsmaterie.

Als je rent, duw je lucht opzij. Lucht bestaat uit piepkleine deeltjes. Terwijl je je erdoorheen beweegt, duwt de lucht terug. Deze kracht heet luchtweerstand, een vorm van stromingsweerstand.

Welke kant duwt de lucht op?

Luchtweerstand werkt de beweging door de lucht tegen. Een vallend blad beweegt naar beneden, dus duwt de luchtweerstand omhoog. Een fietser rijdt vooruit door stilstaande lucht, dus duwt de lucht naar achteren. De zwaartekracht blijft in beide gevallen naar beneden trekken.

De lucht raakt het bewegende voorwerp aan. Luchtweerstand is een contactkracht, ook al kun je het contact niet zien.

Waardoor wordt de duw groter?

Een groter frontaal oppervlak duwt meer lucht opzij. Houd een breed stuk karton met de brede kant naar de lucht en je voelt een grotere duw dan wanneer je de dunne zijkant naar voren houdt. De vorm is ook belangrijk. Lucht stroomt om sommige vormen gemakkelijker heen dan om andere.

Snelheid is ook belangrijk. Als je langzaam loopt, merk je de luchtweerstand nauwelijks. Tijdens een snelle fietstocht duwt de lucht veel harder tegen je gezicht. Hoe sneller je door de lucht beweegt, hoe groter de luchtweerstand.

Twee vellen, twee verschillende vallen

Neem twee gelijke vellen papier. Verfrommel het ene tot een stevige bal. Houd het andere plat. Laat ze tegelijk vanaf dezelfde hoogte los.

De prop papier bereikt de vloer het eerst. Bekijk de verklaring stap voor stap:

1. Beide vellen bevatten evenveel papier, dus hun massa is gelijk.
2. In dezelfde kamer is ook hun gewicht gelijk.
3. Het platte vel biedt een groter oppervlak aan de lucht.
4. De luchtweerstand remt het platte vel sterker af.

Door het verfrommelen verandert de vorm, niet de hoeveelheid papier. Je hebt geen zwaarder vel nodig om het sneller te laten vallen.

Zwaar betekent niet altijd sneller

Een veer valt langzaam door de lucht omdat de luchtweerstand er een groot effect op heeft. Zonder luchtweerstand landen een veer en een hamer die je tegelijk loslaat tegelijk. Op aarde landen een tennisbal en een honkbal die je vanaf schouderhoogte laat vallen bijna op hetzelfde moment. Tijdens die korte val heeft de luchtweerstand maar een klein effect.

Wanneer luchtweerstand helpt

Luchtweerstand remt een parachute af en vertraagt de draaiende val van een esdoornzaadje. Bij een langzame val heeft de wind meer tijd om een zaadje mee te voeren. Bewegende lucht kan ook tegen een zeil duwen en een boot in beweging brengen.

Voor hardlopers, auto's en vliegtuigen maakt luchtweerstand vooruitkomen moeilijker. Wielrenners buigen diep voorover en dragen strakke, gladde kleding om het oppervlak dat tegen de lucht duwt te verkleinen en hun vorm te stroomlijnen. Hun benen hoeven dan minder luchtweerstand te overwinnen.

Een parachute heeft een brede parachutekoepel, meestal gemaakt van lichte stof. Lijnen verbinden die met een last, zoals een persoon of een doos met voorraden. Door de koepel te openen verandert hoeveel lucht de parachute opzijduwt.

Volg de krachten

Voor het openen biedt een opgevouwen koepel een klein oppervlak. Eenmaal open duwt hij tegen veel meer lucht. De lucht duwt omhoog en remt zo de vallende parachute en de last af.

De zwaartekracht blijft naar beneden trekken. Door de parachute te openen schakel je de zwaartekracht niet uit en verminder je het gewicht van de last niet. Via de lijnen wordt een opwaartse trekkracht van de koepel op de last overgebracht. De last kan naar beneden blijven bewegen terwijl een opwaartse kracht de val afremt.

Geef in een tekening de zwaartekracht vanaf de last naar beneden weer. Geef de luchtweerstand vanaf de koepel omhoog weer. Bij dezelfde snelheid heeft de open koepel een langere luchtweerstandspijl nodig dan de opgevouwen koepel.

Wat verandert de val van een parachute?

Stel je bijvoorbeeld twee gelijke lasten onder gelijke stoffen koepels voor. Slechts één koepel opent volledig. Het brede oppervlak duwt tegen meer lucht, waardoor die parachute langzamer valt. De gedeeltelijk geopende koepel heeft de massa van de last niet veranderd.

Een parachutist blijft naar beneden bewegen

Een parachutist gaat na de sprong steeds sneller. Met de buik naar de grond en de armen en benen gespreid kan de snelheid ongeveer 120 mijl per uur, oftewel 190 kilometer per uur, bereiken. Door de parachute te openen wordt de luchtweerstand veel groter en wordt de val voor de landing afgeremd.

Op een video kan het lijken alsof een parachutist bij het openen van de parachute omhoogschiet. Degene met de camera valt nog steeds snel. De persoon onder de parachute valt veel langzamer, waardoor de afstand tussen hen verandert. Door de parachute vliegt die persoon niet terug omhoog.

Vergelijkbare ideeën om je heen

Een paardenbloemzaadje hangt onder een pluizig pluisje dat lucht opvangt. Een esdoornzaadje draait rond onder zijn vleugel. Beide vallen langzaam genoeg om door de wind te worden meegevoerd. Een vliegende eekhoorn spreidt de huid tussen zijn poten om te zweven.

Parachutes werken ook zijwaarts. Dragraceauto's kunnen er achter zich een openen om af te remmen. De Space Shuttle gebruikte na de landing een parachute. In beide gevallen werkt de luchtweerstand van de parachute de beweging door de lucht tegen.

Je wilt ontdekken of een grotere koepel een parachute afremt. Met een eerlijk onderzoek kun je het resultaat verbinden aan wat je hebt veranderd.

Plan wat verandert en wat gelijk blijft

Je onafhankelijke variabele is wat je verandert: de grootte van de koepel. Je afhankelijke variabele is wat je meet: de valtijd. Controlevariabelen zijn de kenmerken die je gelijk houdt.

Maak vierkante koepels met zijden van 10 cm, 20 cm en 30 cm. Gebruik hetzelfde materiaal, dezelfde massa voor de last en hetzelfde aantal touwtjes met dezelfde lengte. Laat elke parachute vanaf 2 meter op dezelfde manier los. Vraag een volwassene om te helpen als je de parachute van hoog loslaat; houd je voeten op de vloer en zorg dat de landingsplek vrij is.

Een voorspelling bevat een reden: “De koepel van 30 cm doet er het langst over om te landen omdat die tegen meer lucht duwt.”

Herhaal en noteer

Meet de tijd bij elke grootte minstens drie keer. Kleine veranderingen bij het loslaten en in je reactietijd bij de stopwatch kunnen de meetwaarden veranderen. Herhalingen laten zien hoe goed de resultaten overeenkomen.

Hier zijn voorbeeldresultaten:

Voor het gemiddelde tel je de meetwaarden op en deel je door het aantal meetwaarden. Voor de grootste koepel:

De gemiddelde valtijd is 2,7 s. Zet voor elke grootte van de koepel één staaf in een staafdiagram om deze gemiddelden te vergelijken.

Controleer een afwijkend resultaat

Stel dat drie tijden 1,8 s, 2,0 s en 0,9 s zijn. De laatste wijkt sterk af. Ga na wat er is gebeurd en herhaal de val. Als de koepel niet openging, noteer dan dat probleem en waarom je die tijd hebt weggelaten. Laat een tijd niet weg alleen omdat die niet bij je voorspelling past.

Verklaar het patroon

Een conclusie gebruikt zowel getallen als natuurwetenschappelijke kennis: “De koepel van 30 cm deed er gemiddeld 2,7 s over. De koepel van 10 cm deed er 1,2 s over. De grotere koepel duwde tegen meer lucht, waardoor de luchtweerstand groter was en de val langzamer ging.”

De oppervlakte van de koepel groeit sneller dan de lengte van de zijde. Een vierkant van 20 cm heeft een oppervlakte van 400 vierkante centimeter. Een vierkant van 30 cm heeft een oppervlakte van 900 vierkante centimeter, meer dan twee keer zoveel.

Als je de last en de koepel tegelijk zou veranderen, zou dit onderzoek niet eerlijk zijn. Je zou niet kunnen zeggen welke verandering het resultaat veroorzaakte. Eén keer laten vallen kan nog steeds eerlijk zijn, maar geeft weinig informatie over de overeenstemming tussen resultaten. Verander bij een nieuwe vraag over de massa van de last de massa en houd de grootte van de koepel gelijk.

Door een zwembad lopen voelt zwaarder dan door de lucht lopen. Je benen moeten water opzijduwen. Het water duwt terug tegen je benen.

Een kracht van stromend water

Waterweerstand werkt een voorwerp tegen dat door water beweegt. Een zwemmer, een vis, een zinkende steen en een boot aan het oppervlak voelen die kracht allemaal. Slechts een deel van een boot hoeft in het water te zijn om waterweerstand te ondervinden.

Lucht en water zijn fluïda: stoffen die stromen. Weerstand van beide fluïda heet stromingsweerstand. Bij beide moet het fluïdum het voorwerp aanraken.

Voor hetzelfde voorwerp dat met dezelfde snelheid beweegt, is waterweerstand veel groter dan luchtweerstand. Water is veel dichter. Een emmer water heeft ongeveer 800 keer zoveel massa als dezelfde emmer gevuld met lucht. Er is veel meer materie om opzij te duwen.

Draai je hand om de duw te veranderen

Beweeg een open hand door water in een bak. Ga eerst met je brede handpalm voorop. Draai dan je hand en ga met de dunne zijkant voorop. Houd de snelheid ongeveer gelijk.

De brede handpalm voelt meer weerstand. Die duwt met een grotere voorkant tegen het water. De dunne zijkant duwt minder water opzij en voelt dus minder weerstand. Als je een van beide vormen sneller beweegt, wordt de weerstand groter.

Dit verklaart waarom je een harde klap voelt als je met een breed, plat lichaam in het water terechtkomt. Een duiker die met de handen eerst het water ingaat, biedt een smalle voorkant en beweegt er gemakkelijker doorheen.

Wanneer waterweerstand helpt

Een kanopeddel heeft een breed blad. Je duwt er water mee naar achteren en het water duwt de peddel naar voren. Die duw brengt de kano in beweging. Ook zwemvliezen bieden een breed oppervlak om tegen het water te duwen.

Nadat je stopt met het duwen van een speelgoedboot, glijdt die nog even door. Waterweerstand remt hem af. Ook een duiker wordt afgeremd nadat die het water is ingegaan.

Wanneer waterweerstand in de weg zit

Een schip heeft energie nodig om tegen de stromingsweerstand in te blijven bewegen. Dat geldt ook voor een zwemmer. Gladde badmutsen en nauwsluitende zwemkleding verminderen de weerstand. Botenbouwers geven scheepsrompen een vorm waar het water gemakkelijker omheen stroomt.

Waterweerstand gaat over beweging door water. Ze houdt een boot niet omhoog. Een boot kan stil op rustig water drijven zonder dat stromingsweerstand hem afremt. Als je dat verschil goed begrijpt, kun je uitleggen wat de weerstandspijl van een bewegende boot laat zien.

Een vis beweegt zijn lichaam door water. Een trein beweegt door de lucht. Allebei hebben ze voordeel van een vorm waar het fluïdum gemakkelijk omheen stroomt.

Wat gestroomlijnd betekent

Een gestroomlijnde vorm vermindert luchtweerstand of waterweerstand. De vorm is meestal glad, met een smalle, ronde of puntige voorkant. Het lichaam wordt naar achteren toe smaller. Dit smaller worden heet versmalling en helpt het fluïdum om achter het lichaam weer soepel samen te komen.

Gestroomlijnd betekent niet licht of piepklein. Een blauwe vinvis is enorm en gestroomlijnd. Een klein plat vierkant van karton kan voor zijn grootte veel lucht opvangen.

Vormen in de natuur en in ontwerpen

Dolfijnen, haaien, tonijnen en zwemmende pinguïns hebben een gestroomlijnd lichaam. Een duikende valk trekt zijn vleugels dicht tegen zich aan. Ontwerpers gebruiken gladde vormen bij onderzeeërs, vliegtuigen, raceauto's en hogesnelheidstreinen.

De Japanse hogesnelheidstrein uit de 500-serie begon in 1997 passagiers te vervoeren. Zijn lange neus had de vorm van de snavel van een ijsvogel. Door dat ontwerp maakte de trein minder lawaai als hij tunnels inreed en gebruikte hij minder elektriciteit.

Je kunt ook je eigen vorm veranderen. Een zwemmer zet zich af met de armen boven het hoofd uitgestrekt. Een wielrenner buigt diep voorover. Hun lichamen hebben zo een smallere voorkant. Hun massa is niet veranderd doordat ze van houding zijn veranderd.

Vergelijk vormen van klei op een eerlijke manier

Maak een bal, kubus, kegel, plat vierkant en druppel van gelijke massa's boetseerklei. Gebruik dezelfde hoge bak met water. Laat elke vorm vanaf dezelfde hoogte in het water los en meet de tijd tot de bodem. Herhaal dit drie keer voor elke vorm. Houd de punt van de kegel naar beneden en noteer hoe elke vorm naar het water is gericht.

Dit zijn voorbeeldresultaten van de klas:

De druppel kwam als eerste aan. Door zijn vorm stroomde het water er gemakkelijk omheen. Het platte vierkant deed er het langst over omdat het brede vlak tegen meer water duwde. Doordat de massa's klei gelijk zijn, kun je het verschil met de vorm verbinden.

Onderzoek de voorkant van een boot

Bouw boten van hetzelfde materiaal en met dezelfde massa. Geef ze verschillend gevormde voorkanten. Trek elke boot met dezelfde trekkracht over dezelfde afstand en vergelijk daarna de tijden. Je kunt steeds hetzelfde kleine hangende gewicht gebruiken om een touwtje over de rand van de bak te trekken. Houd de route en het water gelijk.

Minder weerstand is niet het doel van elke ontwerper. Een peddel heeft een breed vlak nodig. Een parachute moet lucht opvangen. Vliegtuigen kunnen na de landing panelen omhoogzetten om de stromingsweerstand te vergroten en af te remmen.

Wrijf je handen tegen elkaar. Ze voelen al snel warm aan. Wrijving werkt waar de twee oppervlakken elkaar raken en langs elkaar glijden.

Tegen het glijden in

Wrijving is een kracht tussen oppervlakken die elkaar raken. Ze werkt het glijden of de poging om te glijden tegen. Een doos die naar rechts schuift, ondervindt wrijving naar links langs de vloer.

Wrijving kan ook werken voordat het glijden begint. Leg een boek op een iets schuin gehouden plank. Het blijft liggen omdat de wrijving voorkomt dat het naar beneden glijdt. Houd de plank schuin genoeg en het boek begint te glijden.

Piepkleine ruwe plekjes

Zelfs oppervlakken die er glad uitzien, hebben piepkleine bultjes en kuiltjes. Je kunt ze onder een microscoop zien. Die blijven achter elkaar haken als oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt en dragen zo bij aan de wrijving.

Ruwere oppervlakken geven bij vergelijkingen in de klas meestal meer wrijving. Een slee glijdt gemakkelijk over ijs, maar komt moeilijk vooruit op gras. Een speelgoedauto stopt eerder op dik tapijt dan op een gladde houten vloer.

Naast de ruwheid zijn ook de materialen belangrijk. Rubber kan goed grip hebben op een gladde gymzaalvloer. Een glad oppervlak heeft nog steeds wrijving; glad betekent niet wrijvingsloos.

Harder drukken

Als je boeken in een doos doet, drukt de doos harder op de vloer. Ze wordt moeilijker te verschuiven. Als je twee oppervlakken harder tegen elkaar drukt, wordt de wrijving ertussen groter.

Remblokjes maken gebruik van dit effect. Knijp de remhendel van een fiets harder in en de blokjes drukken harder tegen de velg of schijf. Door de grotere wrijving wordt het wiel sterker afgeremd.

Wrijving kan je naar voren duwen

Als je loopt, duwt je schoen die op de grond staat naar achteren tegen de grond. De wrijving van de grond duwt de schoen naar voren. Dat helpt je vooruit. Op glad ijs kan de schoen naar achteren glijden omdat er te weinig grip is.

“Wrijving wijst altijd naar achteren” is dus geen bruikbare regel. Vraag je eerst af welke kant de oppervlakken op glijden of proberen te glijden. Wrijving werkt dat glijden tegen. Ze kan voorkomen dat een voet naar achteren wegglijdt en tegelijk de wandelaar naar voren duwen.

Warmte door wrijven

Door wrijven worden oppervlakken warm. Je handen worden warm als je ze snel tegen elkaar wrijft. Ook fiets- en autoremmen worden warm tijdens gebruik. Ze gebruiken wrijving om bewegende onderdelen af te remmen en die onderdelen kunnen heet worden.

Wrijving is op sommige plaatsen nuttig en op andere lastig. Bedenk wat een oppervlak moet doen voordat je kiest hoe je het verandert.

Waar je grip nodig hebt

Schoenen hebben wrijving nodig zodat je kunt lopen en rennen. Banden hebben grip nodig om op te trekken, te draaien en te stoppen. Je vingers hebben grip op een potlood, terwijl de wrijving tussen de punt en het papier een lijn achterlaat. Wrijving helpt ook om een knoop vast te houden.

Fietsremmen drukken remblokjes tegen een velg of een metalen schijf. De wrijving remt het wiel af. Bij velgremmen glijden de blokjes gemakkelijker weg op natte velgen. De fiets heeft dan meer tijd en afstand nodig om te stoppen.

Manieren om wrijving te vergroten

Rubberen zolen en handvatten helpen oppervlakken grip te krijgen. Zand of strooigrind op ijs maakt een pad minder glad. Magnesiumpoeder helpt een turner grip te krijgen met de handen. Ook als je oppervlakken harder tegen elkaar drukt, wordt de wrijving groter.

Profiel is een patroon van groeven en richels op banden of zolen. Het is vooral belangrijk op een natte of zachte ondergrond. Door de groeven kunnen water en modder opzij, zodat het rubber de grond kan bereiken. Het diepe profiel van tractorbanden grijpt zich vast in modderige grond.

Waar wrijving problemen veroorzaakt

Schoenzolen, banden en remblokjes worden dunner doordat ze door wrijving slijten. Bewegende machineonderdelen kunnen heet worden. Een klemmende lade moet je harder opentrekken omdat de wrijving het glijden tegenwerkt.

Een smeermiddel, zoals olie of vet, vormt een laag tussen bewegende onderdelen. Het vermindert de wrijving ertussen. Olie helpt een fietsketting soepel te bewegen. Was helpt ski's glijden en water helpt op een waterglijbaan.

Wielen, rollen en kogellagers verminderen het glijden doordat onderdelen kunnen rollen. Een doos kan gemakkelijker te verplaatsen zijn op rollen dan wanneer je hem over de vloer sleept.

Kies wat bij de toepassing past

Schaatsen hebben gladde, smalle ijzers om te glijden. Winterlaarzen kunnen een diep profiel of metalen punten hebben voor grip. Beide ontwerpen zijn geschikt voor hun doel. Als je overal wrijving zou wegnemen, zouden lopen, voorwerpen vasthouden en remmen moeilijk worden.

Door aan een oppervlak te voelen krijg je een aanwijzing over de wrijving. Met een meting kun je die duidelijker vergelijken. Je kunt de trekkracht onderzoeken die nodig is om een schoen te laten blijven glijden of de afstand meten die een speelgoedauto rolt.

Gebruik een krachtmeter

Vraag: “Welk oppervlak geeft deze schoen de meeste wrijving?” Haak een krachtmeter aan de schoen. Trek de schoen langzaam en met een constante snelheid voort terwijl je de meter horizontaal houdt. Lees de meter af terwijl de schoen al gelijkmatig glijdt.

Verander alleen het vloeroppervlak. Gebruik steeds dezelfde schoen, inhoud en meter en houd de trekrichting en snelheid gelijk. Als je schuin trekt, til je de schoen gedeeltelijk op en verandert hoe hard hij op de grond drukt. Door een ruk springt de meetwaarde heen en weer. De grotere meetwaarde bij het starten is anders dan de constante meetwaarde tijdens het glijden die je vergelijkt.

Hier zijn voorbeeldresultaten:

De grootste constante trekkracht was nodig op schuurpapier. Voor deze schoen gaf dat de meeste wrijving. Tegels gaven de minste wrijving. Herhaal elke meting drie keer en bereken het gemiddelde. Kleine verschillen bij het trekken kunnen de meetwaarden veranderen.

Gebruik een rollende auto

Zet een helling op een vaste hoogte. Laat dezelfde auto vanaf dezelfde lijn los zonder te duwen. Laat hem op elk vloeroppervlak rollen. Meet de afstand van het einde van de helling tot de plaats waar hij stopt.

Voorbeeldafstanden zijn 45 cm op tapijt, 120 cm op hout en 160 cm op vinyl. Een kortere afstand laat hier zien dat de auto sterker is afgeremd door wrijving. Het patroon is tegengesteld aan dat van de proef met de krachtmeter, waarbij een grotere kracht meer wrijving liet zien.

Houd de helling, de startlijn, de auto en de meetmethode gelijk. Herhaal de proef op elk oppervlak. Als je bij één keer duwt, verandert de beginbeweging van de auto en wordt de vergelijking oneerlijk.

Gebruik een kantelende plank

Zet een blok op een plank die is bedekt met een materiaal dat je onderzoekt. Til één uiteinde langzaam op. Meet de hoogte daarvan als het blok begint te glijden. Gebruik voor elk materiaal dezelfde plank en hetzelfde blok. Een grotere hoogte bij het begin van het glijden betekent dat het oppervlak het blok sterker vasthield voordat het weggleed.

Gebruik je resultaat

Een conclusie noemt een meetwaarde en legt die uit: “Voor schuurpapier was 4,5 N nodig, terwijl voor tegels 1,0 N nodig was. Het schuurpapier bleef sterker achter de zool haken. Een strook met grip zou kunnen helpen op een gladde traptrede.”

Je kunt ook onderzoeken wat er gebeurt als de schoen harder op de grond drukt. Houd het oppervlak gelijk en stop knikkers in dezelfde schoen. Verander de massa die je toevoegt en meet dan de constante trekkracht. De schoen drukt harder, waardoor de wrijving groter wordt.

Een kracht is onzichtbaar, maar een pijl kan de richting laten zien. Een krachtentekening is een tekening van een voorwerp met pijlen voor de krachten die erop werken.

Geef elke pijl een taak

Laat elke pijl op het voorwerp beginnen. Laat hem in de richting van de kracht wijzen. Zet er een naam bij, zoals “zwaartekracht”, “trekkracht” of “wrijving”. Geef de grootte in newton aan als je die weet.

Een langere pijl betekent een grotere kracht. Een pijl van 4 N moet twee keer zo lang zijn als een pijl van 2 N. De lengte van de pijl geeft de grootte van de kracht weer, niet hoe ver het voorwerp beweegt.

Kijk wat er kracht uitoefent

De zwaartekracht wijst naar beneden, naar het middelpunt van de aarde. Een tafel of vloer die een voorwerp ondersteunt, duwt het omhoog. Luchtweerstand werkt beweging door de lucht tegen. Waterweerstand werkt beweging door water tegen. Bij een glijdend voorwerp wijst de wrijving langs het oppervlak, tegen het glijden in.

Een boek dat op een tafel ligt, heeft nog steeds een zwaartekrachtpijl naar beneden nodig. Het heeft ook een pijl omhoog nodig met het label “tafel duwt omhoog”. Dat het boek stilstaat, betekent niet dat er geen krachten zijn.

Teken stap voor stap een slee

Een touw trekt een slee naar rechts over de sneeuw.

1. Teken een eenvoudige slee.
2. Teken vanaf de slee een pijl naar beneden met het label “zwaartekracht”.
3. Teken een pijl omhoog met het label “sneeuw duwt omhoog”.
4. Teken een pijl naar rechts langs het touw met het label “trekkracht”.
5. Teken een pijl naar links langs de sneeuw met het label “wrijving”.

Laat de pijlen de slee raken. Een pijl die er vlakbij zweeft, laat niet duidelijk zien op welk voorwerp de kracht werkt. De namen vertellen waar elke duw of trek vandaan komt.

Bewegingsrichting is niet hetzelfde als krachtrichting

Een vallende bal beweegt naar beneden, maar de luchtweerstandspijl wijst omhoog. Teken ook de zwaartekracht naar beneden. Dit zijn verschillende krachten op hetzelfde voorwerp.

Op een gegooide bal werkt geen “gooikracht” meer nadat hij je hand heeft verlaten. De hand raakt de bal niet meer aan. Terwijl de bal door de lucht vliegt, werken de zwaartekracht en de luchtweerstand erop. Als de bal stijgt, wijst de luchtweerstand naar beneden; als hij valt, wijst de luchtweerstand omhoog.

Kijk bij wrijving naar de oppervlakken. Op een glijdende slee werkt de wrijving tegen het glijden in. Op de voet van een wandelaar die op de grond staat, kan de wrijving naar voren wijzen en voorkomen dat de schoen naar achteren glijdt.

Met een trap breng je een stilstaande voetbal in beweging. Met een tweede trap kun je hem van richting laten veranderen. Krachten kunnen zowel de snelheid als de richting van een voorwerp veranderen.

Wat kan een kracht veranderen?

Een kracht kan iets in beweging brengen, sneller of langzamer laten gaan, laten stoppen of van richting laten veranderen. Krachten kunnen ook de vorm veranderen, bijvoorbeeld als je met je handen boetseerklei platdrukt.

Voor hetzelfde voorwerp onder gelijke omstandigheden veroorzaakt een grotere kracht een grotere verandering. Een harde trap verandert de beweging van een bal sterker dan een zacht tikje. Als je remblokjes harder aandrukt, remt hetzelfde wiel sterker af.

Volg een bal die omhoog wordt gegooid

Gooi een bal recht omhoog en laat hem los.

1. Op weg naar boven trekt de zwaartekracht naar beneden. De bal gaat langzamer.
2. Bovenaan staat de bal even stil. De zwaartekracht trekt nog steeds naar beneden.
3. Op weg naar beneden laat de zwaartekracht de bal sneller vallen.

Tijdens de vlucht werkt ook luchtweerstand. Die wijst naar beneden terwijl de bal stijgt en omhoog terwijl de bal valt. De richting verandert met de beweging door de lucht. De zwaartekracht blijft naar beneden wijzen.

Een bal die je van grotere hoogte laat vallen, heeft meer afstand om snelheid op te bouwen voordat hij de grond raakt. Bij een gewone korte val komt hij harder neer dan dezelfde bal die je van een lagere hoogte laat vallen.

Volg een fiets op een helling

De zwaartekracht trekt aan jou en de fiets terwijl je een helling afrijdt. Je gaat sneller. Naarmate je sneller gaat, wordt de luchtweerstand groter en duwt die tegen je beweging in.

Als je de remmen inknijpt, drukken de remblokjes tegen de velg of schijf. Wrijving remt de wielen af. De grip tussen de banden en de weg helpt de hele fiets af te remmen. De wrijving bij het wiel en de grip van de band hebben verschillende taken.

Waarom bewegende dingen stoppen

Een speelgoedauto kan blijven rollen nadat je hand stopt met duwen. Op tapijt stopt hij al snel. Op een gladde vloer komt hij verder omdat minder wrijving hem afremt.

De auto heeft geen voorraad kracht “opgebruikt”. Krachten zijn duwen en trekken die nu op de auto werken.

Een speelgoedboot glijdt na een duw door en wordt daarna afgeremd door waterweerstand. Een hockeypuck glijdt ver over ijs omdat de wrijving klein is. In de ruimte kan een sonde jarenlang reizen zonder de motoren te gebruiken omdat er zo weinig weerstand is.