Achtergrond

In deze module Natuurkunde onderzoeken leerlingen hoe objecten bewegen en welke krachten erop werken. Beweging en kracht zijn sleutelbegrippen in de natuurkunde. Alle dingen in het heelal zijn voortdurend in beweging en worden beïnvloed door zowel evenwichtige als onevenwichtige krachten, zoals de zwaartekracht.

Een onevenwichtige kracht die op een voorwerp inwerkt, verandert de snelheid en/of bewegingsrichting ervan. Als de krachten in evenwicht zijn, zal het voorwerp stil zijn. Als de krachten die op een voorwerp inwerken niet met elkaar in evenwicht zijn, zal het voorwerp bewegen. In deze eenheid experimenteren studenten met gebalanceerde en ongebalanceerde krachten op de superauto.

Wat is kracht?

Kracht is een duw of trek tegen een object. Wanneer er een kracht op een voorwerp wordt uitgeoefend en die kracht ook nog eens niet wordt tegengewerkt, zal de beweging van dat voorwerp veranderen. Er zijn zowel evenwichtige als onevenwichtige krachten. Krachten die gelijk zijn, maar in tegengestelde richting, worden evenwichtskrachten genoemd. Krachten die in evenwicht zijn, zorgen er niet voor dat een object beweegt.

Een voorbeeld van een machtsevenwicht zijn twee groepen mensen die touwtrekken met evenveel kracht. Hierdoor blijft het touw op zijn plaats, omdat de tegengestelde krachten die aan beide kanten worden uitgeoefend, even groot zijn. Krachten die niet in evenwicht zijn, zorgen er echter voor dat een object of meerdere objecten bewegen.

Als er aan beide kanten evenveel kracht wordt getrokken, beweegt het touw niet en bewegen de trekkende mensen ook niet. Als de trekkracht aan één kant echter groter is, zal het touw ook bewegen, net als de mensen aan de andere kant.

Zwaartekracht of zwaartekrachten zijn aantrekkingskrachten. Op aarde is zwaartekracht de kracht die de aarde op ons uitoefent, waardoor we aan de grond worden getrokken en op de grond blijven. Deze kracht bepaalt ons gewicht, de hoogte van een vliegende bal en elke andere fysieke kracht op de planeet.

 

In deze eenheid experimenteren leerlingen met evenwichtige en onevenwichtige zwaartekracht door hun niet-aangedreven superauto op een helling te plaatsen.

Tijdens Lab 5 maken studenten kennis met snelheid door VEXcode GO te gebruiken om de snelheidsinstellingen van de Code Super Car te wijzigen. Snelheid is een maatstaf voor de snelheid en de richting waarin een object beweegt. Als leerlingen de snelheid van de Code Super Car verminderen, zal de hoeveelheid kracht die de Code Super Car heeft, afnemen. Door de krachten in evenwicht te houden, blijft de snelheid van de Code Super Car constant. Een onevenwichtige kracht zou ervoor zorgen dat de Code Super Car versnelt of vertraagt.

Wat is beweging?

Beweging is beweging. Deze beweging kan worden geanalyseerd door te observeren en te meten hoe ver een object reist, hoe snel het beweegt en in welke richting het beweegt. Preciezer gezegd kan beweging worden beschreven met behulp van de drie wetten van Newton.

Newtons eerste bewegingswet

De eerste wet van Newton inzake beweging: stelt dat een voorwerp in rust in rust blijft en een voorwerp in beweging in beweging blijft, tenzij er een onevenwichtige of externe kracht op wordt uitgeoefend.

Wanneer objecten in rust zijn, is het voor leerlingen gemakkelijker te begrijpen waarom ze in rust zijn. Wanneer objecten echter bewegen en vervolgens geleidelijk vertragen of plotseling stoppen vanwege krachten zoals wrijving of zwaartekracht, zijn deze concepten vaak niet gemakkelijk waar te nemen. Daarom zijn ze moeilijker te conceptualiseren. Objecten in rust ontstaan vaak doordat er krachten op het object in evenwicht zijn. Wanneer een object beweegt, zal het blijven bewegen totdat er een onevenwichtige of externe kracht op het object wordt uitgeoefend. Als je bijvoorbeeld een bal van een heuvel af rolt, blijft de bal rollen totdat hij ergens tegenaan botst of op een vlakke ondergrond blijft liggen en door wrijving en/of zwaartekracht afremt.

Newtons tweede wet van beweging

De tweede wet van Newton: stelt dat de versnelling van een object afhankelijk is van de massa van een object en de kracht die erop werkt. De wet definieert een kracht als gelijk aan de massa maal de versnelling. (d.w.z F = m*a).

Hoe groter de kracht die op een voorwerp wordt uitgeoefend, hoe meer het voorwerp wordt beïnvloed. Er zijn veel voorwaarden waarmee rekening moet worden gehouden. Hoe zwaar of groot is het object bijvoorbeeld? Hoe zwaarder of groter het object, hoe meer kracht er nodig is om het te verplaatsen.

Newtons derde wet van beweging

De derde wet van Newton: stelt voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactiebestaat. Met andere woorden: als object 1 een kracht uitoefent op object 2, dan oefent object 2 ook een gelijke kracht uit op object 1.

Stel je voor dat je op een stoel gaat zitten. De kracht die u uitoefent als u gaat zitten, moet worden tegengewerkt door een opwaartse kracht, anders zou de stoel instorten. Wat betreft evenwichtige en onevenwichtige krachten: wanneer de krachten in evenwicht zijn, beweegt een object niet en blijft het stilstaan. Stel je bijvoorbeeld voor dat je met je arm tegen de muur drukt. De kracht die uw arm uitoefent op de muur is in evenwicht om stil te blijven staan. Krachten kunnen ook uit balans zijn. Wanneer de krachten niet in evenwicht zijn, bewegen voorwerpen. Dit komt doordat de ene kracht groter is dan de andere.

Wat zijn tandwielen?

Tandwielen zijn radertjes met tanden aan de randen die worden gebruikt om kracht van de ene positie naar de andere over te brengen. Tandwielen zijn radertjes met tanden aan de randen die worden gebruikt om kracht van de ene positie naar de andere over te brengen. Dit kan worden gedaan door tandwielen van dezelfde grootte te gebruiken om dezelfde kracht over te brengen, of door tandwielen van verschillende groottes te gebruiken om een snelheids- of vermogensvoordeel te creëren wanneer de kracht wordt overgebracht.

Tandwielen kunnen twee soorten mechanische voordelen creëren. A Mechanical Advantage is when you need less force to do the same amount of work because a simple machine (in this case: gears) is used to increase and change the direction of applied force. Een mechanisch voordeel kan worden aangepast om aan specifieke behoeften te voldoen. Wanneer twee tandwielen van dezelfde grootte in elkaar grijpen, ontstaat er een krachtoverbrenging van 1 op 1. Twee andere soorten mechanische voordelen zijn snelheid en koppel.

In de manier waarop tandwielen bewegen, is er sprake van een aandrijftandwiel en een aangedreven tandwiel. Een aandrijftandwiel is het tandwiel dat vermogen doorgeeft aan een ander tandwiel. Een aangedreven tandwiel is een tandwiel dat door een ander tandwiel vooruit wordt bewogen.

Koppel is een mechanisch voordeel dat de output van een aangedreven tandwiel of machine krachtiger maakt. Koppel ontstaat wanneer een kleinere versnelling een grotere versnelling aandrijft. Het kleinere tandwiel heeft meer omwentelingen nodig om het grote tandwiel één volledige omwenteling te laten maken. Bekijk de onderstaande animatie om te zien hoe een klein tandwiel een groter tandwiel aandrijft.

Snelheid is de afstand die een object in de loop van de tijd aflegt en is een mechanisch voordeel dat de uitvoer van het aangedreven tandwiel of de aangedreven machine sneller maakt. Dit voordeel ontstaat wanneer een groter tandwiel een kleiner tandwiel aandrijft. Bekijk de onderstaande animatie om te zien hoe een groot tandwiel een kleiner tandwiel aandrijft.

Snelheid is omgekeerd evenredig met koppel. Als de gewenste snelheid in de uitgang gewenst is, moet het koppel verlaagd worden. Het omgekeerde geldt ook: als er meer koppel of vermogen nodig is, zal de snelheid afnemen.

De VEX GO Kit heeft vier soorten tandwielen: het rode tandwiel heeft 8 tanden, het groene tandwiel heeft 16 tanden, het blauwe tandwiel heeft 24 tanden en het roze tandwiel heeft 24 tanden.  De rode, groene en blauwe tandwielen kunnen snelheid en koppel overbrengen. Het roze tandwiel heeft geen vierkant gat in het midden en is een "idler" tandwiel. Het wordt vaak gebruikt om koppel van de ene positie naar de andere over te brengen, zonder de overbrengingsverhouding te veranderen.