Kracht en Beweging

Les 1: Eenparige beweging

De lesstof:

Afstand en tijd
Een auto rijdt 3 uur over een weg met een constante snelheid van 80 kilometer per uur. Elke uur legt de auto 80 kilometer af. De totale afstand die de auto in 3 uur aflegt, kun je als volgt berekenen:

• In 1 uur rijdt de auto: 80 km.

• In 2 uur rijdt de auto: 160 km.

• In 3 uur rijdt de auto: 240 km.

Dit kun je berekenen met de formule:

Afgelegde weg = snelheid × tijd

Of in symbolen:
s = v × t

In deze formule is:

• s de afgelegde weg in kilometer (km).

• v de snelheid in kilometer per uur (km/h).

• t de tijd in uren (h).

Als een voertuig met een constante snelheid beweegt, noemen we dat een eenparige beweging.

Afstand-tijddiagram
Om de gegevens van de autorit in een diagram te zetten, volg je deze stappen:

1. Lees de afstand (s) van de kilometerteller op verschillende tijdstippen (t).

2. Maak een tabel met de tijd links en de afstand rechts.

3. Teken het diagram (s,t) met tijd op de horizontale as en afstand op de verticale as.

Snelheid
Bij een eenparige beweging blijft de snelheid constant. De snelheid verandert dus niet. De snelheid kun je berekenen door de afgelegde weg te delen door de verstreken tijd:

Snelheid = afgelegde weg ÷ tijd
Of in symbolen:
v = s ÷ t

Bijvoorbeeld, als een auto 240 km aflegt in 3 uur, kun je de snelheid berekenen als:
v = 240 km ÷ 3 h = 80 km/h

Wil je de snelheid in meters per seconde (m/s) berekenen? Dan deel je de snelheid in km/h door 3,6. Dit komt omdat:
1 km/h = 1/3,6 m/s.

Les 2: Versnellen en vertragen

De lesstof:

De gemiddelde snelheid
Wanneer je door een drukke stad fietst, kun je niet steeds dezelfde snelheid aanhouden. Je moet vaak remmen, stoppen voor een stoplicht, en weer optrekken. Het kan handig zijn om te weten wat je gemiddelde snelheid is over de hele rit. Dit geeft een idee van hoe snel je in totaal hebt gereden, ondanks de stops en vertragingen.

De formule om de gemiddelde snelheid te berekenen is:

gemiddelde snelheid = afgelegde weg / tijd

In symbolen:
vgem =s : t

Waarbij:

• vgem de gemiddelde snelheid is in meter per seconde (m/s)

• s de afgelegde weg is in meters (m)

• t de tijd is in seconden (s)

Eenparig versnelde beweging
In een eenparig versnelde beweging wordt de snelheid elke seconde gelijkmatig groter. Bijvoorbeeld, als een auto van 0 km/h naar 190 km/h versnelt, neemt de snelheid elke seconde gelijkmatig toe. De snelheid kan worden weergegeven in een grafiek, waarbij de afstand steeds sneller toeneemt naarmate de snelheid groter wordt. Dit wordt weergegeven als een kromme die steeds steiler omhoog gaat.

Eenparig vertraagde beweging
Bij een eenparig vertraagde beweging neemt de snelheid elke seconde gelijkmatig af. Dit gebeurt bijvoorbeeld als een auto afremt. De grafiek van de snelheid in functie van de tijd is een rechte lijn die naar beneden gaat. De grafiek van de afgelegde weg is een kromme die langzaam minder steil omhoog gaat, omdat de snelheid afneemt.

Afgelegde weg bij versnellen en vertragen
Tijdens een versnelling of vertraging kun je de afgelegde weg berekenen met de formule:

afgelegde weg = gemiddelde snelheid × tijd

Bij een eenparig versnelde beweging is de gemiddelde snelheid het gemiddelde van de beginsnelheid en de eindsnelheid. Als de beginsnelheid 3 m/s is en de eindsnelheid 9 m/s, is de gemiddelde snelheid 6 m/s.

Voor een eenparige beweging is de snelheid constant, en kun je de formule gebruiken zonder eerst de gemiddelde snelheid te berekenen. Bij een eenparig versnelde beweging moet je eerst de gemiddelde snelheid berekenen, en daarna pas de afgelegde weg.

Les 3: Aandrijven en tegenwerken

De lesstof:

Aandrijfkrachten en tegenwerkende krachten
Als je tegen de wind in fietst, moet je hard trappen om vooruit te komen. Je spieren leveren de kracht die nodig is om de fiets te laten bewegen, deze noemen we de aandrijfkracht.

Als je stopt met trappen, verandert dat. De fiets vertraagt snel omdat er krachten zijn die de beweging tegenwerken, zoals luchtwrijving en rolwrijving. De luchtwrijving ontstaat doordat je de lucht opzij moet duwen, en is het grootst bij tegenwind. Rolwrijving ontstaat doordat de banden en de grond vervormen terwijl je rijdt. Zand zorgt bijvoorbeeld voor veel rolwrijving.

De grootte van tegenwerkende krachten
Auto’s en treinen hebben een gestroomlijnde vorm om de luchtwrijving te verkleinen. Wielrenners duiken naar voren om minder lucht te verdringen. De rolwrijving is ook kleiner als de banden harder opgepompt zijn en het oppervlak vlak is.

Ook in de fiets zelf ontstaan wrijvingskrachten, bijvoorbeeld in de ketting. Door de ketting te smeren, kun je deze wrijving verminderen.

Nettokracht
Op een bewegend voorwerp werken verschillende krachten. De krachten samen vormen de nettokracht (of resultante). Als je een auto duwt, werken er krachten zoals zwaartekracht, duwkracht en wrijvingskracht. Als de duwkracht groter is dan de wrijvingskracht, zal de auto versnellen.

Als de krachten gelijk zijn, beweegt het voorwerp met een constante snelheid. Als de tegenwerkende krachten groter zijn dan de aandrijfkracht, vertraagt het voorwerp.

De nettokracht laat de snelheid veranderen
Als de kracht die je uitoefent groter is dan de tegenwerkende krachten, zal het voorwerp versnellen. Als de krachten in evenwicht zijn, blijft de snelheid constant. Als de tegenwerkende krachten groter worden, zal het voorwerp vertragen.

De nettokracht laat de richting veranderen
De nettokracht kan ook de richting van een voorwerp veranderen. Denk bijvoorbeeld aan de invloed van wind die je pad verandert. Als de kracht loodrecht op de beweging staat, verandert alleen de richting, niet de snelheid.

Traagheid
Traagheid is het verschijnsel waarbij een voorwerp zijn snelheid wil behouden. Als er geen nettokracht is, blijft het voorwerp in een rechte lijn bewegen. Dit merk je bijvoorbeeld wanneer je in een bus zit die stopt, maar jij naar voren beweegt omdat je snelheid niet verandert. Traagheid zorgt er ook voor dat je in een achtbaan naar buiten lijkt te worden geduwd bij elke bocht.

Les 4: Veiligheid in het verkeer

De lesstof:

De stopafstand
Als je in een auto moet stoppen, gebeurt dat in twee stappen:

1. Reactie-afstand: De afstand die de auto aflegt terwijl de bestuurder reageert en het rempedaal indrukt. Dit gebeurt bij constante snelheid.

2. Remweg: De afstand die de auto aflegt vanaf het moment dat hij begint te remmen tot hij stilstaat. Dit is een eenparig vertraagde beweging.

De totale stopafstand is:
Stopafstand = reactie-afstand + remweg

Hoe sneller je rijdt, hoe groter de stopafstand.

Een veilige snelheid kiezen
Een veilige snelheid hangt af van:

• Het soort weg: Smalle of drukke wegen vragen om lagere snelheid.

• Overig verkeer: Drukte, zoals fietsers, betekent dat je langzamer moet rijden.

• Het weer: Regen of ijzel maakt wegen gladder, waardoor je stopafstand langer wordt. Bij mist of zware regen is het zicht beperkt.

• Bijzondere omstandigheden: Een zware lading, versleten banden of een vermoeide bestuurder kunnen de stopafstand vergroten. Kies dan een lagere snelheid.

Botsingen en veiligheid in auto's
Bij een botsing is de vertraging groot, wat zorgt voor enorme krachten op inzittenden. Auto’s worden zo gebouwd dat deze krachten kleiner worden:

• Kooiconstructie: Het stevige midden van de auto beschermt inzittenden.

• Kreukelzones: De voor- en achterkant van de auto vervormen om de krachten te verminderen en de 'remweg' te verlengen.

Veiligheidsgordels en airbags

• Veiligheidsgordels houden inzittenden tegen en verdelen de krachten over een breed oppervlak. Ze rekken een beetje uit om de 'remweg' van je lichaam te vergroten.

• Airbags vangen klappen op en verdelen krachten over het lichaam. Ze werken samen met de gordel om letsel te voorkomen.

Helmen en hoofdsteunen

• Helmen: Beschermen je hoofd bij een botsing. De harde buitenkant verdeelt krachten, terwijl de zachte binnenkant schokken opvangt.

• Hoofdsteunen: Beschermen je nek bij een botsing van achteren. Zonder hoofdsteun kan je nek ernstig beschadigen, wat verlamming kan veroorzaken.