Beknopte handleiding Fysica voor Beginners Deel 1 Uitgave 2016-2 Auteur HC jyn886@telenet.be
Inhoudsopgave 1 Vectoren 9 1.1 Inleiding....................................... 9 1.2 Samenstellen van vectoren die in eenzelfde punt aangrijpen............ 10 1.3 Samenstellen van evenwijdige vectoren........................ 11 2 Voorwerpen in rust of statica 13 2.1 Inleiding....................................... 13 2.2 Moment en koppel.................................. 14 2.3 Hefbomen...................................... 15 2.4 Reactiekrachten bij een balk belast met één puntlast................ 15 2.5 Reactiekrachten bij een balk belast met meerdere puntlasten........... 16 2.6 Krachten en koppels bij een lier........................... 17 3 Bewegingsleer of kinematica 19 3.1 Inleiding....................................... 19 3.2 Parameters van een beweging............................ 19 3.3 De wetten van Newton............................... 20 3.4 Eenparige beweging................................. 20 3.5 Verband tussen afgelegde weg, snelheid en versnelling............... 20 3.6 Rechtlijnige beweging in een xy-assenstelsel..................... 21 3.7 Cirkelvormige beweging............................... 22 3.7.1 Inleiding................................... 22 3.7.2 Omtrek en oppervlakte van een cirkel.................... 22 3.7.3 Radialen en booglengte........................... 22 3.7.4 Analogie tussen rechtlijnige en cirkelvormige beweging........... 23 3.7.5 Belangrijke formules van de cirkelvormige beweging............ 23 3.7.6 De tangentiële en radiale componenten................... 24 3.7.7 Hoeksnelheidsvector en de rechterhand regel voor de hoeksnelheidsvector. 25 3.7.8 Hoekversnellingsvector............................ 25 3.8 Verticale worp, schuine worp, horizontale worp en vrije val............. 25 3.8.1 Belangrijk.................................. 25 3.8.2 Zwaartekrachtversnelling.......................... 26 3.8.3 Verticale worp................................ 26 2
3.8.4 Schuine worp................................ 26 3.8.5 Horizontale worp van op een hoogte.................... 27 3.8.6 Impactsnelheid bij verticale val....................... 28 3.8.7 Val van grote hoogte - luchtweerstand................... 28 3.8.8 Weerstandscoëfficiënt van voorwerpen tov luchtstroming......... 29 3.9 Kracht........................................ 29 3.9.1 Algemeen.................................. 29 3.9.2 Gewicht................................... 30 3.9.3 Aantrekkingskracht van voorwerpen onderling............... 30 3.9.4 Centrifugale kracht.............................. 31 3.9.5 Centripetale kracht.............................. 31 3.9.6 De volledige definitie van kracht...................... 32 3.10 Toepassingen op krachten.............................. 32 3.10.1 Een auto rijdt door een bocht........................ 32 3.10.2 Wanneer gaat een auto uit de bocht.................... 34 3.10.3 Wanneer rolt een auto zijdelings uit de bocht............... 35 3.10.4 Roller coaster................................ 35 3.10.5 Waarom vliegt een vliegtuig......................... 37 3.10.6 De centripetale kracht die op de maan inwerkt............... 37 3.10.7 Satellietsnelheid, -baan en -omlooptijd................... 37 3.11 Energie........................................ 38 3.11.1 Inleiding................................... 38 3.11.2 Soorten energie............................... 38 3.11.3 Behoud van energie............................. 39 3.11.4 Potentiële energie.............................. 39 3.11.5 Kinetische energie.............................. 40 3.11.6 Mechanische energie............................. 40 3.11.7 Wrijvingsenergie............................... 40 3.11.8 Toepassing wrijving: schaatsen........................ 41 3.11.9 Toepassing potentiële energie: roodverschuiving door zwaartekracht.... 41 3.12 Arbeid........................................ 42 3.13 Vermogen...................................... 43 3.14 Hoeveelheid beweging of impuls........................... 43 3.14.1 Definitie................................... 43 3.14.2 Toepassing hoeveelheid beweging: snelheid van een kogel......... 43 3.15 Krachtstoot..................................... 45 3.16 Botsingen...................................... 45 3.16.1 Inleiding................................... 45 3.16.2 Elastische botsingen............................. 45 3.16.3 Volkomen on-elastische botsing....................... 47 3.17 Traagheid en traagheidsmoment........................... 48 3.17.1 Traagheid.................................. 48 3
3.17.2 Traagheidsmoment bij cirkelvormige beweging............... 48 3.17.3 Traagheidsmoment een cilinder....................... 48 3.17.4 Traagheidsmoment van een bol....................... 48 3.17.5 Traagheidsmoment na verschuiving van de traagheidssas......... 49 3.17.6 Traagheidsmoment: analogie lineaire en ronddraaiende beweging..... 49 3.17.7 Enkele veel voorkomende traagheidsmomenten............... 49 3.18 Ronddraaiende bewegingen............................. 50 3.18.1 Analogie rechtlijnige en cirkelvormige beweging.............. 50 3.18.2 Doorlopen hoek, hoeksnelheid en hoekversnelling.............. 51 3.18.3 Koppel of moment............................... 51 3.18.4 Koppelvector van een draaiend voorwerp en rechterhand regel voor de koppelvector.................................. 51 3.18.5 Arbeid van een draaiend voorwerp..................... 52 3.18.6 Kinetische energie van een draaiend voorwerp............... 52 3.18.7 Hoeveelheid draaibeweging of impulsmoment................ 53 3.19 Toepassingen op ronddraaiende bewegingen.................... 53 3.19.1 Impulsmoment van een neutronensterren.................. 53 3.19.2 Koppel en traagheidsmoment van een DVD-schijfje............ 54 3.19.3 Hoekversnelling van een wiel........................ 55 3.19.4 Twee rollende cilinders............................ 56 3.20 Andere vormen van energie en aanverwante begrippen............... 57 3.20.1 Warmte-energie............................... 57 3.20.2 Chemische energie.............................. 57 3.20.3 Geluidsenergie................................ 57 3.20.4 Elektromagnetische golven......................... 57 3.20.5 Intensiteit.................................. 58 3.20.6 Doppler effect................................ 59 3.20.7 Toepassingen op geluid........................... 59 3.21 Toepassingen op energie en vermogen....................... 60 3.21.1 De maximum snelheid van een auto.................... 60 3.21.2 De ontsnappingssnelheid van een voorwerp.................. 61 3.21.3 Toepassing warmte-energie: de terugkeer van de Space Shuttle...... 63 3.22 Harmonische bewegingen.............................. 64 3.22.1 Inleiding................................... 64 3.22.2 Frequentie en periode............................ 64 3.22.3 De wet van Hooke.............................. 65 3.22.4 De sinusoïde................................. 65 3.22.5 Veer..................................... 67 3.22.6 Slinger.................................... 68 4 Vloeistof mechanica 70 4.1 Vloeistof statica................................... 70 4.1.1 Dichtheid.................................. 70 4
4.1.2 Druk..................................... 70 4.1.3 Opwaartse kracht - Archimedes........................ 71 4.1.4 Hydraulische pers............................... 71 4.1.5 Luchtdruk.................................. 72 4.1.6 Maagdenburger halve bollen......................... 73 4.1.7 Poissons-factor................................ 73 4.2 Vloeistof dynamica.................................. 73 4.2.1 Continuïteit van stroming en debiet..................... 73 4.2.2 Bernouilli................................... 74 4.2.3 Toepassingen die steunen op de vergelijking van Bernouilli......... 74 4.2.4 Het uitstromen van een vloeistof door een opening in een vat....... 75 4.2.5 De stroming in een open kanaal (de Gauckler-Manning formule)..... 76 4.2.6 De overlaat................................. 76 4.2.7 Stroming door een buis (de Hagen-Poiseuille formule)........... 77 4.2.8 Zeilen.................................... 77 5 Warmteleer 80 5.1 Thermische energie................................. 80 5.2 Fase veranderingen................................. 80 5.3 Koken......................................... 81 5.4 Verdampen....................................... 81 5.5 Warmteoverdracht.................................. 82 5.6 Uitzetting...................................... 83 5.7 Warmtestraling.................................... 84 5.8 Warmtestraling - wet van Stefan-Boltzmann.................... 84 5.9 Toepassing: Stefan-Boltzmann........................... 85 5.10 Mol - Avogadro................................... 85 5.11 De ideale gaswet................................... 85 5.12 Standaard druk en standaard temperatuur..................... 86 5.13 De snelheid van een gasmolecule.......................... 86 5.14 Thermisch evenwicht................................ 87 5.15 Polytrope oestandsveranderingen.......................... 87 5.16 Eerste wet van de warmteleer............................ 88 5.16.1 Arbeid verricht door een gas........................ 88 5.16.2 Isobar.................................... 88 5.16.3 Isochoor................................... 89 5.16.4 Isotherm................................... 89 5.16.5 Adiabaat................................... 89 5.17 Tweede wet van de warmteleer........................... 90 5.18 Thermische motoren................................. 90 5.19 De Carnot-cyclus.................................... 91 5.20 De warmtepomp.................................... 91 5.21 Koelen en afkoelingstijd............................... 92 5
5.22 De derde wet van de warmteleer.......................... 92 5.23 Toepassingen op de warmteleer........................... 93 5.23.1 Waarom het kouder aanvoelt naarmate de windsnelheid toeneemt..... 93 5.23.2 De temperatuur van een planeet...................... 94 5.23.3 De invloed van het broeikaseffect op temperatuur op aarde........ 95 5.23.4 De gegevens van sterren........................... 96 5.23.5 Een warmtepomp om het huis te verwarmen................ 97 6 Een andere kijk op grootheden 98 6.1 Lengte........................................ 98 6.2 Golflengte...................................... 99 6.3 Massa........................................ 99 6.4 Snelheid....................................... 100 6.4.1 Definitie................................... 100 6.4.2 Geluidsnelheid................................ 100 6.4.3 Lichtsnelheid.................................. 101 6.5 Versnelling....................................... 101 6.6 Kracht........................................ 102 6.6.1 Definitie................................... 102 6.6.2 Stuwkracht.................................. 102 6.6.3 De kracht van licht............................. 102 6.6.4 Artificiële zwaartekracht........................... 103 6.7 Druk......................................... 103 6.8 Dichtheid....................................... 104 6.9 Temperatuur..................................... 105 6.10 Warmtegeleiding................................... 106 6.11 Vermogen...................................... 107 6
Lijst van tabellen 3.1 Analogie tussen rechtlijnige en cirkelvormige beweging............. 23 3.2 Weerstandscoëfficiënt van voorwerpen tov luchtstroming............ 29 3.3 Wrijvingscoëfficiënten van autobanden op het wegdek.............. 34 3.4 Traagheidsmomenten bij ronddraaiende beweging................ 49 3.5 Geluidsintensiteit - equivalent voor menselijke gehoor.............. 58 3.6 Gegevens van ons zonnestelsel........................... 63 4.1 Weerstanden van een klassieke zeilboot...................... 78 5.1 Warmtegeleidingscoëfficiënt van enkele materialen................ 83 6.1 Lengtes van klein naar groot............................ 98 6.2 Massa s van klein naar groot............................ 99 6.3 Snelheden van klein naar groot.......................... 100 6.4 Versnellingen van klein naar groot......................... 101 6.5 Drukken van klein naar groot........................... 104 6.6 Dichtheden van klein naar groot.......................... 104 6.7 Temperaturen van klein naar groot........................ 105 6.8 Warmtegeleidingscoëfficiënten van klein naar groot............... 106 6.9 Vermogens van klein naar groot.......................... 107 7
Lijst van figuren 1.1 Vectoren....................................... 9 1.2 Samenstellen van vectoren met zelfde aangrijpingspunt............. 10 1.3 Samenstellen van evenwijdige vectoren....................... 11 2.1 Steunpunten..................................... 13 2.2 Moment en koppel................................. 14 2.3 Evenwicht van een hefboom............................ 15 2.4 Balk belast met één puntlast........................... 16 2.5 Balk belast met meerdere puntlasten....................... 17 2.6 Evenwicht van een lier............................... 18 3.1 Rechtlijnige beweging in xy-assenstelsel...................... 21 3.2 Horizontale worp.................................. 27 3.3 Auto in een hellende bocht............................. 33 3.4 Roller coaster.................................... 36 3.5 Snelheid van een kogel............................... 44 3.6 Botsing onder hoek................................. 46 3.7 Vectoriëel product van vectoren.......................... 52 3.8 Hoekversnelling van een wiel............................ 55 3.9 Aantrekkingskracht van hemellichamen...................... 62 3.10 Sinusoïde...................................... 66 3.11 Slinger........................................ 68 4.1 Principe van de hydraulische pers.......................... 71 4.2 Overlaat....................................... 77 5.1 De toestandsveranderingen in het pv-diagram.................. 87 8