Voor een profielwerkstuk over de aarde www.aarde nu In opdracht van: Vrije Universiteit Amsterdam Universiteit van Amsterdam Technische Universiteit Delft Universiteit Utrecht Wageningen Universiteit Teksten: Hans van Bemmel Illustraties: Bart Groeneveld Foto s: Technische Universiteit Delft, Universiteit Utrecht, Wageningen Universiteit, Universiteit van Amsterdam, Vrije Universiteit Amsterdam, Floris Bijlsma Ontwikkeling en realisatie: PODIUM Bureau voor educatieve communicatie bv, Utrecht Vormgeving: Duotone grafisch ontwerpers, Utrecht Drukwerk: Hooiberg, Epe Uitgave: september 2001 c o l o f o n w w w. a a r d e. n u Tweede Fase havo/vwo Leerlingenboekje natuurkunde
i n h o u d www.aarde.nu Wat is www.aarde.nu? Wat biedt dit boekje? 2 Onderwerpkeuze en studies van de aarde 3 Lijst met onderwerpen die aansluiten op natuurkunde 3 Olie. Zoektocht naar het zwarte goud 4,5,6 Knetterende luchten 7,8,9 Pinkpop laat de aarde trillen 10,11 Wat is www.aarde.nu? De site www.aarde.nu is een handig hulpmiddel bij het maken van je profielwerkstuk voor het vak natuurkunde. De site biedt een serie zeer afwisselende onderwerpen over de aarde, die op een heldere manier in beeld worden gebracht. Veel van deze onderwerpen sluiten heel goed aan bij natuurkunde. Bij elk onderwerp krijg je een aantal aanknopingspunten zoals mogelijke uitwerkingen en een lijst met relevante sites en andere bronnen. Bovendien kun je via e-mail vragen stellen aan medewerkers van de vijf aardwetenschappelijke opleidingen, die gespecialiseerd zijn in één van de onderwerpen van www.aarde.nu Wat biedt dit boekje? In dit boekje zijn drie onderwerpen uitgewerkt die ook op de site staan: oliewinning, knetterende luchten en aardbevingen in Nederland. Deze onderwerpen sluiten goed aan bij het vak natuurkunde en bieden bovendien onderzoeksmogelijkheden die je zelf kunt uitvoeren op of om de school. Bij elk onderwerp vind je onderzoeksvragen, deelvragen en experimenten die je kunt gebruiken voor je profielwerkstuk. Win een Expeditie IJsland Stuur je profielwerkstuk over de aarde op en je maakt kans op een avontuurlijke reis naar IJsland. Tijdens deze aardwetenschappelijke reis ontdek je geisers, vulkanen, gletsjers en spectaculaire watervallen. Alleen geschikt voor echte avonturiers! Van de ingezonden profielwerkstukken worden de tien beste beloond met deze prijs. Meer hierover lees je op www.aarde.nu. Onderwerpen op de site die aansluiten op het vak natuurkunde Plaattektoniek De aarde in beweging Het klimaat Koukleumen of opwarmen? Zijn stenen eetbaar? Van steen tot aarde Vulkanisme Een reis naar het binnenste van de aarde El Niño Het voorspellen van een verwoestend weerfenomeen De mythe van de mat Los het probleem op van de grasmat in het voetbalstadion Knetterende luchten De natuurkunde achter donder en bliksem Het Aralmeer droogt op Is deze ecologische ramp nog te stoppen? Fractals in de geologie Chaos beschrijven met fractals Mineralen en gesteenten Bouwstenen van de aarde De bodem als afvalverwerker Het zelfreinigend vermogen van de bodem Natuurontwikkeling in de uiterwaarden Nederland moet groener en natter Aardbevingen in Nederland Pinkpop laat de aarde trillen Indianenverhalen Geoarcheologie op Guadeloupe Drinkwater in Nederland Water in overvloed, maar kwaliteit? De elementen spreken Isotopen geven inzicht in de ouderdom van de aarde Zink Een waardevol metaal Oliewinning Zoektocht naar het zwarte goud Drinkwater uit grond, rivier of zee Hoe komen we aan voldoende water? Als je kiest voor een profielwerkstuk over de aarde Als je verder wilt met olie, knetterende luchten of Pinkpop, dan vind je in dit boekje volop mogelijkheden. Wil je iets anders, maar wél verder met een onderwerp over de aarde, dan surf je naar www.aarde.nu! Op deze pagina vind je een overzicht met alle onderwerpen die aansluiten op het vak natuurkunde. Bespreek voor je aan je profielwerkstuk begint altijd eerst alles goed met je docent! Hij of zij kan je aan verschillende materialen of bronnen helpen. Studies van de aarde Wat zijn oorzaken en gevolgen van klimaatveranderingen of natuurrampen? Hoe maken we duurzaam gebruik van de grondstoffen die de aarde herbergt? De aardbol is het werkterrein van de aardwetenschapper, wereldvraagstukken zijn takenpakket. Toekomst, heden en verleden worden tot op de bodem onderzocht. Aardwetenschappelijke opleidingen worden in ons land door vijf universiteiten aangeboden. Iedere opleiding benadert de aarde vanuit een eigen invalshoek en met een eigen karakter. Waar je echter ook een aardwetenschappelijke opleiding volgt, centraal staat het onderzoek naar de activiteiten in, op en om onze aarde. Alle opleidingen hebben als doel te komen tot nieuwe inzichten over de samenstelling en werking van onze planeet. Een opleiding aardwetenschappen sluit aan bij de profielen Natuur & Techniek en Natuur & Gezondheid. Aardwetenschappen zijn toegepaste studies; je kennis uit de vakken natuurkunde, scheikunde, biologie, wiskunde en soms aardrijkskunde vormen de bouwstenen. 2 3
Oliewinning Zoektocht naar het zwarte goud De eerste olievelden waren niet moeilijk te vinden. De olie borrelde vanzelf omhoog. In het begin van de twintigste eeuw kon een oliemaatschappij nog zo redeneren: In het tropisch regenwoud van Indonesië is olie gevonden. Cuba heeft een soortgelijk landschap en klimaat, dus daar zal ook wel olie zijn. We ruilen een deel van onze rechten om olie te winnen in Europa met het recht om op Cuba olie te winnen. Dit bleek geen goede redenering te zijn. Het is veel meer van belang hoe het gebied zich over heel lange tijd heeft ontwikkeld dan hoe het er nu uitziet. Je zult moeten onderzoeken hoe de ondergrond is opgebouwd. Dat doen alle oliemaatschappijen tegenwoordig voordat ze ergens rechten kopen. Je kunt berekenen wat je meet als je in een bepaald punt een explosie laat ontstaan, op verschillende plaatsen ontvangers zet en registreert welke golven terugkeren van een bepaalde laag in de ondergrond. Maak bijvoorbeeld een computersimulatie van beide onderstaande situaties uit afbeelding 1, met respectievelijk een horizontale (a) en een geknikte laag (b). Daarbij is het van belang dat onder een geknikte laag mogelijk een oliereservoir zit! a Je kunt de seismische metingen niet echt doen. Maar je kunt het idee van seismiek wel nabootsen door geluidsgolven te laten ontstaan in een gymzaal, waarin een kast op zo n 5 meter van de bron staat, en waarbij nog 10 meter verder een muur is. Je vangt het geluid op en registreert het met behulp van een computer (bijvoorbeeld met Coach5). De kunst is uit de gegevens de afstand tot de kast en tot de muur te reconstrueren. Voor vragen kun je terecht bij de contactpersoon van de TU-Delft (kijk hiervoor op www.aarde.nu). Onderzoeksvraag 2 Welke parameters bepalen hoeveel van de olie die in de grond zit winbaar is? b Welke onderwerpen uit het vak natuurkunde komen in dit onderzoek terug? Energie Wrijvingskracht Druk Deelvragen die aansluiten op de onderzoeksvraag - Hoeveel olie past tussen de korrels van verschillende grondsoorten? - Hoeveel olie blijft aan de korrels plakken? - Hoe snel stroomt olie uit een vat en door een pijp? - Hoe werkt een jaknikker? Onderzoeksvraag 1 Welke methoden kun je gebruiken om na te gaan of de bodem olie bevat? Welke onderwerpen uit het vak natuurkunde komen in dit onderzoek terug? Elektrische weerstand Golven en trillingen Deelvragen die aansluiten op de onderzoeksvraag - Is er een verschil in elektrische weerstand tussen grond met water en grond met olie? - Is het mogelijk uit de weerkaatsing van golven te leren hoe de aardlagen lopen? - Hoe groot is de golfsnelheid in verschillende materialen? aarde wisselspanning over elk bekerglas ontstaan. Meet de spanning en de stroomsterkte. Hoe groot is Experiment: elektrische weerstand De elektrische methode om iets over de bodem te leren kun je nabootsen. Doe dit wel in overleg met je docent. Neem lage spanningen (<20 V). Wees extra voorzichtig met knoeien. Zorg dat de elektrische apparatuur niet nat wordt. Je voedingskastje is op de netspanning aangesloten! Neem twee identieke bekerglazen. Vul ze met hetzelfde zand. Doordrenk het ene bekerglas met slootwater, het andere met slaolie. Breng bij elk glas elektrodes aan en laat voorzichtig een het verschil in weerstand tussen beide grondsoorten? Op dit thema kun je variëren: neem verschillende soorten zand en verschillende soorten water en olie. Op de site vind je hoe deze methode in de praktijk van het zoeken naar olie wordt toegepast. Experiment: golven Olie en gas hebben de neiging op te stijgen. Dit komt doordat ze een kleinere dichtheid hebben dan water. Om een oliereservoir te laten ontstaan, is een ondoordringbare laag nodig die de olie en het gas insluit. Zoek op de zoekmachine van de site www.howstuffworks.com op oil. Hier vind je plaatjes van verschillende manieren waarop zo n insluiting kan ontstaan. Het zoeken naar zulke structuren in de aarde gebeurt met behulp van seismiek. Men laat daarbij golven ontstaan in de grond en analyseert vervolgens de voortplanting van die golven. Afbeelding 1, Een seismische meting. Bij een geknikte laag (met mogelijk een oliereservoir) zal bij een explosie in de ondergrond de terugkeer van een golf (t) langer duren. Experiment: vloeistof uit een vat Als een vloeistof uit een gat in de wand van een vat stroomt, is het theoretisch verband tussen de uitstroomsnelheid (v) en de hoogte (h) van de vloeistof in het vat v= 2gh (waarbij g = 9,8 m/s2). Je kunt controleren of dat in theorie klopt door naar de zwaarte-energie en de kinetische energie te kijken. Je kunt dit verband experimenteel verifiëren door te kijken naar de hoogte van de vloeistof als functie van de tijd, of door te kijken hoe ver van het gat de vloeistof neerkomt. Hoe sneller het gaat, hoe verder het komt, omdat de horizontale beweging wordt bepaald door de beginsnelheid, en de verticale snelheid door de zwaartekracht (zie afbeelding 2). Afbeelding 2 Is de stand in een vat lager, dan is de druk lager en de uitstroomsnelheid dus ook. Olie moet door pijpleidingen worden vervoerd. Ook bij de winning moet de olie stromen door poriën in de grond. Daarom kijken we naar twee problemen die samenhangen met de stroming van vloeistoffen. 4 5
Experiment: vloeistof door een buis Als je olie onder een bepaalde druk p hebt, en je laat die door een buis stromen, zal de hoeveelheid olie die er per seconde doorstroomt (aangegeven met q) afhangen van de lengte l en van de diameter d van die buis, πd volgens q= 4 p 128ηl. Dat het de vierde macht van de diameter is, komt doordat de hoeveelheid die er per seconde doorgaat gelijk is aan de oppervlakte van de doorsnede maal de snelheid van de vloeistof. En die snelheid hangt af van de diameter. Ook is de hoeveelheid omgekeerd evenredig met de lengte. Het kost meer moeite om olie door een langere buis te laten stromen (zie afbeelding 3). De hoeveelheid die er doorkomt is verder evenredig met het drukverschil tussen beide uiteinden. Ten slotte speelt de stroperigheid een rol, die wordt weergegeven door η. Deze verbanden kun je experimenteel onderzoeken. Je kunt de proef herhalen met buizen gevuld met zand. Zo boots je na wat er onder de grond gebeurt als de olie naar de put toestroomt. Het drukverschil maak je met een vloeistofkolom die je op constante hoogte houdt, zodat p constant is (je moet er dus op een constante snelheid vloeistof in gieten). Een laatste punt waar je op moet letten is dat de vloeistof rustig door de buis stroomt. De formule hierboven gaat niet op voor turbulente stroming. Kijk op www.aarde.nu voor meer onderzoeksmogelijkheden. Afbeelding 3 Buis van lengte l en met diameter d. De vloeistof in de kolom links (h) zorgt voor een constante druk. Experiment: jaknikker Je ziet nog wel eens een waterpomp in een oud dorp. In ontwikkelingslanden moet water vaak nog steeds door de gebruikers zelf worden opgepompt. In wc s vind je steeds vaker vloeibare zeep in een flesje met een pompje, dat is hygiënischer dan de blokken zeep die er vroeger lagen. Je kent misschien ook het pompje dat wordt gebruikt om de lucht in een halfvolle fles wijn weg te halen, zodat de wijn langer goed blijft. Olie komt soms vanzelf omhoog, maar je kunt de olie wel een handje helpen: een jaknikker is ook een pomp. Stel je voor dat je een vuilnisemmer zonder bodem door een buis met olie naar beneden duwt (afbeelding 4). De klep zal dan openstaan en er komt olie boven de emmer te staan. Als je hem weer ophijst, gaat de klep dicht door de druk van de olie aan de bovenkant van de emmer. Past de emmer precies in de buis, dan zal de olie niet naar beneden kunnen. Je hijst olie op en zorgt daardoor automatisch voor een onderdruk onder de emmer, waardoor er olie uit de grond naar de buis toestroomt. Dit is het principe van een jaknikker. Als je op de zoekmachine van www.howstuffworks.com zoekt naar oil, vind je een afbeelding. Haal, om de werking beter te begrijpen, bijvoorbeeld het pompje van handzeep uit elkaar. Of een pompje dat zorgt voor onderdruk in een halfvolle wijnfles, of een fietspomp. Als je een jaknikker nabouwt, kun je de prestaties van jouw ontwerp onderzoeken: hoeveel olie pompt het apparaat per minuut omhoog, hoeveel hoogteverschil kun je overbruggen? Kijk op www.aarde.nu voor meer onderzoeksmogelijkheden! Afbeelding 4 Principe van een jaknikker door middel van een vuilnisemmer zonder bodem ww.aarde.nu Knetterende luchten De natuurkunde achter donder en bliksem De eiken zult ge wijken, de boeken zult ge zoeken, luidt een oud spreekwoord. In The Flying Circus of Physics (Jearl Walker, John Wiley & Sons) wordt het uitgelegd, wat allereerst aantoont dat de oude wijsheid niet alleen in Nederland bekend is. De verklaring is dat een beuk gladder is dan een eik. Daardoor is een beuk sneller helemaal nat in de regen. De stroom van inslaande bliksem kan dan door dat waterlaagje op de bast naar beneden gaan. Bij een nog droge bast moet de stroom door de boom heen. De sappen worden dan zo snel heet dat de boom min of meer ontploft. Daar moet je niet naast staan! Dat ontploffen komt bij eiken eerder voor dan bij beuken, omdat de ruwe bast minder snel van boven tot onder doorweekt is. Als je zelf nat bent, zodat de stroom van een in jou slaande bliksem door het waterlaagje kan worden afgevoerd, loop je ook minder gevaar dan als je droog bent en de stroom door jou heen moet. Het geleidend zijn van de metalen buitenkant is ook het geheim achter het feit dat vliegtuigen, raketten en auto s veilig zijn om in te zitten bij een onweer. Als de bliksem inslaat gaat de stroom weg via de wand, niet via het lichaam van een inzittende. Onderzoeksvraag 1 Hoe ontstaan bliksem en vonken? Welke onderwerpen uit het vak natuurkunde komen in dit onderzoek terug? Lading Elektrisch veld Röntgenstraling Deelvragen die aansluiten bij de onderzoeksvraag - Bij welk potentiaalverschil ontstaan vonken bij een Van de Graaffgenerator? - Bij welk potentiaalverschil ontstaan vonken bij een Kelvindruppelaar? - Kun je met scherpe voorwerpen bepalen waar de vonken naartoe gaan? - Hoe schadelijk zijn vonken voor de mens? - Welke potentiaalverschillen bestaan er in de lucht? 6 7
aarde.nu Benjamin Franklin wilde laten zien dat bliksem elektrisch van aard is. Hij liet een vlieger op bij naderend onweer. Hij schrijft dat je jezelf wel moet isoleren van de draad: To the end of the twine, next to the hand, is to be tied a silk ribbon [ ] the person who holds the string must stand within a door or window or under some cover, so that the silk ribbon may not be wet; and care must be taken that the twine does not touch the frame of the door or window. Experiment met vonken Franklins experiment is veel te gevaarlijk om na te doen. Maar vonken maken is niet zo gevaarlijk: hoewel je hoge spanningen kunt maken, is de totale lading altijd klein. Bereken hoe groot de stroom zal zijn bij het door jou gebruikte apparaat. Een ontlading via een vonk voel je als een tik, maar er loopt niet langdurig een grote stroom. Denk ook na over straling: de elektronen die met veel energie inslaan, kunnen andere elektronen vrijmaken. Als vervolgens andere elektronen naar de vrijgekomen energietoestand gaan, kan zelfs röntgenstraling vrijkomen. Daarom is een bepaald apparaat om vonken te maken, de Rumkorff, tegenwoordig op school verboden. De apparaten die hier worden genoemd kunnen geen kwaad, maar maak niet érg lang érg veel vonken. Maak een schatting van de hoeveelheid straling die vrijkomt in vergelijking met de natuurlijke achtergrondstraling of de straling van een beeldscherm. Met een Van de Graaffgenerator of een Kelvindruppelaar, die in één van de bronnen van de documentatielijst van www.aarde.nu beschreven staat, kun je hoge potentiaalverschillen maken. Hiermee kan je onderzoeken hoe vonken naar andere voorwerpen overspringen. Probeer een antwoord te vinden op de volgende vragen: - Hoe hoog moet het potentiaalverschil zijn om vonken over te laten springen? - Hoe sterk is het elektrisch veld op het punt waar de vonk ontstaat? - Hoe ver komt een vonk? - Hoe hangt dit alles af van de luchtvochtigheid? - Werkt een spitse punt als bliksemafleider? - Is er een verband tussen hóe spits een punt is en hoe ver deze van de generator kan worden gehouden? Experiment: potentiaalverschillen in de lucht In het eerste experiment wordt beschreven dat potentiaalverschillen leiden tot vonken. Je zult ook ontdekken dat grote potentiaalverschillen nodig zijn om vonken van honderden meters te krijgen, zoals bij bliksem. Met dit experiment meet je potentiaalverschillen in de lucht. Tussen de lucht ter hoogte van je hoofd en de lucht bij de grond bestaat een potentiaalverschil dat ongeveer net zo groot is als dat van een stopcontact. Dit is niet schadelijk, er gaat geen stroom door je heen lopen. Een persoon, of eigenlijk elk voorwerp dat op de grond staat, verandert de equipotentiaalvlakken rond de aarde: het hele lichaam neemt de potentiaal van de aarde aan, er is geen potentiaalverschil tussen je hoofd en je voeten. Het elektrisch veld binnen in het lichaam is nul. Dit komt doordat het lichaam een geleider is (zie afbeelding 1). Hoe de potentiaal afhangt van de hoogte boven de grond kun je meten. Het idee voor deze proef komt uit De Natuurkunde van het Vrije Veld van Minnaert 1. Je houdt een elektroscoop op de grond en verbindt een geleidende draad met isolatiemateriaal eromheen (een gewoon snoer dus) met de knop van de elektroscoop. Houd het andere uiteinde hoog in de lucht (zie afbeelding 2). Zorg dat de stok waarmee je de draad omhoog houdt een goede isolator is. Laat bij het bovenste uiteinde een kaars branden om de lucht goed geleidend te maken. De uitslag van de blaadjes van de elektroscoop geeft aan hoe hoog de spanning is. Als je een elektroscoop met schaalverdeling hebt, kun je dit kwantitatief maken. Zo kun je onderzoeken hoe het potentiaalverschil afhangt van de weersomstandigheden, zoals de luchtvochtigheid. Je kunt de elektroscoop ook zelf ijken: leg bekende spanningen aan en meet de uitslag. Meet ook boven iemands hoofd, en onderzoek of de potentialen inderdaad door personen en voorwerpen worden veranderd. Onderzoeksvraag 2 Wat vertellen foto s over het ontstaan van vonken en bliksem? Welke onderwerpen uit het vak natuurkunde komen in dit onderzoek terug? Atoomfysica Spectra Deelvragen die aansluiten bij de onderzoeksvraag - Welke kleur hebben vonken en bliksem? - Wat is de vorm van een bliksemflits? - In welke stappen vormt een bliksemflits zich? Afbeelding 2 Het meten van potentiaalverschillen (doe dit niet bij onweer!) verzamelen door een lange belichtingstijd te nemen. Je ziet de kleuren dus wel op de foto. Bij bliksem gaat het niet om te weinig licht, maar gaat alles te snel om goed op de kleur te kunnen letten. Een foto kun je nog eens wat langer bekijken. Maak je eigen foto s Bliksem kan verschillende kleuren hebben. De kleur hangt af van de stoffen die in de buurt zijn. De atomen van die stoffen worden aangeslagen door de ontlading. Ze zenden daarna hun karakteristieke straling uit. De aanwezigheid van waterdamp kan tot rode bliksem leiden. Als er alleen zuurstof en stikstof is, is de bliksem wit. Dit kun je onderzoeken door zelf foto s te maken. Ook andere lichtverschijnselen kun je zo onderzoeken, zoals de vonken van vuurstenen, de vonken die je zelf maakt met een Kelvindruppelaar, het Sint Elmusvuur (een voortdurende zwakgloeiende ontlading bij spitse voorwerpen, misschien ken je een plaats waar het voorkomt) en het Noorderlicht. En ken je die glazen bollen waar ontladingen doorheen lopen, waarvan je het patroon kunt veranderen door je hand op het glas te leggen? Wat voor kleur hebben deze ontladingen? Welke gassen zitten er in de bol? Afbeelding 1 Potentiaalverschillen Het maken van een kleurenfoto kan onthullend zijn. Je kunt kleuren zien die je met het blote oog niet ziet. Dit is bijvoorbeeld zo als je de sterrenhemel fotografeert. De sterren geven maar zwak licht. Je ziet ze wel, maar alleen met de staafjescellen. Die zien zwart-wit. De kegeltjescellen, die gevoelig zijn voor kleur, hebben meer licht nodig. Daarom zie je in de schemering alles zwart-wit en zie je bijna alle sterren als wit. Maar een kleurenfilm heeft geen staafjes en kegeltjes, en je kunt licht 1 De Natuurkunde van het Vrije Veld, Minnaert, Thieme, Zutphen Je kunt ook het patroon van de bliksem of van de vonken bestuderen. Kinderen tekenen een bliksem als een regelmatige zigzaglijn, heel anders dan op foto s. Een speciale uitdaging is het zelf fotograferen van de verschillende stappen van de bliksem. Dit kan met een ronddraaiende camera. Technisch een hele toer, maar in het blad NVOX (1997 nummer 2) kun je lezen hoe het een groepje leerlingen is gelukt! 8 9
Aardbevingen in Nederland Pinkpop laat de aarde trillen Onderzoeksvraag 2 Welke frequenties komen voor in een signaal? Hoe gevaarlijk is Pinkpop? Niet gevaarlijk, daarvoor is het publiek niet talrijk genoeg. En als alle Chinezen tegelijk van een podium afspringen? In The Flying Circus of Physics (Jearl Walker, John Wiley & Sons) heet het het geofysische wapen : als alle Chinezen tegelijk van twee meter hoogte naar beneden zouden springen, zouden ze aardschokken opwekken. Als ze dat in het juiste ritme zouden herhalen, zouden ze kunnen zorgen dat de golven elkaar bijvoorbeeld in een stad in Amerika zouden versterken, zodat deze stad vernietigd zou worden. Onderzoeksvraag 1 Hoe bepaal je de kracht van een aardbeving en de plek waar deze plaatsvond? Welke onderwerpen uit het vak natuurkunde komen in dit onderzoek terug? Zwaarte-energie Voortplanting van golven Het onderzoek sluit goed aan op het profiel Natuur & Techniek. Afbeelding 1 Uit welke richting komt het signaal? ww.aarde.nu Deelvragen die aansluiten bij de onderzoeksvraag - Hoe krachtig zijn de schokken die vallende voorwerpen veroorzaken? - Hoe nauwkeurig kun je met je gehoor de richting vaststellen van waaruit geluid komt? - Hoe nauwkeurig kan dat met apparatuur? Experiment: hoe sterk is het signaal? Hoe krachtig is een kernproef, een vuurwerkramp, het gespring van het publiek op Pinkpop? Om te bepalen wat de kracht van zoiets is moet je niet alleen de amplitude van het signaal weten, maar ook de afstand tussen de bron van het signaal en het waarnemingspunt. Bij Pinkpop (in Landgraaf) is die afstand tot het KNMI elk jaar hetzelfde. De band met het hoogste signaal laat het publiek het heftigst meespringen met de muziek. Uitvoering In de volgende proeven die je zelf kunt doen, meet je de amplitude van het signaal. Dit kan met een microfoon en een oscilloscoop, maar een geluidsensor die is aangesloten op een computer is handiger omdat je het signaal dan kunt bewaren en analyseren. Wat kun je meten? Hier volgen enkele ideeën voor proeven: Laat een kogeltje van verschillende hoogtes op een metalen plaat vallen. De theorie zegt dat de zwaarte-energie is gelijk aan mgh. Is de hoogte van je piek evenredig met de hoogte? Of wellicht meer dan evenredig? Of gaat er bij grotere hoogtes meer energie verloren aan wrijving met de lucht? (je kunt bijvoorbeeld met een stroboscopische foto controleren of het kogeltje een constante versnelling houdt, of dat die minder wordt door wrijving). Houd de hoogte constant, maar neem kogeltjes van verschillende massa. - Vergelijk een metalen, houten, plastic, rubberen en stoffen ondergrond. - Vervang de kogeltjes door een kletterende waterstraal. - Varieer de afstand tussen bron en sensor. Experiment: uit welke richting komt het signaal? Je kunt van een geluid dat je hoort bepalen uit welke richting het komt. Je interpreteert namelijk het tijdsverschil waarmee signalen in je beide oren aankomen. Als het geluid recht van voren komt, is er geen verschil. Maar komt het van rechts, is het eerder bij je rechteroor dan bij je linkeroor. Onder water lijkt al het geluid van voren te komen. In water gaat geluid heel snel, dus ook als het geluid van opzij komt is er maar een heel klein tijdsverschil. Daardoor is je gevoel voor de richting waar het geluid vandaan komt verstoord. Uitvoering Op de site www.aarde.nu vind je een analyse waarbij van de waargenomen trillingen wordt bepaald uit welke richting het signaal kwam. Deze is nodig bij het bepalen van het episch centrum van een aardbeving. Hier wordt dit principe besproken aan de hand van geluidsgolven. In De Natuurkunde van het Vrije Veld van Minnaert 1 wordt een proef beschreven waarmee je kunt bepalen hoe nauwkeurig je gehoor de richting waarneemt. Begin met in een open ruimte iemand steeds in zijn handen te laten klappen, op zo n 15 meter afstand, terwijl jij met je ogen dicht steeds je hoofd zo goed mogelijk zo houdt dat je neus naar het geluid wijst. Uiteraard moet je de proef herhalen met een andere richting, en met andere personen. En degene die klapt moet wegsluipen, zodat je zijn route niet kunt volgen. In de praktijk worden aardbevingen gelokaliseerd door het snijpunt van de waarnemingen van meerdere stations. Laat nu iemand in de handen klappen en laat twee, of nog beter drie andere personen met de neus de richting aanwijzen. Als het goed is wordt de bepaling steeds nauwkeuriger. Je kunt onderzoeken hoe goed je dit systeem kunt nabouwen met twee microfoons, die op een oscilloscoop zijn aangesloten. Als de bron in het verlengde van de lijn tussen de twee microfoons ligt, is het tijdsverschil tussen de twee gemeten pulsen maximaal. Als je de microfoons draait, met behoud van de onderlinge afstand, zal het tijdsverschil nul zijn op het moment dat de verbindingslijn tussen de microfoons loodrecht staat op de richting naar de geluidsbron. Beide proeven, met het menselijk gehoor en met de oscilloscoop, kun je herhalen met een constante toon in plaats van een klap. Het gaat er dan om of er een faseverschil is tussen de twee waarnemingen. Er is één bron, dus als er bij aankomst een faseverschil is, ligt dat aan een afstandsverschil. Wie is beter in het herkennen van de richting waaruit een puls komt, jij of de oscilloscoop? En wie wint het bij een constante toon van één enkele frequentie? Wat is de nauwkeurigheid van gehoor en apparatuur, uitgedrukt in graden? Er zijn computerprogramma s die een gegeven signaal op deze manier analyseren, bijvoorbeeld binnen Coach5, dat op veel scholen wordt gebruikt. Als je dit programma tot je beschikking hebt, kun je met een geluidsensor een signaal opnemen en zelf onderzoeken welke frequenties erin voorkomen. Onderzoek bijvoorbeeld: het tikken van een wekker; gefluit (met de mond, op de vingers); het geluid dat een bierflesje voortbrengt als je er overheen blaast; lang aangehouden klinkers (gezongen of gesproken); het piepen van een krijtje op het bord (afhankelijk van de snelheid waarmee je beweegt, de grootte van het krijtje en de hoek waaronder je het bord raakt); de klank die verschillende glazen voortbrengen als je over de rand wrijft; het geluid van een regenbui op een golfplaat; een knal, gong, klok, gitaar of blokfluit. Het kan ook andersom. Een apparaat waarmee je frequenties kan mengen is een synthesizer. Je kunt bijvoorbeeld proberen: bij een toon de dubbele, driedubbele of vierdubbele frequenties bij te mengen. Dit zou moeten gaan klinken als een snaarinstrument. Je kunt natuurlijk met verschillende amplitudes bijmengen; bij een toon de driedubbele, vijfdubbele of zevendubbele frequenties bij te mengen. Klinkt het als een blaasinstrument?; klinkers na te maken; alle frequenties te mengen met dezelfde amplitude. Hoe omschrijf je het geluid?; alle frequenties te mengen, maar daarbij de amplitudes evenredig te nemen met 1. Ken je dit geluid ergens van? f 1 De Natuurkunde van het Vrije Veld, Minnaert, Thieme, Zutphen Welke onderwerpen uit het vak natuurkunde komen in dit onderzoek terug? Golven en geluid Frequentie Het onderzoek sluit aan op het profiel Natuur & Techniek. Deelvragen die aansluiten bij de onderzoeksvraag - Welke frequenties komen voor in bekende geluiden? - Hoe kun je bekende geluiden namaken? Onderzoeksmogelijkheid Experiment: het meten en het maken van geluiden Geluid van één enkele frequentie klinkt als een zuivere toon. Muziekinstrumenten klinken zoals ze klinken doordat bij elke toon ook boventonen meeklinken, in een mate die karakteristiek is voor dat instrument. Elke klinker die een menselijke stem produceert, is opgebouwd uit drie hoofdfrequenties. Het mengen van tonen in verschillende verhoudingen kan allerlei soorten geluid opleveren, zelfs geruis of korte tikken. Uitvoering Bij het analyseren van de bewegingen van de aarde tijdens Pinkpop kijkt het KNMI onder andere in hoeverre het publiek bij een bepaalde band in de maat meespringt. Als iedereen maar wat door elkaar doet, zie je in een diagram waarin de amplitude staat uitgezet tegen het aantal beats per minuut een patroon waarin alle aantallen beats per minuut, dus alle frequenties, een beetje voorkomen. Als iedereen goed in de maat meespringt, is de amplitude bij een bepaald aantal beats per minuut heel groot, en bij de rest klein. Je ziet op onderstaande afbeelding (waarvan je ook voorbeelden vindt op de site van het KNMI via www.aarde.nu) dat eerst de amplitude als functie van de tijd wordt opgenomen. Daarna wordt dit patroon geanalyseerd en volgt een plaatje waarin de amplitude tegen het aantal beats per minuut, dus tegen de frequentie wordt uitgezet. Uit een gegeven signaal het frequentiespectrum bepalen heet `het doen van een Fourieranalyse`, genoemd naar een Fransman uit de achttiende eeuw die deze methode ontwikkelde om warmtestroming te kunnen bestuderen. Afbeelding 2 Amplitude als functie van tijd (a) en amplitude tegen het aantal beats per minuut (b) 10 11