Wat schuift het? Andre Heck Ron Vonk (AMSTEL Instituut, UvA)

Vergelijkbare documenten
Een kogel die van een helling afrolt, ondervindt een constante versnelling. Deze versnelling kan berekend worden met de formule:

jaar: 1989 nummer: 17

jaar: 1990 nummer: 06

Examen VWO. Wiskunde B Profi

Naam: Klas: Practicum veerconstante

Opgave 1 Bestudeer de Uitleg, pagina 1. Laat zien dat ook voor punten buiten lijnstuk AB maar wel op lijn AB geldt: x + 3y = 5

Introductie Coach 6 videometen. 1 Eerste oefening

Videometen. Start het programma COACH. Je krijgt dan een scherm te zien zoals weergegeven in nevenstaande afbeelding.

Naam: Klas: Practicum: de maximale snelheid bij rennen en de maximale versnelling bij fietsen

Samenvatting Natuurkunde Hoofdstuk 1

Mkv Dynamica. 1. Bereken de versnelling van het wagentje in de volgende figuur. Wrijving is te verwaarlozen. 10 kg

Samenvatting Natuurkunde Syllabus domein C: beweging en energie

Eindexamen vwo wiskunde B pilot 2014-I

In het internationale eenhedenstelsel, ook wel SI, staan er negen basisgrootheden met bijbehorende grondeenheden. Dit is BINAS tabel 3A.

Videometen met Coach Kennismaking Resultaten verwerken De meting voorbereiden Resultaten verwerken 2...

BIOFYSICA: WERKZITTING 1 (Oplossingen) KINEMATICA

Bergtrein. Figuur 2 staat ook op de uitwerkbijlage. a. Bepaal de afstand die de trein op t = 20 s heeft afgelegd.

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 29 juni Nummer vragenreeks: 1


Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

Videometen met Coach7

Als l groter wordt zal T. Als A groter wordt zal T

Dit tentamen bestaat uit vier opgaven. Iedere opgave bestaat uit meerdere onderdelen. Ieder onderdeel is zes punten waard.

Examen VWO. wiskunde B. tijdvak 2 woensdag 19 juni uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Parabolen uit de zeeleeuwen Thomas Hilger Gymnasium Maria Königin, Lennestadt Duitsland (Vertaling: L. Sialino)

Hoe hangt een Slinky?

Eliminatie van parameters en substitutie met computeralgebra

Introductieles Videometen met Coachthuis

Wiskunde - MBO Niveau 4. Eerste- en tweedegraads verbanden

Eindexamen natuurkunde 1-2 compex vwo 2007-I

Juli blauw Vraag 1. Fysica

1 Middelpunten. Verkennen. Uitleg

6. Toon aan dat voor alle 2]0; ß [ geldt dat sin <<tan Onderstel dat de functie f afleidbaar in ]a; +1[ is en dat Toon aan dat!+1 f ) = A.!+1 f

V Kegelsneden en Kwadratische Vormen in R. IV.0 Inleiding

vwo wiskunde b Baanversnelling de Wageningse Methode

De parabool en de cirkel raken elkaar in de oorsprong; bepaal ook de coördinaten van de overige snijpunten A 1 en A 2.

TENTAMEN DYNAMICA (140302) 29 januari 2010, 9:00-12:30

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica juli 2018: algemene feedback

Havo3. Op tijd van huis. Hoofdstuk 1, lineaire verbanden Chr. Scholengemeenschap Buitenveldert drs.ir. H.J. Hollander

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Biomedische Technologie, groep Cardiovasculaire Biomechanica

NAAM:... OPLEIDING:... Fysica: mechanica, golven en thermodynamica PROEFEXAME VA 3 OVEMBER 2009

Examen HAVO. wiskunde B. tijdvak 1 donderdag 9 mei uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Theorie: Het maken van een verslag (Herhaling klas 2)

Eindexamen vwo wiskunde B 2014-II

Wiskunde - MBO Niveau 4. Eerste- en tweedegraads verbanden

Practicum algemeen. 1 Diagrammen maken 2 Lineair verband en evenredig verband 3 Het schrijven van een verslag

Fysica: mechanica, golven en thermodynamica PROEFEXAMEN VAN 12 NOVEMBER 2008

Als de trapper in de stand van figuur 1 staat, oefent de voet de in figuur 2 aangegeven verticale kracht uit op het rechter pedaal.

Docentencursus relativiteitstheorie

Practicum Videometen dr. Nassau College 03

Theorie: Snelheid (Herhaling klas 2)

Fysica. Indien dezelfde kracht werkt op een voorwerp met massa m 1 + m 2, is de versnelling van dat voorwerp gelijk aan: <A> 18,0 m/s 2.

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2018 theorietoets deel 1

Natuurkunde havo Evenwicht Naam: Maximumscore 47. Inleiding

Uitwerkingen Mei Eindexamen VWO Wiskunde B. Nederlands Mathematisch Instituut Voor Onderwijs en Onderzoek

a. Bepaal hoeveel langer. b. Bepaal met figuur 1 de snelheid waarmee de parachutist neerkomt.

Dit tentamen bestaat uit vier opgaven. Iedere opgave bestaat uit meerdere onderdelen. Ieder onderdeel is zes punten waard.

Examentraining Leerlingmateriaal

Benodigdheden Gloeilampje, spoel, condensator, signaalgenerator die een sinusvormige wisselspanning levert, aansluitdraden, LCR-meter

Bevestigingsscherm. Instructies 1/11

opdrachten bij hoofdstuk 7 Lijnen cirkels als PDF

natuurkunde Compex natuurkunde 1,2 Compex

wiskunde B vwo 2015-II

Figuur 7.21: Het Voronoi diagram van zes supermarkten, genummerd 1 t/m 6.

Eindexamen wiskunde B 1-2 vwo I

Voorbereidend Wetenschappelijk Onderwijs Tijdvak 1 Woensdag 16 mei uur

Theory Dutch (Netherlands) Lees eerst de algemene instructies uit de aparte enveloppe voordat je begint met deze opgave.

a. Bepaal hoeveel langer. b. Bepaal met figuur 1 de snelheid waarmee de parachutist neerkomt.

Q l = 23ste Vlaamse Fysica Olympiade. R s. ρ water = 1, kg/m 3 ( ϑ = 4 C ) Eerste ronde - 23ste Vlaamse Fysica Olympiade 1

wiskunde B pilot vwo 2017-II

Hoofdstuk 10 Kegelsneden uitwerkingen

RekenWijzer, uitwerkingen hoofdstuk 5 Verbanden

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2004-II

Relativiteitstheorie met de computer

Examen VMBO-GL en TL COMPEX

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2007-I

Samenvatting Natuurkunde Hoofdstuk 8, Bewegen in functies

De parabool en de cirkel raken elkaar in de oorsprong; bepaal ook de coördinaten van de overige snijpunten A 1 en A 2.

Je geeft de antwoorden op deze vragen op papier, tenzij anders is aangegeven.

Trillingen en geluid wiskundig. 1 De sinus van een hoek 2 Uitwijking van een trilling berekenen 3 Macht en logaritme 4 Geluidsniveau en amplitude

VAK: natuurkunde KLAS: Havo 4 DATUM: 20 juni TIJD: uur TOETS: T1 STOF: Hfd 1 t/m 4. Opmerkingen voor surveillant XXXXXXXXXXXXXXXXXXX

2.0 Beweging 2.2 Snelheid (Coach 5) 2.4 Stoppen (simulatie)

Examen VMBO-GL en TL-COMPEX 2005

Examen VWO. wiskunde B. tijdvak 2 woensdag 18 juni uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

de eenheid m/s omrekenen naar km/h en omgekeerd.

Ijkingstoets 4 juli 2012

Noordhoff Uitgevers bv

Examen VWO. wiskunde B (pilot) tijdvak 2 woensdag 21 juni uur

1. Orthogonale Hyperbolen

Examen VWO. wiskunde B1,2. tijdvak 1 woensdag 16 mei uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Opgave 1 Bekijk de Uitleg, pagina 1. Bekijk wat een vectorvoorstelling van een lijn is.

wiskunde B pilot havo 2016-I

wiskunde B vwo 2016-I

Straal van een curve

2QGHU]RHNGRHQ. VWO-versie Onderzoek doen

BIOFYSICA: Toets I.4. Dynamica: Oplossing

BEWEGING HAVO. Raaklijnmethode Hokjesmethode

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica juli 2017: algemene feedback

Noordhoff Uitgevers bv

Transcriptie:

Wat schuift het? Andre Heck Ron Vonk (AMSTEL Instituut, UvA) figuur 1. drie afbeeldingen van de bewegende muntjes Het experiment Het gaat in dit artikel om een eenvoudig uit te voeren experiment: zeven muntjes liggen op onderling gelijke afstanden van elkaar op een glad papier op tafel. Met een liniaal, die een cirkelvormige beweging maakt, geeft de onderzoeker de muntjes een tik. Het middelpunt van de beweging die de liniaal maakt, valt samen met het begin van de rij muntjes (in dit geval de linkerbovenhoek van het papier in de bovenstaande afbeeldingen). De beweging van de liniaal stopt abrupt en de muntjes verlaten de liniaal, met een snelheid loodrecht op de liniaal. Vanaf dit moment komt de wrijvingskracht in beeld. De wrijving is constant, omdat alle muntjes identiek zijn en de wrijving hangt niet af van de snelheid. De arbeid die de wrijving verricht is te berekenen met W = F * s, waarbij F de wrijvingskracht en s de afstand is die het muntje aflegt na het verlaten van de liniaal. Dit betekent dat de afstand die een muntje aflegt, evenredig is met de kinetische energie die het muntje heeft bij het verlaten van de liniaal. Omdat de liniaal een cirkelvormige beweging maakt, is de snelheid v van een muntje evenredig met de oorspronkelijke afstand d van het muntje tot het draaipunt. Omdat de kinetische energie gelijk is aan E k = ½ m v 2 verkrijgen we F * s = ½ m v 2. Omdat F en m constanten zijn, is s evenredig met v 2. Dit betekent dat de afstand die een muntje aflegt na het verlaten van de liniaal, evenredig is met het kwadraat van de afstand tot het draaipunt in de beginsituatie. Met andere woorden, als de muntjes na beweging tot stilstand zijn gekomen, vormen zij een parabool. De eindpositie van de muntjes in de afbeelding bewijst ons gelijk (zie figuur 1, rechter foto). Is het wel zo eenvoudig en hoe onderzoeken we dat? De eenvoudigste manier om de beweging en eindpositie van de muntjes te analyseren, is met behulp van video meten. Hierbij hebben we te kampen met twee problemen. 1. De beweging is zo snel dat een opname met een gewone camera niet afdoende is. 2. In de praktijk valt het niet mee om de opname zonder perspectivische vertekening te maken. Het eerste probleem is opgelost door een hogesnelheidscamera te gebruiken (framerate variërend van 40 fps tot 400 fps), Het tweede probleem is opgelost met behulp van de perspectiefcorrectie, een standaardvoorziening binnen Coach 6 (zie figuur 2).

figuur 2: Een filmbeeldje voor (links) en na (rechts) correctie van het perspectief. De afbeelding an figuur 2 hebben we daarna nog herschaald naar het formaat zoals dat in figuur 1 is gebruikt. Hierbij wordt de werkelijkheid het best benaderd en zijn de onderlinge verhoudingen van het papier op de film gelijk aan die in de realiteit. Het handmatig invoeren van meetwaarden voor zeven muntjes kost veel tijd, is vervelend en bovendien erg gevoelig voor fouten. Daarom is het prettig om gebruik te kunnen maken van tracking binnen video meten. In het eerste frame klikt de gebruiker een object aan en voor elk volgend frame wordt dit object op film gevolgd. Op deze manier verkrijgen we voor elk van de zeven muntjes een plaats-tijdmeting. Met behulp van deze meting gaan we een tweetal van de uitspraken uit het begin van dit artikel nader bekijken. Uitspraak 1: De beweging van de liniaal stopt abrupt en de muntjes verlaten de liniaal, met een snelheid loodrecht op de liniaal. Omdat er behalve wrijving geen andere krachten optreden, zal de beweging van elk muntje na het verlaten van de liniaal een rechte lijn zijn. Hierbij lijkt het logisch om het draaipunt van de liniaal als de oorsprong van het assenstelsel te nemen. De x-as van dit stelsel valt samen met de liniaal in de eindpositie, op het moment waar de muntjes de liniaal verlaten. Als we dit assenstelsel gebruiken, verkrijgen we in Coach 6 de volgende schermafbeeldingen. Figuur 3: Plaats-tijdgrafiek van de muntjes, bepaald met behulp van de optie tracking.

In de linkerafbeelding zien we het assenstelsel ingetekend, samenvallend met de l9iniaal in de eindpositie. In de rechtergrafiek de baan die het muntje aflegt dat bhet verst van de oorsprong lag. Het is duidelijk dat in dit assenstelsel de x-component van de snelheid niet nul is. Dit betekent dat de snelheid van het muntje, bij het verlaten van de liniaal niet loodrecht op deze liniaal was. Er is dus een snelheidscomponent (ongelijk aan nul) parallel aan de liniaal. We bekijken deze de snelheidscomponent, parallel aan de liniaal nog eens nader. We draaien het filmpje nog eens beeldje-voor-beeldje af. Terwijl de liniaal roteert en contact heeft met de muntjes, blijkt het dat de muntjes bewegen langs deze liniaal. We bepalen de afstand van het zevende muntje tot de oorsprong. Als we ons richten op de beeldjes 6, 8, 10 en 11 verkrijgen we elke keer een iets afwijkende waarde voor de afstand van muntje tot oorsprong. We vinden achtereenvolgens de waardes 53,54 cm, 53,7 cm, 54,55 cm en 55,21 cm. Figuur 4: de afstand van muntje zeven tot de oorsprong, in verschillende beeldjes. Dit betekent dat de muntjes inderdaad een snelheidscomponent hebben die parallel aan de liniaal loopt. Met andere woorden, de snelheid bij het verlaten van de liniaal is niet loodrecht op de liniaal. Uitspraak 2: Als de muntjes na beweging tot stilstand zijn gekomen, vormen zij een parabool. De eindpositie van de muntjes in de afbeelding bewijst ons gelijk (zie figuur 1, rechter foto) Om dit goed te onderzoeken, moeten we eerst het coördinatensysteem zo kiezen, dat het 7 e muntje langs een rechte, verticale lijn beweegt. In figuur 5 is duidelijk te zien dat de x-as van dit assenstelsel niet samenvalt met de eindpositie van de liniaal. Figuur 5 Een aangepaste keuze van het assenstelsel.

Het rechts weergegeven diagram toont de eindposities van elk van de zeven muntjes. Het lijkt dat de muntjes een mooie parabool vormen, dit kunnen we controleren door functiefit toe te passen. De kromme in de figuur geeft de beste tweedegraadsfit die de computer ons voorlegt: (-0.023976370735911*X-0.012360878869639)*X-1.999994733605468 In een licht vereenvoudigde schrijfwijze levert dit: Y = -0.02398 X 2-0.01236 X 1.99999 of Y = -0.02398 (X + 0.25777) 2 1.99840 Wanneer we de oorsprong van ons assenstelsel verschuiven over de vector (-0.25777, 1.99840) verkrijgen we de eenvoudige vergelijking: Y = -c X 2. Het zou een toevalstreffer zijn geweest als we de oorsprong van ons assenstelsel direct hier gekozen hadden. Figuur 6: Y-t grafieken van de verschillende muntjes en de kwadratische functiefit van deze bewegingen (voor muntjes 4 en 7). De Y-t grafieken van de muntjes vormen ook een parabool, zolang de muntjes in beweging zijn. Dit is te zien in figuur 6 voor de muntjes 4 en 7.In de diagrammen is ook de fit van de snelheidsgrafiek van deze muntjes weergegeven. Het snijpunt met de horizontale as geeft het tijdstip aan waarop het muntje stopte met bewegen.

Figuur 7 v-t grafieken van de vrij bewegende muntjes en de kwadratische fit van de eindpositie. In het linkerdeel van figuur 7 zien we in een figuur de snelheids-tijdgrafieken van de zeven muntjes. We zien dat het 1 e, 2 e, 3 e, 5 e en 7 e parallel lopende snelheidskrommes geeft op onderling gelijke afstanden, precies zoals de theorie voorspelt. Muntjes 4 en 6 hebben ten opzichte van elkaar ook gelijke krommes voor de snelheid maar de richtingscoëfficiënt van deze twee grafieken is groter dan die van de andere vier muntjes. Dit zien we ook terug in het rechter deel van figuur 7, de kwadratische fit van de eindpositie: de muntjes 4 en 6 liggen iets boven de curve. Kennelijk was de wrijvingskracht voor deze twee muntjes niet gelijk aan die van de andere vier muntjes. Zou dit te maken kunnen hebben met kop of munt? Bij het uitvoeren van het experiment hebben we hier geen aandacht aan besteed. De werkelijkheid blijkt een stuk ingewikkelder dan voorzien op basis van de theorie. Het is een leerzame ervaring voor studenten (en docenten) om dit soort subtiele verschillen tussen theorie en werkelijkheid met elkaar in overeenstemming te brengen.