1L2 FYSICA  (niveau 1) (5 vragen)

 Stoffen

1. Aard van stoffen: de chemische elementen

Stoffen bestaan uit moleculen en moleculen bestaan uit atomen.  Alles om ons heen bestaat uit atomen. 

Atomen zijn ongelooflijk klein:  Er zijn 118 verschillende soorten, waarvan er 92 van nature op aarde voorkomen. Die verschillende soorten noem je elementen. Goud is bijvoorbeeld een element, maar ook ijzer, waterstof, helium, koolstof, zuurstof etc.

De meeste elementen die in de scheikunde veel voorkomen, hebben een symbool van één letter. Er zijn 118 elementen waarvan 98 in de natuur voorkomen. Een paar bekende met hun letter(s) zijn:

• waterstof (H),
• koolstof (C),
• stikstof (N)
• zuurstof (O). 
• Aluminium (Al)
• IJzer (Fe)
• Koper (Cu)
• Zilver (Ag)
• Kwik (Hg)
• Lood (Pb)

Veel stoffen bestaan uit combinaties van elementen. Water bestaat bijvoorbeeld uit twee waterstofatomen (H) en een zuurstofatoom (O). Dat schrijf je zo op: H₂O en dat kun je bijvoorbeeld zo tekenen:

Als we verder inzoomen op het atoom, dan zien we dat hij bestaat uit een hele kleine kern met een wolk van deeltjes om zich heen.

In de kern zitten twee soorten deeltjes: protonen en neutronen. Protonen hebben een positieve elektrische lading. Neutronen hebben geen lading. De deeltjes die om de kern heen zweven worden elektronen genoemd. Zij hebben een negatieve lading. 

Stel dat je een ijzeratoom nog verder uit elkaar zou proberen te plukken. Dit kan, want atomen zijn niet zomaar kleine bolletjes. Ze bestaan weer uit nog kleinere deeltjes. Maar zodra je dit lukt is het ijzeratoom geen ijzeratoom meer. Of een atoom een ijzeratoom is hangt namelijk af van de deeltjes waaruit het atoom zelf bestaat. Een atoom is dus het kleinste stukje van een element (zoals ijzer) dat je maar kan hebben.

Een chemisch of scheikundig element is een stof die met scheikundige middelen en methoden niet in andere stoffen opgesplitst kan worden. Een element bestaat uit één soort atomen met alle hetzelfde atoomnummer, dus met hetzelfde aantal protonen in de kern. Het aantal neutronen in de atomen van een element kan variëren.

2. Chemische samenstelling

Lucht is een mengsel van verschillende gassen. 

Droge lucht bestaat voor:

• 78% uit stikstof (N₂),
• 21% uit zuurstof (O₂) en
• 1% uit andere gassen zoals koolzuurgas (koolstofdioxide = CO₂).

Daarnaast bevat de lucht dus ook waterdamp (H₂O). Het percentage is niet constant, het hangt o.a. af van de temperatuur. Koude lucht kan weinig en warme lucht kan veel waterdamp bevatten. 

3. Aggregatietoestanden: vast, vloeibaar en gasvormig

Met aggregatietoestand bedoelen we de verschijningsvorm waarin een stof zich bevindt, vast, vloeibaar of gasvormig. 

4. Veranderingen tussen twee aggregatietoestanden

De overgang van:

• een vaste stof naar vloeistof heet smelten,
• een vloeistof naar gas heet verdampen,
• een gas naar vloeistof heet condenseren,
• een vloeistof naar vaste stof heet stollen,
• vast naar gasvormig heet vervluchtigen / sublimeren,
• een gas naar vast heet rijpen / neerslaan / depositie / afzetten.

Een thermiekbel bevat latente warmte (latent is verborgen). Om van een vaste naar een vloeibare of van een vloeibare naar een gasvormige toestand te gaan is energie nodig. Voor verdampen van water is warmte nodig. Bij condensatie komt die warmte weer vrij (latente warmte) en wordt afgegeven aan de omringende lucht. 

Wat gebeurt er als ijs verwarmd wordt?
De ijsmoleculen die in een stuk ijs in een regelmatig patroon liggen (kristalrooster) trillen een klein beetje. Daalt de temperatuur dan trillen ze minder. Bij verwarming beginnen ze meer te trillen. Bij een bepaalde temperatuur trillen ze zo hevig dat de ijskristallen uiteenvallen. Het ijs smelt. Dit is het smeltpunt en de temperatuur waarbij dit gebeurt is 0 °C.

Gesmolten ijs is veranderd in water. De moleculen bewegen zich nu door de hele stof. Wordt de temperatuur verder verhit, dan bewegen de moleculen sneller door de hele vloeistof. Sommige moleculen bewegen zo snel dat ze meer ruimte nodig hebben. Ze komen los van de vloeistof. Dit is verdampen. Bij 100 °C verlaten veel moleculen de vloeistof. Ga je door met verhitten dan stijgt de temperatuur niet verder maar neemt het verdampen toe. Dit is het kookpunt van de vloeistof.

Wanneer waterdamp afkoelt dan beginnen de moleculen langzamer te bewegen. De waterdamp condenseert. Koelt de gecondenseerde waterdamp nog verder af dan bewegen de moleculen nog langzamer.  Wordt er nog meer warmte aan de vloeistof onttrokken, dan bewegen de moleculen nog maar op één plaats. De vloeistof stolt (bevriest) en wordt weer ijs. 

Waterdamp kan ook sublimeren (rechtstreeks van vast overgaan naar gasvormig). Dit gebeurt bij heel droog weer in koude winters. Bij depositie of rijpen gaat waterdamp rechtstreeks van gasvormig, zonder eerst te condenseren, naar de vaste toestand. 

Mechanica

1. Krachten, momenten en koppels, voorstelling in vectoren

 Krachten 

Tijdens een horizontale vlucht met constante snelheid werken er krachten op een vliegtuig:

1. de draagkracht (in het Engels lift) die het vliegtuig in de lucht houdt
2. de zwaartekracht; de aantrekkingskracht van de aarde
3. voortstuwingskrachten; de kracht van bijvoorbeeld de propeller of de lierkabel
4. de weerstand (in het Engels drag)

De lift heft de zwaartekracht op en de propeller heft de weerstand op. Deze krachten worden met pijlen weergegeven.

De lengte van de pijl geeft de grootte van de kracht aan, de stand van de pijl geeft de richting aan en de plaats bepaalt de 'werklijn' waarlangs de kracht werkt. 

Momenten 

De pijlen geven ook aan dat er krachten worden uitgevoerd op het zwaartepunt. Een uitslag van bijvoorbeeld het hoogteroer geeft een beweging (een moment) om het zwaartepunt.

2. Zwaartepunt

Het zwaartepunt is het punt van het vliegtuig waarin men zich de totale massa van het vliegtuig geconcentreerd kan denken. Het zwaartepunt is o.a. afhankelijk van het gewicht van de vlieger. Hoe zwaarder de vlieger hoe meer het zwaartepunt naar voren verschuift.  

We beschouwen het zwaartepunt als de oorsprong van drie denkbeeldige, loodrecht op elkaar staande assen:

1. de langsas in de lengterichting van de romp
2. de dwarsas in de spanwijdterichting en
3. de topas loodrecht naar beneden door het punt van de twee eerstgenoemde assen. 

3. Spanning, samendrukking, afschuiving en torsie

(Dit stukje 3. Spanning, samendrukking, afschuiving en torsie is overgenomen uit 8.Algemene kennis van het zweefvliegtuig  8.2.2 van Marcel Heidinga)

Spanningen
Een onderdeel wordt belast onder invloed van krachten die daarop werken. De krachten (F) werken op een oppervlak (A) en veroorzaken dan spanningen ( δ = F/A). Er zijn verschillende soorten spanningen welke hierna worden toegelicht. Voor de duidelijkheid worden deze spanningen beschreven voor een aan één kant ingeklemde ronde staaf waarvan de lengte groter is dan de diameter, zie figuur hieronder. Een kracht in lengterichting kan resulteren in trek- en drukspanningen. Een kracht in dwarsrichting kan resulteren in buig-, schuif- en torsiespanningen. De uiteindelijke effecten van deze spanningen hangen mede af van de elasticiteit en van het materiaal waarvan de staaf is gemaakt

Spanningen bij krachten in lengterichting

Trekspanning
Indien in lengterichting aan de staaf wordt getrokken zal deze langer worden en insnoeren, dat wil zeggen smaller in diameter worden. Indien dezelfde kracht op het ingesnoerde materiaal blijft werken zal de spanning toch toenemen als gevolg van het kleiner geworden oppervlak. Ondanks dezelfde kracht maar door de verhoogde spanning kan het materiaal uiteindelijk toch bezwijken. Een goed voorbeeld is het bekende breukstukje. Wordt de maximaal toegestane kabelkracht overschreden dan zal het materiaal breken daar waar de spanning het hoogst is, dus ter hoogte van de insnoering.

Drukspanning
Indien de staaf in lengterichting wordt ingedrukt zal deze korter worden en uitstulpen, dus dikker worden. Dit kan leiden tot een stuikbreuk zoals beschreven bij de harde landing van een zweefvliegtuig met vakwerkromp (het ‘banaantje’). Drukkrachten in lengterichting op een staaf kunnen ook leiden tot (uit)knikken. Vooral als het betreffende onderdeel veel langer is dan dik, zal het materiaal eerder knikken dan uitstulpen. Plaatmateriaal (lang en dun) is treksterk maar zal onder invloed van druk vrij makkelijk knikken. De knikbestendigheid kan verbeterd worden door in de richting van de drukkrachten langsverstijvers aan te brengen.

Spanningen bij krachten in dwarsrichting

Buigspanning
Indien haaks op het uiteinde van de staaf een kracht wordt aangebracht wil deze (door)buigen. De buiging veroorzaakt trek- en drukkrachten in de lengterichting. De trekkrachten kunnen het materiaal laten uitscheuren terwijl de drukkrachten het materiaal kunnen laten stuiken of knikken. Buiging is goed te zien bij de lierstart van een zweefvliegtuig. Het gewicht van het vliegtuig plus de trekkracht van de lierkabel moeten worden gecompenseerd door de liftkracht van de vleugels. De bovenkant van de vleugels wordt dan op druk belast en de onderkant op trek. De elastische vleugel zal richting tippen het meeste doorbuigen (het buigmoment neemt richting de tippen toe als gevolg van de langere arm). Bij een (harde) landing gebeurt het omgekeerde: de tippen willen als eerste omlaag.

Schuifspanning
Indien haaks op het uiteinde van de staaf een kracht wordt aangebracht wil deze niet alleen doorbuigen maar ook (af)schuiven. De afschuiving veroorzaakt trek- en drukkrachten in dwarsrichting. Het kappen van een lierkabel is een goed voorbeeld van afschuiving. De kapmessen worden met kracht haaks op de kabel gedrukt. De scherpe messen hebben een klein oppervlak waardoor de schuifspanning zeer hoog is en de kabel zal bezwijken. Ook scharnierpunten worden op afschuiving belast.

Torsiespanning
Indien haaks op het uiteinde van de staaf een kracht wordt aangebracht welke aangrijpt op een afstand (l) ten opzichte van de middellijn ontstaat een (draai)moment (M = F.l). Dit draaimoment genereert een torsie- of wringingspanning. Een vleugelneus, bijvoorbeeld, zal omhoog willen torderen indien de liftkracht op de vleugel vóór de ligger aangrijpt; dezelfde vleugelneus wil omlaag torderen indien de liftkracht achter de ligger aangrijpt.

4. Aard en eigenschappen van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen

Temperatuur

1. Thermometers en temperatuurschalen: Celsius, Fahrenheit en Kelvin

Er zijn veel manieren en schalen om de temperatuur te meten. De bekendste zijn:

• Celcius wordt in bijna de hele wereld gebruikt. Celsius gebruikt het vriespunt van water als 0 °C en het kookpunt als 100 °C.
• Fahrenheid wordt in slechts een paar landen gebruikt, waaronder Amerika. Het vriespunt van water is bij Fahrenheid 32 °F en de temperatuur van het menselijk lichaam 96°F.
• Kelvin gaat uit van de laagst mogelijke temperatuur. Het absolute nulpunt is 0 K. (min 273 °C). Het vriespunt van water is 273 K en het kookpunt is 373 K. Kelvin is de SI-eenheid voor temperatuur en niet Celcius. 

Afbeelding overgenomen van Wkipedia

2. Warmtebepaling

Een veel gebruikte thermometer is de kwikthermometer die berust op de uitzetting van kwik bij toevoer van warmte. In moderne thermometers wordt gekleurde alcohol gebruikt, maar ook andere organische vloeistoffen kunnen toegepast worden. Door de uitzetting van de vloeistof stijgt de kolom als de temperatuur hoger wordt. Warmtebepaling kan dus met een kwikthermometer, alcoholthermometer, een bi-metaal thermometer of bijvoorbeeld met een infrarood-thermometer.