Fysica 3: Druk in vaste stoffen

Finaliteit en Inhoud

• Het document is bedoeld voor de D-finaliteit en heeft betrekking op het vak Fysica 3.
• De inhoudsopgave omvat diverse onderwerpen binnen de fysica, met de focus op druk in verschillende toestanden.

ISAAC-moment: Friettennis

• Friettennis is een introductie of illustratie, mogelijk via een filmpje van de broertjes Coppens, om het concept van druk te introduceren.

Druk op vaste stoffen

• Module 2 ('Kracht en verandering van beweging') en module 5 ('Kracht en veld') bevatten eerdere besprekingen van krachten zoals contactkrachten en veldkrachten, evenals statische en dynamische effecten.
• Vervorming van een voorwerp is mogelijk door een uitgeoefende kracht.
• Plastische vervorming is een blijvende verandering van vorm, bijvoorbeeld het scherm van een smartphone dat breekt na een val.
• Elastische vervorming is een tijdelijke verandering waarbij het voorwerp terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm nadat de kracht stopt, zoals bij een stressbal.
• Vervorming is makkelijker als het contactoppervlak kleiner is.
• Koksmes: Heeft een dun lemmet voor gemakkelijk doorsnijden van groenten.
• Sneeuwkettingen: Schakels met kleine oppervlakte voor grip op ijs en sneeuw.
• Scherpe klauwen: Roofvogels kunnen hun prooi makkelijk vastgrijpen dankzij scherpe klauwen.
• Injectienaalden: Dunne naald dringt gemakkelijk in de huid.
• Doornen: Beschermen een plant.
• Scherpe tanden: Roofdieren kunnen hun prooi makkelijk beschadigen dankzij scherpe tanden.
• Soms is het de bedoeling om een oppervlak zo min mogelijk te vervormen.
• Poten van een olifant: Hebben een groot oppervlak zodat de dieren niet wegzakken.
• Fakir: Voelt geen pijn door spijkerplakjes omdat het gewicht over veel punten verdeeld wordt.
• Fundering huis: Betonplaat verdeelt het gewicht over een groter oppervlak waardoor het huis niet verzakt.
• Veiligheidshelm: Het oppervlak zorgt voor de verdeling van de impact als er iets op valt.
• Ski's: Zorgen dat je niet door de sneeuw zakt doordat ze een relatief groot oppervlak hebben
• Rupsbanden: Vergroot het contactoppervlak met de grond, waardoor het voertuig minder snel wegzakt.
• Er is niet alleen de grootte van de kracht bepalend, maar ook de grootte van de oppervlakte waarop kracht werkt.

Druk definitie en eenheid

• Druk is de verhouding van de kracht (F) tot de oppervlakte (A) waarop de kracht werkt: p = F/A.
• De eenheid van druk is Pascal (Pa), waarbij 1 Pa gelijk is aan 1 N/m².
• De krachtvector staat loodrecht op het oppervlak.
• hPa = 100 Pa en 1 bar = 105 Pa
• Kracht en druk zijn recht evenredig.
• Hoe groter de kracht, hoe groter de druk bij eenzelfde oppervlak.
• Hoe groter het oppervlak, hoe kleiner de druk bij eenzelfde kracht.

Druk in gassen

• Even kijken waarom onze atmosfeer belangrijk is? Scan de QR-code.
• Druk in gassen omvat: stikstofgas (78%) en zuurstofgas (21%)
• Atmosfeer of dampkring is de laag rondom de aarde.
• Wind ontstaat als de lucht van de atmosfeer zich verplaatst.
• De atmosfeer is een grote laag lucht rondom de aarde van kilometers dik.
• Zwaartekracht zorgt ervoor dat de lucht mooi rond de aarde blijft zitten.
• De atmosferische druk bedraagt 1013 hPa of 101300 Pa op zeeniveau.

Atmosferische druk en metingen

• De atmosferische druk werkt op alle oppervlakken, ook de onderkant van een tafel, waardoor we het niet direct voelen.
• De atmosferische druk op zeeniveau is gemiddeld 1013 hPa, wat bekend staat als de normdruk of standaarddruk.
• Met een druppelteller nemen we een druppeltje vloeistof.
• Met een pipet zuigen we een kleine hoeveelheid vloeistof op
• We meten de luchtdruk met een barometer.
• Om voedsel langer te bewaren kunnen we het vacuüm verpakken.
• Dankzij het drukverschil onder en boven de vliegtuigvleugel wordt een vliegtuig bestuurbaar.
• Met behulp van een zuigmap blijft een gps makkelijk aan de ruit van de auto hangen.

Verandering van de luchtdruk met de hoogte

• Luchtdruk is afhankelijk van de hoogte; hoe hoger, hoe lager de druk.
• We weten ondertussen dat de atmosfeer een dikke laag lucht is die ervoor zorgt dat er luchtdruk is op aarde.
• De dichtheid en dus luchtdruk neemt af met toenemende hoogte.
• De hoogtemeter van een skydiver of paraglider werkt gebaseerd op luchtdrukverschillen.
• Mount Everest (8848 m) is de hoogste berg ter wereld.
• De meeste klimmers maken dan ook gebruik van zuurstofflessen om de Mount Everest te beklimmen
• Hoogtemeters meten hoogteverschillen.
• De meeste hoogtemeters bevatten een elektronische luchtdruksensor en werken elektronisch.

Verandering van gasdruk met temperatuur

• De temperatuur heeft een invloed op de gasdruk, ook de temperatuur is belangrijk.
• Als de temperatuur van een afgesloten hoeveelheid gas toeneemt, stijgt de gasdruk, en omgekeerd.
• De temperatuurschaal die we hier gebruiken staat in graden Celsius
• De absolute temperatuur is recht evenredig met de gasdruk, voor een constant aantal gasdeeltjes in een constant volume.

Verband tussen temperatuur en gasdruk

• We vermoeden dus dat er een recht evenredig verband is tussen de temperatuur en de gasdruk voor een constant aantal gasdeeltjes in een constant volume,.
• In een experiment wordt het verband tussen temperatuur en gasdruk onderzocht.
• Erlenmeyer, thermometer, manometer, dop voor erlenmeyer, bunzenbrander is de benodigde materialen.
• De p(0)-grafiek is een schuine rechte die niet door de oorsprong gaat ..
• Die temperatuur is -273,15 °C. Dat is een heel bijzondere temperatuur die we het absolute nulpunt noemen.
• Bij het absolute nulpunt is de druk nul. De deeltjes zouden bij die temperatuur niet meer botsen en dus niet meer bewegen
• Het is immers niet meer mogelijk om de deeltjes trager te laten bewegen. Ze zijn immers al in rust. Verder afkoelen is niet meer mogelijk.
• Lord kelvin werd verbonden aan de absolute temperatuurschaal.
• T is (absolute) temperatuur.
• Voor een temperatuur in kelvin, gebruiken we niet het woordje 'graden'. We zeggen bijvoorbeeld niet het is 300 graden kelvin, maar 300 kelvin.
• De laagst mogelijke temperatuur is – 273,15 °C. Dat is het absolute nulpunt.
• Er kan geconcludeerd worden dat de absolute temperatuur recht evenredig is met de gasdruk voor een constant aantal gasdeeltjes in een constant volume.

Druk in vloeistoffen: Hydrostatische druk

• Duiken met flessen (eventueel geïllustreerd door een filmpje met Albert) demonstreert het effect van druk in water.
• Duiken met flessen. Geen zuurstofflessen, maar plastic flessen.
• De hydrostatische druk geeft de extra druk aan in een vloeistof.
• Een vloeistof oefent in elk punt en op elke diepte een druk uit, de hydrostatische druk.
• Experimenten met een vliesmanometer aantonen dat de druk toeneemt met de diepte en in alle richtingen gelijk is.

Hydrostatische druk beschrijving en evenredigheid

• De druk is recht evenredig met de diepte (h).
• De hydrostatische druk in een vloeistof is recht evenredig met de diepte h Phydro h
• De druk is recht evenredig met de massadichtheid van de vloeistof (pvl).
• Phydro~ Pvl.
• Phydro~ Pvlh
• Phydro = cte · Pvl· h
• De constante blijkt bij benadering 9,81 N/kg te zijn, de zwaarteveldsterkte g.
• Phydro = Pvt· 9 ・h

Hydrostatische druk en theoretische afleiding

• De hydrostatische druk is de zwaartekracht van de waterkolom boven een bepaald punt, Phydro = Pvl·g·h.
• Theoretische afleiding:
  • De hydrostatische druk wordt veroorzaakt doordat de kolom water die zich boven een bepaald punt pa in de vloeistof bevindt aangetrokken wordt door de aarde.

Totale druk in een vloeistof

• De hydrostatische druk is de druk die enkel veroorzaakt wordt in de vloeistof.
• Meestal is er boven de vloeistof ook nog een gas (bijvoorbeeld lucht) aanwezig.
• Totale druk in een vloeistof is de som van de hydrostatische druk en de druk van het gas erboven.
• Pvl = Patm +Pvlg.h
• Als de vloeistof zich in een open vat bevindt, dan werkt boven de vloeistof de atmosferische druk
• De atmosferische druk plant zich volgens de wet van Pascal immers overal in de vloeistof onverminderd voort.
• In een afgesloten vat: p = pgas + Phydro .
• Met de hydrostatische druk op een diepte h in een vloeistof met massadichtheid p₁₁ gegeven door: Phydr = Pvlg ·g·h

Decompressieziekte

• Door te lang en diep te duiken kan decompressieziekte ontstaan door stikstofbellen in het bloed.
• Duik niet te lang en niet te diep in het water.
• Langzaam opstijgen.
• Het proces kun je versnellen door zuurstof erbij te geven.

Beginsel van Pascal

• Het beginsel van Pascal, ook wel de wet van Pascal genoemd en geldt voor alle 'fluïda' dus voor vloeistoffen en voor gassen
• De druk die wordt uitgeoefend op een afgesloten fluïdum plant zich onverminderd voort in alle richtingen.
• De druk uitgeoefend op een ingesloten fluïdum, plant zich onverminderd voort in alle richtingen.
• Een hydraulische pers maakt gebruik van dit principe om een kleine kracht om te zetten in een grote kracht.
• De kracht F₁ werkt op zuiger 1 die een oppervlakte A₁ heeft. Het uitoefenen van kracht F₁ veroorzaakt dus een druk p₁.