Raketwetenschap gemakkelijk gemaakt Teach article

Vertaald door Roland Van Kerschaver Hou je klaar voor het afvuren van je raket met deze eenvoudige activiteiten die enkele van de basisbegrippen demonstreren van de ruimtewetenschap.

artdee2554/Shutterstock.com
 

De term ‘raketwetenschap’ wordt dikwijls gebruikt om iets uit te leggen dat moeilijk te verstaan is. Niettegenstaande het ontwerpen en testen van raketten een ingewikkelde onderneming is die bekwaamheid en veel hersenwerk vereist, is het mogelijk – dankzij enige eenvoudige activiteiten – iets van die complexe wetenschap uit te leggen aan je leerlingen.

Dit artikel gaat over een verzameling activiteiten bestemd voor leerlingen tussen 8 en 14 jaar. Ze zijn ontworpen om uitgevoerd te worden in een workshop die ongeveer 2 uur kan duren. Als je minder tijd hebt kunnen sommige demo’s geschrapt worden of over opeenvolgende lessen verspreid worden. De activiteiten kunnen aangepast worden aan leerlingen van het secundair onderwijs door meer theorie.en relevante formules toe te voegen. Noteer dat veel van de activiteiten kunnen bekeken worden in een videow1.

Activiteit 1: Een raketballon afvuren

Raketten zijn een heel goed voorbeeld om te leren over krachten en de bewegingswetten van Newton. Tijdens het afvuren werken twee krachten op een raket: de stuwkracht duwt deze vooruit door het uitstoten van gassen in de tegengestelde richting en de zwaartekracht duwt deze naar omlaag. Eens dat de raket beweegt, werkt de luchtweerstand in de tegengestelde richting van de beweging. De raket zal blijven versnellen zolang de stuwkracht groter is dan de.som van zwaartekracht en luchtweerstand.

In deze proef  wordt het afvuren van een raket uitgelegd door een ballon op te blazen en deze te laten vliegen. De ontsnappende lucht oefent een kracht uit op de ballon en als reactie duwt de ballon in de tegengestelde richting met een even grote kracht, zoals beschreven in de derde bewegingswet van Newton (voor iedere actie is er een even grote en tegengesteld gerichte reactie). De tegengestelde kracht (zoals de stuwkracht van de raket) doet de ballon vooruit schieten (figuur 1). Om de demonstratieproef beter in de hand te houden wordt de ballon vastgemaakt aan een koord.

Newton's third law of motion
Figuur 1: de derde bewegingswet van Newton, gedemonstreerd bij het loslaten van een opgeblazen ballon
Nicola Graf
Reaction force: Reactiekracht; Balloon goes forward: Ballon beweegt naar voor; Action force: Actiekracht; Air rushes out: Lucht stroomt eruit

Materiaal

  • Ballon (best een lange ballon)
  • Koord (ongeveer 5 m lang)
  • Statieven
  • Strootje
  • Kleefband
  • Schaar

Hoe te werk gaan?

  1. Maak het ene uiteinde van het koord vast aan een statief dat vastgemaakt is aan een tafel.
  2. Snij het strootje midden door en knoop de twee helften van het strootje aan het vrije uiteinde van het koord. Als je een gewone ballon gebruikt (eerder dan een lange ballon) is dat niet nodig.
  3. Maak het uiteinde van de koord vast aan een ander statief en span deze zeker strak aan.
  4. Blaas de ballon op en houdt het uiteinde gesloten – leg geen knoop in de ballon.
  5. Maak de ballon vast aan de strootjes met kleefband (figuur 2). Je zal dat gemakkelijker doe als met twee samenwerkt.
  6. Trek aan de ballon aan de ene kant van het koord. Laat de ballon los en bekijk die vliegen langs het koord. Wie kan z’n ballon het verst afschieten?
The rocket balloon is ready for launch
Figuur 2: De raketballon is vastgemaakt aan de koord gereed om afgevuurd te worden.
Ole Ahlgren

Activiteit 2: Water koken in het luchtledige

De druk binnenin het Internationaal Ruimtestation (International Space Station; ISS) is gelijk aan de druk op aarde, die 1 bar is. Buiten het ISS is de druk ongeveer 10-12 bar. Als een astronaut zich buiten het ISS waagt zonder ruimtepak zou gelijk welke vloeistof – zoals speeksel op de tong of water in de ogen – beginnen te koken. Dat komt omdat een lagere druk het kookpunt van water verlaagd. Een vloeistof kookt wanneer z’n dampdruk (die toeneemt met de temperatuur) gelijk is aan de uitwendige luchtdruk. De zeer lage uitwendige druk – nagenoeg deze van het luchtledige – zou ook de lucht uit de longen doen stromen en de astronaut zou door een tekort aan zuurstof het bewustzijn verliezenw2.

Een manier om dit effect zelf waar te nemen bestaat erin een glas water op kamertemperatuur onder een vacuümklok te plaatsen. Pomp de lucht van onder de vacuumklok en bekijk hoe het water kookt. De eerste belletjes die verschijnen zijn waarschijnlijk afkomstig van lucht opgelost in het water maar vlug daarna zal het het water zijn dat kookt.

Als je school niet beschikt over een vacuümklok en luchtpomp kan de proef uitgevoerd worden met een meetspuit zoals hieronder beschreven.

Materiaal

By creating a partial vacuum inside the syringe, students see how water boils when pressure is reduced
Figuur 3: Door een
gedeeltelijk vacuüm te
maken binnenin een
meetspuit, kunnen leerlingen
zien hoe water kookt
wanneer de druk verlaagd
wordt.

Ole Ahlgren
 
  • Doorzichtige plastic spuit
  • Klep voor spuit (optioneel)
  • Beker
  • Water (verwarmd tot verschillende temperaturen)

Hoe ga je te werk?

  1. Plaats de spuit in een beker vol met water opgewarmd tot ongeveer 37°C (lichaamstemperatuur). Trek de zuiger naar buiten om enkele millimeter vloeistof op te zuigen.
  2. Verwijder de spuit uit de beker. Hou er een vinger tegen ( of plaats een klep op) de opening van de spuit en druk de zuiger naar binnen. Hetwater zal beginnen te koken (figuur 3).
  3. Druk in de andere richting op de spuit en het koken zal stoppen.
  4. Herhaal de demonstratie met water op verschillende temperaturen. Wat neem je waar?

Wanneer je de zuiger terug trekt uit de spuit vergroot je het volume binnen de spuit en dat veroorzaakt een afname in druk. De druk is nu binnenin lager dan buiten de spuit. Als kouder water gebruikt wordt (bijv. bij kamertemperatuur) zal z’n dampdruk kleiner zijn zodat de uitwendige druk meer verlaagd moet worden om het water in het kookpunt te brengen.

 

Activiteit 3: De luchtweerstand overwinnen

Beroemd.is.het.besluit van Galileo dat alle voorwerpen met dezelfde snellheid vallen wat ook hun massa is. We weten nu dat terwijl dit  juist is als er geen luchtweerstand is dit gewoonlijk niet het geval is op aarde. Bij de hamer-veer valproef uitgevoerd op de maan tijdens de Apollo 15 missie hield astronaut David Scott een hamer en een veer voor zich en liet ze terzelfdertijd vallenw3. De twee voorwerpen vielen met exact dezelfde snelheid. Omdat de maan geen atmosfeer heeft was er daar geen luchtweerstand. Wanneer we op aarde dezelfde voorwerpen laten vallen (in gewone lucht) valt de veer veel trager dan de hamer omdat de neerwaartse kracht van de gravitatie groter is voor het voorwerp met de grotere massa. Dit betekent dat de tegenwerkende kracht van de luchtweerstand meer invloed heeft op de veer dan op de hamer (figuur 4).

Figuur 4: In het luchtledige raken een hamer en een veer de grond op hetzelfde moment. Op aarde in normale lucht landt de hamer eerst.
Nicola Graf
In vacuum: In luchtledige; In air: In lucht
 

Dit beginsel kan gemakkelijk aangetoond worden door gebruik te maken van een glazen cilinder die luchtledig gemaakt is. Een prop papier en een stalen bal kunnen als voorwerpen gebruikt worden zoals getoond in onze videow1.

Zelfs zonder luchtledig gemaakte glazen cilinder kan je een zelfde effect aantonen gebruikmakend van alleen een muntstuk en een stuk papier op de manier die hieronder beschreven is. Hier spelen naast de krachten van de gravitatie en de luchtweerstand inwerkend op de voorwerpen aspecten van de dynamica van de vloeistoffen een rol.

Materiaal

Figuur 5: Een stuk papier
wordt boven een muntstuk
geplaatst en men laat de
twee voorwerpen samen
vallen om de luchtweerstand
te demonstreren.

Ole Ahlgren
 
  • Muntstuk
  • Papier
  • Schaar

Hoe ga je te werk?

  1. Snij een stuk papier uit er voor zorgend dat het kleiner is dan het muntstuk (figuur 5).
  2. Plaats het papier boven op het muntstuk en hou het muntstuk tussen twee vingers.
  3. Laat het muntstuk vallen vanop een hoohte van 1 meter. Merk op dat het papier ‘kleeft’ aan de bovenkant van het muntstuk en dat ze tegelijkertijd op de grond belanden.
  4. Laat nu het papier en het muntstuk afzonderlijk maar op hetzelfde moment vallen. Merk op hoe het papier veel trager valt dan het muntstuk.
  5. Snij een stuk papier uit dat groter is dan het muntstuk.
  6. Plaats het papier boven op het muntstuk en laat het muntstuk terug vallen. Merk dat het papier deze keer niet ‘kleeft’ aan de bovenkant van het muntstuk.

Wanneer het muntstuk valt duwt het de lucht die zich ervoor bevindt naar de zijkanten. Als een kleiner stuk papier bovenop het muntstuk geplaatst wordt de lucht die zich ervoor bevindt eveneens opzij  geduwd. Als gevolg hiervan valt het papier even snel als het muntstuk. Als het papier groter is dan het muntstuk kan het muntstuk niet al de lucht die zich voor het papier opzij wegduwen en wordt de val van het papier vertraagd door de luchtweerstand.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – De auteur heeft een video gemaakt  om de activiteiten te tonen die uitgevoerd worden in z’n workshop.
  • w2 – Om te verstaan wat er met het menselijk lichaam gebeurt in het luchtledig kan je de website van de NASA bezoeken en hun bibliotheek van vroeger gestelde vragen en antwoorden lezen (zie vraag 5) over het astronaut zijn.
  • w3 – De beroemde valproef van de Apollo 15 missie kan je bekijken op YouTube.

Author(s)

Ole Ahlgren onderwijst fysica, chemie, biologie en astronomie aan het Roende Gymnasium, een secundaire school in Denemarken.


Review

Dit artikel belicht een onderwerp dat gewoonlijk als bijzonder uitdagend beschouwd wordt speciaal door de leraars van de lagere school. Elke proef heeft betrekking op een concept uit de fysica (zoals de reactiekrachten of de luchtdruk) maar ze worden verbonden door het gemeenschappelijke themavan de ruimte.De leraars kunnen al de proeven onmiddelljk uitvoeren als ze het onderwerp als een geheel wensen te benaderen of ze kunnen afzonderlijke activiteiten uitkiezen om het samen met de juiste leereenheid te onderwijzen. In het algemeen is het artikel zeer bruikbaar voor de hoogste klassen van het lager en de laagste klassen van het secundair onderwijs.


Dr Christiana Nicolaou, Archangelos, Basischool, Cyprus




License

CC-BY