In het NOS journaal van 26 november 2005 werd melding gemaakt van het breken van hoogspanningskabels. Het waaide die dag niet een hard (windkracht 4). Natte sneeuw zou de oorzaak zijn van het breken van een hoogspanningskabel. De NOS zorgt ervoor dat meldingen van gebeurtenissen zoals in dit geval voor een breed publiek te volgen is. Daarom wordt soms niet alle informatie gegeven. In onderstaande opdracht proberen we te ontdekken welke natuurkundige principes een rol achter het nieuws spelen.
De leerling herkent de natuurkunde in het nieuws van de dag.De leerling maakt kennis met de beginselen van de aerodynamica.De leerling voert een klein onderzoek uit met behulp van een virtuele windtunnel.De leerling ziet in dat het juist hanteren van eenheden heel belangrijk is.
Journaal van 26 november 2005.
Wat is de oorzaak van het breken van de hoogspanningskabel?De lage temperatuur buiten.Note:: er wordt niet zoveel gezegd over de temperatuur buiten. Sneeuw klontert vooral als het rond het smeltpunt van water zit. Waarschijnlijk is het dus niet echt koud geweest toen de kabel kapot ging.Het wegvallen van de spanning op de kabels.Note: de spanning viel natuurlijk pas weg nadat de kabel brak. Dat kan dus niet de oorzaak zijn. Het wegvallen van de spanning is eerder het gevolg van het breken.Het aanklonteren van de sneeuw op de kabels waardoor de kabel te zwaar wordt en afbreekt.Note: de man in het filmpje zegt niets over het feit dat de kabels te zwaar worden door het samenklonteren van de sneeuw.Het aanklonteren van de sneeuw op de kabel waardoor de luchtstroom rond de kabel verandert.Note: en daar willen we dus meer van weten.....De ijspegel
Het is misschien wel leuk om eens te kijken naar de natuurkunde achter het lijndansen. Omdat we niet helemaal zeker weten hoe de sneeuw is aangeklonterd op de kabel moeten we daar een beetje naar raden. Het is niet erg logisch om te denken dat de sneeuw mooi symmetrisch rond de kabel blijft plakken. Waarschijnlijk is het dat er een soort ijspegel aan de kabel ontstaat die door de wind wordt meegeblazen.
a) Maak een schets op ware grootte van de dwarsdoorsnede van de kabel met gevormde ijslaag er omheen. Neem voor de diameter van de kabel 5 cm. Neem in je schets de afmetingen van het profiel op.
Foilsim, een virtuele windtunnel
Om het klapperen van de kabel te kunnen begrijpen kunnen we het beste een uitstapje maken. De natuurkunde die het gedrag van lucht rond een voorwerp bestudeerd heet de aerodynamica. Met een windtunnel kun je bekijken hoe een vleugelprofiel van een vliegtuig zich gedraagt in stromende lucht.
FoilSimE is een programma waarmee je in een virtuele windtunnel vleugelprofielen kunt onderzoeken. Bekijk de applet en probeer uit te vinden hoe je de virtuele windtunnel kunt bedienen. Start met deze link FoilSimE.
Bij de applet kun je een aantal variabelen aanpassen. Om hier zinvol mee om te kunnen gaan geven we je een aantal richtvragen. Gebruik voor informatie de volgende animatie.
|
Allerlei informatie over aerodynamica en vleugelprofielen. |
b) Wat techniek gebruik je om de skeletlijn van een vleugel te tekenen?
c) Wat is volgens jou een goede beschrijving van het begrip cord (koorde)?
d) Wat is volgens jou een goede beschrijving van het begrip Angle-degree (invalshoek)?
e) Wat is de thickness (dikte) van een vleugel? (en wat heeft het woord loodrecht daarmee te maken?)
f) Wat is de camber (welving) van een vleugel? (en wat heeft het woord loodrecht daarmee te maken?)
g) Met welke knoppen kun je de welving en de dikte van de vleugel aanpassen?
h) Bij het verschuiven van de knoppen zie je de balk bij Lift Meter van kleur veranderen en soms ook van bovenaf in lengte veranderen. Welke informatie haal je uit die veranderingen?
Verschillende eenheden.
Om je ervan te overtuigen dat je eenheden een beetje met aandacht moet benaderen. Kosten van deze weersonde naar Mars 125 miljoen dollar!
|
Toen 23 september 1999 een weersonde (Mars Climate Orbiter) in een baan om de planeet Mars gebracht moest worden ging alles iets anders dan bedacht. In plaats van keurige rondjes te draaien stortte de weersatelliet te pletter op de rode planeet. De oorzaak bleek later niet al te lastig te achterhalen. Engineers bleken bij het berekenen van de juiste snelheid van de satelliet Engelse en metrische eenheden door elkaar gebruikt te hebben. De computer rekende in de verkeerde maateenheid en nu is drie voet weliswaar bijna een meter, maar zo ruim zijn de marges niet in de ruimtevaart. |
• speed-mph = is de snelheid van de luchtstroom in miles per uur. In de luchtvaart wordt gerekend met de Engelse mile. Een mile is 1,609 kilometer.
• Altitude-ft = is de hoogte waarop het vliegtuig dat aan de vleugel vastzit vliegt. De afkorting ft komt van feet (voet). Er zitten 5280 voet in een Engelse mile.
• Area- sqr ft. Dit is het geprojecteerde vleugeloppervlak (Eng.:wing area.) Dat is het oppervlak van de schaduw op de grond als de zon loodrecht op de vleugel schijnt. In de applet FoilSimE wordt het oppervlak uitgedrukt in ft2. 1 inch = 2,54 cm.
i) Probeer te bedenken wat er wordt bedoeld met het geprojecteerde oppervlak van de vleugel.
j) Hoeveel cm 2 is een inch2?
k) Hoeveel inch is een voet?
l) Wat is de windsnelheid bij windkracht 4 in miles per uur?
Zowel de inch als de duim hebben een lengte die ongeveer gelijk is aan de breedte van het bovenste kootje van een duim van een volwassen man. De Engels equivalent van een duim is een inch. Dit begrip leeft nog voort in o.a. het woord duimstok, maar de eenheid wordt in Nederland niet officieel meer gebruikt. In de industrie en de bouw wordt de duim nog wel gebruikt (bijv. een 3-duims pijp of een 1-duims dikke plaat hout). Andere zaken waarvan de maat nog vaak in inch aangeduid worden zijn (computer)beeldschermen, inbouwmaten van harde schijven en floppy-disks, vinyl-platen (7", 10" en 12"), de diameters van banden en velgen van auto's en (motor)fietsen.
m) Gebruik je geodriehoek. Hoe breed is het het bovenste kootje de duim van een mannelijke docent. Is dat ongeveer 2,5 cm? Noteer de naam van de docent. Wat zegt de uitkomst over deze docent?
n) Zoek een plaatje van alle voorbeelden die in het infoblokje hierboven worden genoemd. Op hoeveel inch schat je de grootte van de voorwerpen?
Schaalmodellen.
Bij het ontwerpen van vliegtuigen, formule 1 auto's en schaatspakken wordt er veel gebruik gebruik gemaakt van kleine schaalmodellen. Bij schaalmodellen wordt de dikte meestal uitgedrukt in % en niet in inch of cm. In FoilSimE worden om die reden twee formules gebruikt waarmee de dikte en welving van het vleugelprofiel worden uitgedrukt.
Camber-% cord = Camber / cord (*100%)Thickness-%/cord = Thickness / cord (*100%)
o) Bedenk een reden waarom bij proeven met schaalmodellen de dikte (thickness) en de welving (camber) liever gedeeld wordt door de lengte van de koorde (cord)?
En nu het lijndansen
p) Boots met behulp van FoilSimE de ijspegel die je hebt getekend zo goed mogelijk na. Maak daarbij een realistische schatting voor het geprojecteerde oppervlak van de ijspegel. Maak een screendump van je vleugelprofiel en de instellingen. Plak het plaatje in je verslag.
q) Onderzoek het verband tussen de hoek van inval en de lift op de ijspegel. Tips: Welke hoogte stel je in en waarom? Welke snelheid stel je in en waarom? Je maakt natuurlijk een tabel en een grafiek. Wat zet je op de x-as, wat zet je op de y-as?
r) Geef op grond van je bevindingen een natuurkundig onderbouwde verklaring voor het breken van de hoogspanningslijn.
FoilSim is gemaakt door de NASA. Er zijn verschillende versies beschikbaar. Ook wordt het programma steeds verbeterd. FoilSimE is de meest eenvoudige versie. FoilSim kan heel goed gebgruikt worden bij profielwerkstukken. Als je meer wilt weten over FoilSim kun je het beste in Google zoeken op het trefwoord FoilSim.
