Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.
De Velox3 heeft voor het eerst achterwielaandrijving, waardoor de fiets aan de voorkant zo'n 4 cm smaller kon worden. Dit scheelt volgens de berekeningen ongeveer 15% aan luchtweerstand. Daar draagt de verflaag ook aan bij: de speciale coating die ook in de formule 1 wordt gebruikt verlaagt de luchtweerstand nog verder. Verder maakt de ligfiets gebruik van nieuwe banden die de helft minder rolweerstand opleveren.
De snelheden werden geklokt op een meettraject van 200 meter, na een aanloop van acht kilometer over een kaarsrechte weg in de woestijn van Nevada (VS). Het team had deze week veel profijt van geavanceerde computersimulaties, die lieten zien hoe hard de recordfiets bij een bepaald geleverd vermogen zou moeten gaan. Uit de meetresultaten van de recordpogingen eerder deze week bleek er een groot probleem te zijn met de fiets waardoor er geen hoge snelheid behaald kon worden.
De computersimulaties gaven aan dat er veel sneller gefietst had moeten worden, na een grondige analyse van de data bleek het probleem in de aerodynamica te zitten. Tijdens het trappen in de VeloX3 blijkt de aerodynamische fiets te vervormen door de geleverde kracht. De studenten wisten gelukkig een slimme oplossing te verzinnen waardoor gisteren uiteindelijk het probleem verholpen kon worden.
Bron: TU Delft
Om te kunnen fietsen is vermogen nodig. Bij een constante snelheid moet de fietser een bepaalde kracht F leveren.
Opgaven:
a) Leg uit dat op topsnelheid geldt dat deze kracht gelijk moet zijn aan de totale weerstandskracht.
Om een hoge snelheid te kunnen halen moet de fietser een groot vermogen P kunnen leveren. Een getrainde wielrenner op een racefiets kan gedurende korte tijd 8,0 * 102 W leveren bij een snelheid van 50 km/h.
b) Toon aan dat de weerstand voor de gewone racefiets dan gelijk is aan 58 N.
Voor de luchtweerstand geldt:
Flucht = c * v2
Waarin c een constante is.
c) Bereken het vermogen dat de wielrenner op de racefiets zou moeten leveren om het wereldrecord te kunnen breken. Verwaarloos hierbij de overige weerstandskrachten.
Om een wereldrecord te kunnen zetten is het niet voldoende om alleen een groot vermogen te kunnen leveren. De benodigde kracht F moet zo klein mogelijk worden.
d) Noem 3 oplossingen die op de Velox3 zijn toegepast om dat voor elkaar te krijgen.
De sprinter leverde tijdens de laatste 200 m van de sprint een vermogen van 9,0 * 102 W. Het rendement van een mens is 25%.
e) Bereken hoeveel energie de fietser heeft omgezet in deze laatste sprint.
Uitwerking vraag (a)
Op topsnelheid is geen sprake meer van een versnelling. De netto kracht is dan nul, dus de voorwaartse en de tegenwerkende kracht is even groot.
Uitwerking vraag (b)
P = Fv → 8,0 * 102 = F * (50 / 3,6) → F = 58 N
Uitwerking vraag (c)
F = cv2 → 58 = c * (50 / 3,6)2 → c = 0,301
Voor de topsnelheid zou dan gelden:
F = 0,301 * (133,78 / 3,6)2 = 4,2 * 102 N
Voor P geldt dan:
P = Fv = 4,2 * 102 * (133,37 / 3,6) = 1,5 * 103 W = 1,5 kW.
Uitwerking vraag (d)
- Aangepaste, gestroomlijnde vorm
- Speciale banden met lage rolweerstand
- Speciale lak tbv een lagere luchtweerstand
Uitwerking vraag (e)
s = vgem * t → 200 = (133,78 / 3,6) * t → t = 5,4 s
E = P * t = 9,0 * 102 * 5,4 = 4,86 * 103 J
η = Pnuttig / Ptotaal → 0,25 = 4,86 * 103 / Ptotaal
Ptotaal = 19 * 103 J = 19 kJ
Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.