slingerstoten
Hedwig stelde deze vraag op 18 december 2010 om 16:27.Ik moet voor een opdracht voor natuurkunde het maximaal vermogen van een sporter schatten, die een nieuwe sport beoefend. Het gaat hier om de sport slingerstoten, waarbij een kogel (A) aan een touw in horizontale richting moeten worden geslingerd en vervolgens, als de snelheid maximaal is, tegen een kogel (B), die op een paal ligt, moet worden gestoten.
Ik moet de lengte van het veld bpalen door de meest geschikte massa van de kogels en de meest geschikte lengte van het touw vast te stellen.
Hiervoor moet ik oook het vermogen schatten van een persoon die deze sport op topniveau beoefent.
Heeft U enig idee hoeveel Watt dit ongeveer zou kunnen zijn?
Reacties
Ik begrijp dit niet helemaal: de hele opgave bestaat uit onbekende variabelen (kogels, lengte touw, veld, hoogte paal) en daar moet dan het vermogen van een sporter uit berekend worden? Dat lijkt eerder de enige "bekende" factor - al zal die sterk afhangen van de keuze van de persoon en diens (uithoudings)vermogen - de rest van het experiment is daarvan afhankelijk: type Yuri van Gelder, Epke Zonderland, Paul de Leeuw, Erika Terpstra?
Alvast een voorschot op het nodige vermogen.
Vermogen is de arbeid die per seconde wordt verricht of de verandering (toevoer/afname) in energie per seconde.
Voor orde-groottes: in rust "verbrandt" de doorsnee mens in zijn lichaamscellen al 100W om zijn lichaam op temperatuur te houden. Skieen gebruikt zo'n 1050 W, hardlopen 1340 W.
Om een kogel aan een touw rond te slingeren heb je in elk geval met een paar krachten te maken:
- zwaartekracht - die probeert de kogel naar beneden te trekken en daarmee diens slingercirkelbaan kleiner te maken en uiteindelijk nul (de kogel gaat in een cirkelboog, met als straal de lengte van het touw en als middelpunt je hand waar het touw wordt vastgehouden, naar beneden). De potentiële energie van de kogel in het zwaartekrachtveld neemt dan af.
- luchtwrijving - deze is evenredig met het kwadraat van de lineaire baansnelheid v waarmee de kogel in zijn slingerbaan ronddraait (en het "effectieve oppervlak" waarmee de kogel door de lucht beweegt). Om de kogel in zijn baan te houden moet de snelheid worden behouden en daarmee energie toegevoerd die het verlies door wrijving compenseert. Dat betekent per omwenteling een energie gelijk aan de Fwrijving maal de omtrek van de slingercirkel (2 π r).
- ronddraaien - het touw zorgt voor de ronddraaiende beweging en de centripetale kracht langs het touw zorgt hiervoor. Aangezien de kogel op touwlengte afstand blijft kost dit verder geen energie (F.Δs = 0).
Het vermogen (energie/seconde) dat de sporter moet leveren is tenminste de energietoevoer per seconde om afname van bovengenoemde potentiele energie door de zwaartekracht en kinetische energie door luchtwrijving te compenseren. Plus zo'n 100 W om in leven te blijven ;-)
Hoe groot het speelveld moet zijn hangt van weer veel zaken af:
- hoe hoog is de paal waar kogel B vanaf gestoten wordt? De kogel zal langs een paraboolbaan naar beneden vallen - of minder als we ook hier de luchtwrijving meerekenen. Hoe hoger de paal, hoe verder de kogel zal komen
- welke massa heeft de kogel B? Kogel A en B wisselen bij botsing impuls uit. Aannemend dat de slingeraar (Thierry la Fronde?) het touw loslaat op moment van botsing en "dus" A rechtlijnig tegen B knalt, dan gaan beiden in dezelfde horizontale richting verder met elk eigen snelheid, alleen B gaat verder of A kaatst terug. Dat volgt uit impulsbehoud waarbij eerst alleen A impuls heeft dat na botsing over A en B verdeeld wordt afhankelijk van de kogelmassa's. En allebei vallen naar beneden door de zwaartekracht.
- hoe lang is het touw (maw wat is de baansnelheid van de kogel A)?
Genoeg vrijheidsgraden dus voor allerlei oplossingen...