Eenheid van evenredigheidsconstante v², F - diagram

Suzanne stelde deze vraag op 21 januari 2011 om 18:06.

Hallo!

Ik zit al een aantal dagen met een vraag knel, en weet er even geen raad meer mee. Voor een verslag moet ik uitleggen wat de eenheid van de evenredigheidsconstante is uit een v², F-diagram. De constante zelf is geen probleem, echter wel de eenheid. Het moet een SI-eenheid zijn, maar ik kom er niet uit.

F staat als variabele op de x-as, v² op de y-as. De eenheid van F, is newton.. de eenheid van v² is (m/s)². Dus zou je als eenheid krijgen: (m/s)²/N. Alleen helaas pindakaas valt deze niet onder de SI-eenheden. Ik heb al van alles geprobeerd door de N te vervangen, maar kom er niet uit.

Alvast bedankt!!!

Suzanne

 

 

Reacties

Theo op 21 januari 2011 om 20:12

Suzanne, 21 jan 2011

F staat als variabele op de x-as, v² op de y-as. De eenheid van F, is newton.. de eenheid van v² is (m/s)². Dus zou je als eenheid krijgen: (m/s)²/N. Alleen helaas pindakaas valt deze niet onder de SI-eenheden.


Je maakt het jezelf te moeilijk Suzanne.

Neem even een kracht:  F = m.a  ofwel [kg][m/s2] als dimensie (of eenheid). En omdat  kg.m.s-2 zo'n mond vol is en we een stapel bekende natuurkundigen hebben die we willen herinneren, noemen we die eenheid "Newton". Is Newton daarmee geen SI-eenheid? Strikt genomen als naam niet, maar in zijn onderdelen  kg.m.s-2 wel.

Dus als jij een grafiek hebt en concludeert dat eenheid (m/s)2/N is, dan kun je die N vast wel tot zijn SI-basiseenheden terugbrengen. En de breuk daarna nog een beetje opschonen zodat er geen s/s achtige zaken overblijven!

Suzanne op 21 januari 2011 om 20:38

Hallo,

Hier was ik inderdaad ook al achtergekomen. Echter schijnt dan het 'wegstrepen' wel het probleem te zijn. Van andere bronnen hoor ik dat er Watt (Nm/sec) uit moet komen, alleen kom ik hier zelf niet op. In iedergeval bedankt voor het reageren.

 

Suzanne

Theo op 21 januari 2011 om 20:53

> Watt (Nm/sec)

Als de Y-as  v2  weergeeft (in m2/s2) en de X-as kracht in N dan is de evenredigheidsconstante (of richtingscoefficient in wiskunde) ΔY/ΔX met als eenheid  m2s-2N-1 = m2s-2(kg.m.s-2)-1 = m/kg

De Watt = Nm/s = (kg.m/s2)/s = kg.m.s-3 en dat is toch echt een andere dimensie dan m/kg  (of kg-1m)

Dus of de Watt klopt niet of er stond iets anders langs je Y en X as uitgezet...

suzanne op 21 januari 2011 om 23:15

Nee, wat ik benoemde klopt. Weet ook niet hoe ze eraan komen, maar weet ik dat het idd niet klopt..

 

Bedankt!

 

Suzanne

Theo op 22 januari 2011 om 13:23

Je past in elk geval wel een goed principe toe in de natuurkunde (maar ook andere exacte vakken). Na het oplossen van problemen zijn er altijd 2 controle-vragen:

  • is het antwoord redelijk?
    (een temperatuur van +5 graden in een vriesvak lijkt dat niet te zijn, 500 km/u voor een klein autootje ook niet, 50 gram voor een zak aardappelen evenmin)
  • klopt het ook dimensioneel? Is het antwoord in de juiste dimensies?
    (zo niet, dan is er onterecht iets gedeeld of vermenigvuldigd of opgeteld: een liter kun je niet bij een kilo optellen. Een versnelling van 500 Joules (waar m/s2 wordt verwacht) suggereert ook dat "ergens" iets fout gegaan is - vergeten door een massa en een afstand te delen?)

Uitgaand van je opmerkingen lijkt het "Watt" kamp het dus aan het verkeerde eind te hebben.

Overigens is het voor een snel begrip helemaal niet ongewoon om de coefficient in jouw grafiek in eenheid  m/s per Newton aan te geven. Dan is meteen duidelijk dat als ik 1 N extra kracht uitoefen, het kwadraat van de snelheid met een bepaald getal groter wordt. Als we  1 kg.m/s2 toevoegen is dat toch minder snel invoelbaar, al doen we precies hetzelfde.

(normaal zou bij een krachtsverhoging een hogere versnelling horen (ΔF = mΔa) en daardoor steeds toenemende (ipv gelijkblijvende)  snelheid maar ik neem aan dat in jouw proefresultaten dit teniet wordt gedaan door een even grote tegenwerkende kracht die ervoor zorgt dat de snelheid toch (weer) constant wordt)

Suzanne op 22 januari 2011 om 17:15

Het verband tussen de voortplantingssnelheid van een golf en de spankracht in een koord moet worden onderzocht. Dit zijn de meetresultaten. De theorie zegt dat v² rechtevenredig is met F, dit moest aangetoond worden met een grafiek .



Onze metingen wijken echter af, door de punten ontstaat machtsfunctie



. Dit is hoogstwaarschijnlijk een fout bij de metingen, al heeft dit zeer nauwkeurig, en zelfs onder begeleiding, plaatsgevonden.

 

 

 

Theo op 22 januari 2011 om 18:48

Als de discussie over snaren en golven gaat, dan geldt inderdaad F = μ v2  of in jouw geval (met Y-as voor v2)

v2 = F .c = F/μ   

en heeft de μ de dimensie van kg/m en jouw constante c (=1/μ) de dimensie m/kg. Deze constante geeft een indruk van de hoeveelheid massa die in een snaar van een meter lang zit. Dikkere snaar, meer massa in een meter, grotere μ en dus kleinere c . Bij gelijke kracht F dan dus een kleinere golfsnelheid v.

Je vindt je meetresultaten niet perfect. Gelukkig maar - in de "echte" natuurkunde is zelden iets perfect. En daardoor komen er ook altijd afwijkingen van wat je verwacht. Niet voor niets maken fysici het zich soms wat makkelijker door te zeggen "ideaal gas", "verwaarloos wrijving", "perfect rond" terwijl we allemaal weten dat dat eigenlijk niet kan. Maar als hierdoor toch een antwoord kan worden gekregen dat bijna goed is, dan hebben we met 10% inspanning toch 95% van het resultaat. Dat noemt men dan wel de werkelijkheid "modelleren" of "abstraheren" - versimpelen omdat het anders te ingewikkeld wordt en die ingewikkeldheid niet echt veel aan het resultaat verandert.

Terug naar je experiment. In geval van je snaar zou die bij grotere kracht wel eens niet elastisch kunnen oprekken maar plastisch. Dat wil zeggen dat het nooit meer de oorspronkelijke vorm zal aannemen en een beetje uitgerekt blijft. Heb je je metingen zowel bij toenemende als ook bij afnemende kracht gemeten? Alleen als die elkaar overlappen is de elastische grens niet overschreden.  Is de snaar perfect homogeen en overal even dik? Kleine afwijkingen doen de snaar op die plekken ook een pietsie anders gedragen.

Metingen hebben ook altijd meetfouten. Systematische maar ook toevallige bij het aflezen (met oog of via een sensor). Kun je achterhalen hoe nauwkeurig (en welke foutmarge) je metingen hadden? Als je het nauwkeurigheidsinterval eens als vertikaal streepje door je meetpunt zet dan kun je zien of een rechte lijn wel binnen die foutenmarge blijft. 

En dan kan iedereen zeggen "ja maar een slingerlijn kan ook tussen die streepjes" dan is dat wel zo, maar het is natuurkundig onwaarschijnlijk dat een voorwerp zich grillig gedraagt - natuurkundige processen gaan meestal (niet altijd) vrij continu - de toestand verandert telkens een beetje en meestal in 1 richting.

Maar het kan wel - grillig zijn. Dus probeert men dan met nauwkeuriger apparatuur alles nog eens over te doen. En nog nauwkeuriger. En misschien op een andere manier ook tot dezelfde resultaten zien te komen. Om zoveel mogelijk grilligheid uit te sluiten. En dan blijkt dat een rechte lijn heel goed kan. Maar dat de helling ervan (de μ of c die je wilt berekenen) blijft een zekere speling houden.

Zonder alle details te (willen) kennen, zien je metingen er hoopvol uit, Suzanne!

Jan op 22 januari 2011 om 18:52

Suzanne, 22 jan 2011

 Dit is hoogstwaarschijnlijk een fout bij de metingen,   

Hmm, altijd mogelijk natuurlijk, maar.....

De theorie zegt , met µ de massa per meter lengte van de snaar, dus

Ik vermoed eerder dat het niet zozeer misgaat in je metingen, dan wel bij wat jij als constant veronderstelt, maar wat in werkelijkheid niet constant is.

Ik veronderstel even dat je de lengte van je snaar constant hield (zoals bij een gitaarsnaar). Een snaar aanspannen betekent in zo'n geval dat je de massa tegelijkertijd onvermijdelijk verkleint. Je draait bij een gitaar immers een stukje materiaal rondom dat pennetje waarmee je de snaar aanspant.

Een grotere kracht betekent dus tegelijkertijd een kleinere massa, waardoor je het effect van een kracht op je v² versterkt. Je zou zo bij 0,5 N een v² gemeten hebben die je bijvoorbeeld anders pas bij bijv. 0,55 N gemeten zou hebben.

Verder voldoet een snaar niet perfect aan de wet van Hooke. Een veerconstante k uit Fveer = k·u is alleen constant over geringe veranderingen in uitrekking. In de bijlage een grafiek van de uitrekking van een koperdraad waaraan een steeds grotere massa opgehangen werd.



Door de massa te vergroten van 0 naar 4 kg werd de lengte 0,5 mm groter, maar door de massa te vergroten van 14 naar 18 kg (een gelijke TOENAME van kracht) werd de lengte maar liefst 0,9 mm groter. Hiermee komen we van de theoretisch-natuurkundige wereld terecht in de praktische ingenieurswereld.

Nog zoiets, dit is een formule die alleen geldig is bij zéér kleine uitwijkingen. Bedenk dat als er meer buiken moeten ontstaan op de snaar bij een gelijke amplitude, dat dan de snaar in zo'n buikstand langer moet zijn dan wanneer er maar één buik op staat.



 Dat kan natuurlijk nogal wat schelen voor de factor m/L die gemiddeld speelt tijdens je trilling.

Het zou dus fijn zijn als je voor het zoeken van je theoretische verband ook een theoretische snaar had. Eentje die zo min mogelijk langer wordt (liefst helemaal niet) bij grotere spankracht, en als hij dat al doet, netjes voldoet aan de wet van Hooke zodat je er rekening mee kunt houden. Bij echte snaren niet teveel gaan meten onder extreem kleine of extreem grote spankrachtenDan nog heel bewust slechts een minimale amplitude geven.

In theory, there is no difference between theory and practice. In practice, there is. Dat maakt bijna elk natuurkundeproefje, hoe netjes ook uitgevoerd, bij voorbaat tot een raadsel. Want wij natuurkundeleraren vereenvoudigen de echte wereld in de klas. (Vallende voorwerpen ondervinden geen wrijving, kanonskogels krijgen geen spin, de weerstand van een resistortje is bij alle stroomsterktes gelijk, etc.) Bij slordig uitgevoerde practica, met het vaak gebrekkige schoolmateriaal, klopt er van heel de theoretische wereld niks meer, en bij netjes uitgevoerde proefjes blijkt de wereld vaak tóch anders dan de -vereenvoudigde- theorie zegt. Kortom, eigenlijk staan we jullie -met de beste bedoelingen hoor- een beetje voor de gek te houden, want de wereld is te ingewikkeld om tot in detail uit te leggen op de middelbare school. En dat valt op als je dit soort proefjes netjes uitvoert .

Groet, Jan

Suzanne op 22 januari 2011 om 22:00

Ontzettend bedankt voor de reacties! Het helpt mij verder te denken en verder te kijken dan mijn neus lang is.

Het kwam erop neer dat als je de spankracht in een koord vergroot, de golfsnelheid toeneemt. De spankracht moest in het koord verandert worden door het statief te verschuiven. Dus het touw is wel strakker getrokken etc. Hierbij moest zowel de spankracht als de golflengte gemeten worden. We hebben de metingen van 2, 3, 4, 5, 6, 7 en 8 buiken. Dit ook in deze volgorde, waardoor de golflengte en kracht steeds kleiner werd en het touw steeds verder uitgerekt. Volgens mij zou het dus best een elastische grens kunnen hebben overschreden?

De snelheid hebben we uitgerekend met de formule: v = lambda x de frequentie (=50 Hz). Vervolgens gekwadrateerd en dus in de grafiek uitgezet tegen de kracht.

Of het touw homogeen en even dik was, durf ik niet met zekerheid te zeggen. Ik ben wel van plan de proef nog een keer uit te voeren met een touw van ander materiaal of met een andere dichtheid. Dit om te kijken of de voortplantingssnelheid van een golf hier afhankelijk van is. Wellicht dus een dikker, homogeen touw.

Nog even terugkomend op mijn onzekerheid over de eenheid van de richtingscoëfficient.. deze is dus als ik het goed heb gelijk aan: m2s-2N-1 =  m2s-2(kg.m.s-2)-1 = m/kg

Ik vind het fijn hier even feedback over te krijgen, omdat ik toch graag een goed en waardig verslag in wil leveren. Dus heel erg bedankt daarvoor :-).

Theo op 22 januari 2011 om 22:26

Suzanne, 22 jan 2011

Nog even terugkomend op mijn onzekerheid over de eenheid van de richtingscoëfficient.. deze is dus als ik het goed heb gelijk aan: m2s-2N-1 =  m2s-2(kg.m.s-2)-1 = m/kg

 Inderdaad. In boeken vind je F = μ.v2  en dan moet μ de dimensie kracht/snelheid2 hebben (= kg/m uiteindelijk). Dan zou je in een grafiek de Y-as voor F en de X-as voor de v2 gebruiken (in wiskunde gebruik je ook altijd y = f(x) en de richtingscoefficient is ΔY/ΔX).

Jij hebt het net andersom gedaan: v2 = c.F  en dan is de dimensie van c  snelheid2/kracht (= m/kg) omdat nu ook ΔY/ΔX omgekeerd is want de Y-as geeft nu v2 en X de kracht.

Het is niet beter of slechter - gewoon andersom. Maar als je c = 1/μ stelt kun je v2 = c.F omschrijven naar v2 = F/μ of F = μ.v2

Dus: meeste boeken : F = μ.v2     [μ] = kg/m
 Suzanne:                    v2 = c.F     [c]  = m/kg   (en c = 1/μ]

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Clara heeft zeven appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Clara nu over?

Antwoord: (vul een getal in)