Intermediate · Oplossingen · 9. Arbeid, energie en vermogen StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
SE
StemExpert
I9. Arbeid, energie en vermogen — oplossingen
IIntermediate · deel I3 · Mechanica
Oplossingen · hoofdstuk 9Arbeid, energie en vermogen
Kracht maal weg: hoe energie van vorm verandert, hoeveel ervan verloren gaat, en hoe snel
Uitgewerkte oplossingen bij de 17 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.
Welke grootheid moet je eerst omzetten bij de zwaluw en de vrachtwagen?
De massa van de zwaluw in kg (20 g = 0,020 kg), en bij de vrachtwagen de snelheid in m/s (90 km/h = 25 m/s) en de energie in J (3,9 MJ = 3 900 000 J).
9.4
Joule, wattuur en watt
Oefenen4Rekenen15 min
Energie en vermogen komen in veel eenheden voor. Reken om en bereken.
a
Hoeveel joule is 2,4 Wh? En 1,2 kWh?
2,4⋅3600=8640J; 1,2⋅3,6=4,32MJ.
b
De pomp van Habitat (12 W) draait 6 uur per dag. Hoeveel energie is dat in Wh, in kWh en in MJ?
12⋅6=72Wh=0,072kWh; 72⋅3600=259200J=0,26MJ.
c
Een lift tilt 800 kg (cabine en personen) 20 m hoog in 16 s. Welk vermogen is daar minstens voor nodig?
P=tmgh=16800⋅9,81⋅20=9,8kW (zonder verliezen).
d
Het dakpaneel wordt met 59 N aan 0,10 m/s dichtgetrokken. Bereken het vermogen op twee manieren.
P=F⋅v=59⋅0,10=5,9W. Of: W=59⋅0,50=29,5J in de constante fase van 5,0 s, dus P=29,5/5,0=5,9W.
9.5
Rendement en Sankey
Oefenen4Tekenen15 min
Een elektrische heftruck neemt 5,0 kW op. Hij tilt een pallet van 600 kg in 4,0 s 2,5 m hoog. De motor wordt warm, en in de hydraulica gaat ook energie verloren.
Een tennisbal valt van 1,50 m en stuitert terug tot 0,82 m. Welk deel van de energie gaat per stuiter verloren?
Ep is evenredig met de hoogte: 0,82/1,50=0,55. De bal houdt 55 % en verliest 45 % per stuiter (warmte en geluid bij het vervormen).
c
Van welke hoogte moet je de bal laten vallen opdat hij de grond raakt met 10 m/s?
h=2gv2=19,62100=5,1m.
9.7
De achtbaan met wrijving
Toepassen5Analyseren20 min
Het karretje van de achtbaan uit het handboek (500 kg) vertrekt bijna stil op 30 m. Metingen tonen dat het in het laagste punt B (0 m) 23,3 m/s haalt en op de top van heuvel C (20 m) 10,6 m/s. Het baanstuk van A naar B is 80 m lang, van B naar C 60 m.
a
Bereken de mechanische energie in A, B en C.
A: Ep=500⋅9,81⋅30=147,2kJ, Ek=0, samen 147,2 kJ. B: Ep=0, Ek=21⋅500⋅23,32=135,7kJ. C: Ep=98,1kJ, Ek=21⋅500⋅10,62=28,1kJ, samen 126,2 kJ.
b
Hoeveel energie is er tussen A en B en tussen B en C verloren gegaan? Waar naartoe?
Van A naar B: 147,2 − 135,7 = 11,4 kJ. Van B naar C: 135,7 − 126,2 = 9,5 kJ. De verloren energie wordt warmte in wielen en rails, en in de lucht (die ook wat opwarmt en in beweging komt).
c
Hoe groot is de gemiddelde wrijvingskracht (wielen en lucht samen) op elk baanstuk? Vergelijk met het gewicht.
A naar B: Fw=11430/80=143N. B naar C: 9530/60=159N. Ongeveer 150 N, zo'n 3 % van het gewicht (4905 N); op het tweede stuk iets meer, omdat de luchtweerstand bij hoge snelheid groot is.
9.8
Labo: vermogen op de trap
Toepassen5Labo40 min
Voer de proef uit het handboek uit met drie leerlingen en twee manieren van naar boven gaan.
a
Noteer de metingen en bereken per poging de zwaarte-energie en het vermogen.
Typisch 150 à 250 W stappend, 400 à 800 W lopend.
b
Wie levert het grootste vermogen? Is dat ook wie het snelst boven is? Leg uit.
Niet noodzakelijk: een zwaardere leerling die iets trager is, kan meer vermogen leveren, want P = m · g · h / t.
c
Schat met een spierrendement van 25 % hoeveel energie je lichaam verbruikte bij je snelste poging.
Bij 512 W nuttig gedurende 3,4 s: 1741J/0,25≈7kJ verbruikt.
d
Noem twee foutenbronnen en hun invloed op P (te groot of te klein).
Reactietijd bij starten en stoppen (±0,2 s op 3,4 s is ±6 % op P); niet de hele hoogte gemeten; de energie voor het bewegen van armen en benen en voor de kinetische energie bovenaan telt niet mee (P is dan te klein).
Zo wordt dit beoordeeld
Metingen
Hoogte van een trede tot op 0,5 cm, aantal treden, tijden herhaald.
Berekening
Ep en P correct, eenheden.
Interpretatie
Vermogen hangt af van massa én tijd; vergelijking eerlijk gemaakt.
Foutenanalyse
Reactietijd bij de stopwatch en het niet meetellen van beweging van armen en benen besproken.
9.9
Onderzoek: hoeveel energie verliest een stuiterbal?
Toepassen5Onderzoeken45 min
Laat een bal vallen tegen een meetlat en film hem (liefst in slow motion). Lees de hoogte van elke top af.
a
Formuleer een onderzoeksvraag en een hypothese over de terugsprong.
Bijvoorbeeld: 'Verliest een bal bij elke stuiter hetzelfde deel van zijn energie?' Hypothese: ja, een vast percentage.
b
Meet de hoogte van de eerste vijf toppen.
Bijvoorbeeld 150, 82, 45, 25, 14 cm (tennisbal op beton).
c
Is de verhouding constant? Welk soort verband volgt daaruit voor de hoogte na n stuiters (hoofdstuk 5)?
Ongeveer constant (hier 0,55): elke stuiter houdt hetzelfde deel over. Dan is hn=h0⋅0,55n: exponentieel verval.
d
Herhaal op een andere ondergrond. Wat besluit je?
Op een zachte ondergrond (tapijt, gras) is de verhouding kleiner: de ondergrond vervormt en zet meer energie om in warmte.
Zo wordt dit beoordeeld
Opzet
Vraag en hypothese; starthoogte constant; camera loodrecht op de meetlat.
Een fietser levert 200 W aan de trappers. Op een vlakke weg zijn lucht- en rolweerstand samen 25 N bij de snelheid waarmee hij rijdt. Fietser en fiets wegen samen 80 kg.
a
Hoe snel rijdt hij, in m/s en km/h?
v=P/F=200/25=8,0m/s=28,8km/h.
b
Nu rijdt hij een helling van 5 % op, met dezelfde 200 W. Welke extra kracht moet hij langs de helling leveren?
F∥=80⋅9,81⋅sin(tan−10,05)=39,2N.
c
Schat zijn snelheid op de helling als je de luchtweerstand verwaarloost en de rolweerstand 4,0 N is.
v=39,2+4,0200=4,6m/s=17km/h.
9.11
Python: een pompplanner
Toepassen5Programmeren20 min
In een eb-en-vloedsysteem draait de pomp elk uur een tijdje. Het programma berekent het dagverbruik.
# pompplanner.py - hoeveel energie kost de waterkringloop per dag?P_POMP=12.0# opgenomen vermogen van de pomp (W)DEBIET=5.0# liter per minuut bij 1,5 m opvoerhoogteBATTERIJ=1200.0# bruikbare energie in de batterij (Wh)minuten_per_uur=15# de pomp draait elk uur een kwartieruren=24pomptijd=minuten_per_uur*uren/60# uren per dagenergie=P_POMP*pomptijd# Wh per dagliters=DEBIET*minuten_per_uur*uren# liter per dagprint("pomptijd per dag:",pomptijd,"h")print("energie per dag:",energie,"Wh")print("rondgepompt water:",liters,"L")print("deel van de batterij:",round(100*energie/BATTERIJ,1),"%")
a
Voorspel de uitvoer en voer het programma uit.
pomptijd per dag: 6.0 h, energie per dag: 72.0 Wh, rondgepompt water: 1800.0 L, deel van de batterij: 6.0 % (gecontroleerd).
b
De planten hebben maar 10 minuten per uur nodig, en 's nachts (8 uur) helemaal niet. Pas het programma aan. Wat wordt het verbruik?
minuten_per_uur = 10 en uren = 16: pomptijd 160/60=2,67h, energie 12⋅2,67=32Wh (2,7 % van de batterij), 800 L water.
c
Voeg een regel toe die het rendement print, met 60 kg per 60 L en een opvoerhoogte van 1,5 m.
Bijvoorbeeld nuttig = liters * 9.81 * 1.5 / 3600 (Wh zwaarte-energie, want 1 L weegt 1 kg) en print('rendement:', round(100 * nuttig / energie, 1), '%'). Uitkomst: 10,2 %.
9.12
De slinger
Toepassen5Rekenen20 min
Een massa hangt aan een touw van 1,00 m. Je trekt ze opzij tot het touw 30° met de verticale maakt, en laat los.
a
Hoeveel hoger dan het laagste punt hangt de massa bij de start? Gebruik goniometrie (hoofdstuk 6).
h=L−Lcos30∘=1,00⋅(1−0,866)=0,134m.
b
Bereken de snelheid in het laagste punt.
v=2⋅9,81⋅0,134=1,62m/s.
c
Waarom doet de spankracht van het touw geen arbeid?
Het touw trekt altijd langs de straal, loodrecht op de cirkelbaan: de hoek met de verplaatsing is 90°.
d
Tot welke hoek zwaait de massa aan de andere kant? En na enkele minuten?
Zonder wrijving tot 30°: dezelfde hoogte. Door luchtweerstand en wrijving in het ophangpunt wordt de uitslag langzaam kleiner.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
9.13
Habitat: het energiebudget van de waterkringloop
Uitdagen6Habitat45 min
De pomp van de waterkringloop (12 W, 5,0 L/min bij 1,5 m) voedt de kweekgoten. Voorlopig rekenen we met een batterij van 1,2 kWh. Twee plannen liggen op tafel. Plan A: de pomp draait continu, 24 uur per dag. Plan B: eb en vloed, overdag (16 uur) elk uur 15 minuten, 's nachts niet. De planten hebben minstens 600 L rondgepompte oplossing per dag nodig.
a
Bereken voor beide plannen de pomptijd, de elektrische energie per dag (Wh) en het rondgepompte volume.
Hoeveel van die energie wordt zwaarte-energie van het water, en waar blijft de rest?
Rendement 10,2 %: A 29 Wh, B 4,9 Wh zwaarte-energie (controle B: 1200⋅9,81⋅1,5=17660J=4,9Wh). De rest wordt warmte in motor, pomp en leidingen, en ook de zwaarte-energie wordt warmte als het water terugstroomt.
c
Voldoen beide plannen aan de eis van 600 L? Welk plan kies je? Verantwoord met getallen.
Beide halen 600 L. Plan B kost 6 keer minder energie (48 tegenover 288 Wh) en levert nog het dubbele van wat nodig is: plan B. (Plan A kost een kwart van de batterij per dag: in de winter, met weinig zon, is dat te veel.)
d
Een klasgenoot stelt een pomp met een rendement van 30 % voor (zelfde debiet en hoogte). Hoeveel vermogen neemt die op, en hoeveel bespaar je per dag in plan B?
Nuttig vermogen 1,23W; bij 30 %: 1,23/0,30=4,1W. Plan B: 4,1⋅4,0=16Wh in plaats van 48 Wh, dus 32 Wh per dag minder.
Zo wordt dit beoordeeld
Berekening
Pomptijd, energie en volume correct voor beide plannen; eenheden Wh en L.
Energie
Nuttige energie met m · g · h; verlies benoemd als warmte.
Keuze
Plan getoetst aan de eis van 600 L en aan de batterij; afweging met getallen.
Uitbreiding
Opgenomen vermogen bij 30 % correct uit het nuttige vermogen afgeleid.
9.14
Habitat: energie en vermogen van de dakmotor
Uitdagen6Rekenen25 min
Het schuifpaneel (10 kg, 25°, μk = 0,20) wordt over 0,60 m dichtgetrokken met gemiddeld 59,2 N, aan 0,10 m/s. Een wormoverbrenging is zelfremmend, maar heeft een laag rendement: reken voor motor en overbrenging samen met 30 %. Het dak gaat gemiddeld vier keer per dag open en dicht.
a
Bereken de arbeid van de riem bij één keer sluiten, en splits ze op in zwaarte-energie en warmte.
W=59,2⋅0,60=35,5J. Zwaarte-energie: 10⋅9,81⋅0,60sin25∘=24,9J. Warmte in de glijders: 17,8⋅0,60=10,7J.
b
Bereken het mechanische en het elektrische vermogen tijdens de constante fase.
Pmech=59,2⋅0,10=5,9W; Pel=5,9/0,30=20W.
c
Schat de elektrische energie per dag (openen kost ongeveer 40 % van sluiten). Vergelijk met de pomp in plan B van opdracht 9.13.
Sluiten: 35,5/0,30=118J; openen ongeveer 0,4⋅118=47J. Per dag 4⋅165=660J=0,18Wh: minder dan 1 % van de 48 Wh van de pomp.
d
Waarom is een laag rendement hier geen probleem, en bij de pomp wel?
Het dak draait maar een halve minuut per dag: zelfs met 30 % is het verbruik verwaarloosbaar, en de zelfremming is veel belangrijker. De pomp draait uren per dag: daar telt elke procent rendement.
9.15
Een reep chocolade en de trap
Uitdagen6Analyseren20 min
Op de verpakking van een reep chocolade van 50 g staat een energie van 1000 kJ. Je spieren zetten ongeveer 25 % van de energie uit voeding om in arbeid. Je weegt 60 kg; een verdieping is 3,0 m hoog.
a
Hoeveel arbeid kunnen je spieren met die reep leveren?
0,25⋅1000kJ=250kJ.
b
Hoe hoog kan je daarmee klimmen, en hoeveel verdiepingen is dat?
h=60⋅9,81250000=425m: ongeveer 140 verdiepingen.
c
Een trap van 10 verdiepingen oplopen: hoeveel reep 'verbruik' je (met het rendement)?
Ep=60⋅9,81⋅30=17,7kJ; gedeeld door 25 %: 71 kJ, ongeveer 7 % van de reep.
d
Waarom is je lichaam toch warm na het klimmen? Waar ging de rest van de energie heen?
75 % van de omgezette energie wordt warmte in je spieren. Die moet je lichaam kwijt: zweten, een rood gezicht, snellere ademhaling. (Daarnaast verbruik je ook energie om te leven, los van het klimmen.)
9.16
Remmen en terugwinnen
Uitdagen6Analyseren25 min
Een elektrische auto van 1500 kg rijdt 10 km door de stad aan 50 km/h en moet onderweg 20 keer tot stilstand remmen. Bij recuperatief remmen werkt de motor als dynamo en laadt hij de batterij; neem aan dat 60 % van de kinetische energie zo terug in de batterij komt. Rij- en luchtweerstand verwaarloos je in deze opdracht.
a
Hoeveel kinetische energie heeft de auto aan 50 km/h?
Ek=21⋅1500⋅13,92=145kJ.
b
Hoeveel energie moet de motor over de 10 km leveren om 20 keer op te trekken? Hoeveel is dat in kWh?
20⋅145=2,89MJ=0,80kWh (zonder motorverliezen).
c
Hoeveel wint recuperatief remmen terug? Vergelijk met een verbruik van ongeveer 1,5 kWh per 10 km in de stad.
0,60⋅0,80=0,48kWh, ongeveer een derde van 1,5 kWh. In het stadsverkeer is terugwinnen dus heel belangrijk; op de autosnelweg, met weinig remmen, veel minder.
d
Waar gaat de remenergie heen bij een gewone auto?
Alles wordt warmte in de remschijven en remblokken (en wat in de banden en de lucht).
9.17
Water als batterij voor het station?
Uitdagen7Argumenteren40 min
Een ontwerper stelt voor om de energie van Habitat op te slaan in een watertoren: overdag water 10 m hoog pompen met zonnestroom, 's nachts het water door een kleine turbine laten terugstromen. Het rendement van de hele cyclus (pomp, leidingen, turbine) schat hij op 50 %. Het station heeft 's nachts 1,2 kWh nodig.
a
Hoeveel water moet er in de toren om 's nachts 1,2 kWh te leveren?
Er moet 1,2kWh/0,50=2,4kWh=8,64MJ zwaarte-energie in de toren zitten. m=9,81⋅108,64⋅106=88000kg: 88 m³ water, 10 m hoog.
b
Vergelijk met een lithiumbatterij van 1,2 kWh (ongeveer 12 kg). Hoeveel keer zwaarder is het water?
88000/12≈7300 keer zwaarder, en dan moet het water ook nog 10 m hoog staan.
c
Controleer met de gegevens uit het verhaal over Coo dat de uitbreiding van 600 000 m³ ongeveer 440 MWh extra betekent.
6⋅108kg⋅9,81⋅270=1,59⋅1012J; gedeeld door 3,6⋅109J/MWh geeft 441 MWh.
d
Schrijf een advies van vijf à zes regels: voor Habitat, en waarom het voor een land wel werkt.
Bijvoorbeeld: 'Voor Habitat afraden: 88 ton water op 10 m hoogte voor één nacht, tegenover een batterij van 12 kg. Zwaarte-energie is per kilogram heel klein (98 J per kg op 10 m, een lithiumbatterij bevat ongeveer 100 Wh = 360 000 J per kg). Een land heeft wel bergen en meren: in Coo zit 270 m hoogteverschil en 8,5 miljoen m³, en een stuwmeer slijt nauwelijks. Daar is het een goedkope, duurzame opslag voor gigawatturen.'
Zo wordt dit beoordeeld
Berekening
Massa uit m · g · h met het rendement verrekend; volume in m³.
Vergelijking
Verhouding met de batterijmassa, orde van grootte juist.
Coo
E = m · g · h voor 600 000 m³ en 270 m, omgerekend naar MWh.
Advies
Onderbouwd met getallen; verschil tussen kleine en grote schaal verklaard.