Eduqaleeromgeving
Leeromgeving Natuurkunde · 5 vwo H6 Arbeid en energie
0%
Hoofdstuk 6 · Les 5 van 9

Wet van behoud van energie: bewegingen zonder luchtweerstand

Bij elke energieomzetting of energieoverdracht is de totale energie vóór de gebeurtenis gelijk aan de totale energie erna. Zonder luchtweerstand wordt zwaarte-energie volledig kinetische energie, en omgekeerd.

15 min

Na deze les kun je

  • de wet van behoud van energie formuleren
  • met ΣEin = ΣEuit de snelheid bij een vrije val berekenen
  • de hoogte en eindsnelheid bij een verticale worp berekenen
  • uitleggen waarom de massa bij een vrije val niet uitmaakt

Dit weet je al

Ek, Ez en energie-stroomdiagrammen (les 6.2a en 6.2b).

Energie omzetten en overdragen

Een stukje steen dat uit de ruimte de dampkring binnenkomt, verliest zwaarte-energie én kinetische energie: de lucht remt het sterk af. De warmteontwikkeling is zo groot dat het steentje meestal verbrandt. Alle energie is dan omgezet in warmte en licht.

Energie kan ook worden overgedragen. Botst biljartbal A precies midden tegen een stilliggende bal B, dan gaat B verder. De kinetische energie van A is (op een beetje warmte na) overgedragen op B.

Voor elke omzetting of overdracht geldt de wet van behoud van energie:

ΣEin = ΣEuitBinasΣEin: alle energie vóór de gebeurtenis. ΣEuit: alle energie erna.

Het teken Σ (sigma) betekent: tel alle energiesoorten op.

Vrije val

Bij een vrije val is er geen luchtweerstand. De zwaarte-energie wordt volledig omgezet in kinetische energie; er ontstaat geen warmte. Laat je een bal los zonder beginsnelheid, dan is boven Ek = 0 en beneden (vlak voor de grond) Ez = 0:

Vrije val vanuit stilstandZelf afleiden
Ez,boven + Ek,boven = Ez,beneden + Ek,benedenΣEin = ΣEuit
m·g·hboven = ½·m·vbeneden2boven geen Ek, beneden geen Ez
g·hboven = ½·vbeneden2deel links en rechts door m

De massa valt weg: bij een vrije val doet de massa er niet toe. Een andere schrijfwijze is v2 = 2·g·h.

Verticale worp

Gooi je een bal vanaf een bepaalde hoogte recht omhoog, dan heeft de bal direct na het loslaten kinetische energie én zwaarte-energie. Tijdens het stijgen wordt kinetische energie omgezet in zwaarte-energie. In het hoogste punt heeft de bal alleen zwaarte-energie. Bij het dalen wordt die weer kinetische energie.

Energie tijdens een verticale worpDrie staven voor een bal van 1,0 kilogram: bij het loslaten, op het hoogste punt en net boven de grond. De totale hoogte van elke staaf is gelijk.18,1 J20,5 Jnet los van de handh = 1,85 m38,6 Jhoogste punth = 3,9 m38,6 Jnet boven de grondh = 0 m38,6 JEk (kinetisch)Ez (zwaarte)
De worp uit het voorbeeld, voor een bal van 1,0 kg. De verdeling over Ek en Ez verandert; de totale energie blijft 38,6 J.
✎Voorbeeld: een bal omhooggooien

Je gooit een bal vanaf 1,85 m hoogte met 6,4 m/s recht omhoog. Luchtweerstand is te verwaarlozen.

a. Hoogste punt.

  1. Ek,begin + Ez,begin = Ez,top, dus ½m·vbegin2 + m·g·hbegin = m·g·htop.
  2. Deel door m: ½ × 6,42 + 9,81 × 1,85 = 9,81 · htop, dus 38,63 = 9,81 · htop.
  3. htop = 3,9 m.

b. Snelheid bij de grond.

  1. Ek,begin + Ez,begin = Ek,eind, dus na delen door m: 38,63 = ½ · veind2.
  2. veind2 = 77,26, dus veind = 8,8 m/s.
≈Wat de formule je vertelt

Omdat in elke term de massa m staat, kun je links en rechts door m delen. De massa van de bal heb je dus niet nodig.

!Pas op

Kies één nulpunt voor de hoogte (meestal de grond) en gebruik dat voor begin en eind. Vergeet niet dat de bal al zwaarte-energie heeft als hij je hand verlaat.

Even controleren

Snap je het?

Een knikker en een baksteen vallen allebei vanuit stilstand 5,0 m (zonder luchtweerstand). Welke heeft vlak boven de grond de grootste snelheid?

Welke energie heeft een omhooggegooide bal in zijn hoogste punt?

↗Hoe hangt dit samen?

In de volgende les komt de luchtweerstand erbij: dan ontstaat warmte en valt de massa niet meer weg.

Klaar met deze les? Zet hem op gelezen; je voortgang staat rechtsboven.