Isaac Newton Omdat een beetje extra bijscholing nooit kwaad kan 

Presentatie over: "Isaac Newton Omdat een beetje extra bijscholing nooit kwaad kan "— Transcript van de presentatie:

1 Isaac Newton Omdat een beetje extra bijscholing nooit kwaad kan 

2 Inleiding Welkom bij deze powerpoint over Isaac Newton, waarin ik probeer je te laten zien wat voor een genie deze man was en hoe bijzonder zijn ideeën zijn geweest. Ik ben niet zuinig geweest met mijn woorden, maar deze powerpoint is ook om te lezen en niet om te presenteren. Ga lekker achterover zitten, en laat je verbazen!

3 Genie Eens in de zoveel tijd wordt er een genie geboren. Isaac Newton was er zo een. Was Newton een groter genie dan Einstein? Dat mag je zelf bepalen, maar Newton had niet alleen, net zoals Einstein, baanbrekende en nieuwe ideeën, zijn ontdekkingen zijn in zowat elk gebied van de natuurkunde te vinden. Zo heeft hij licht bestudeerd en een kleurentheorie opgesteld. Om de planeten te bestuderen ontwierp hij de eerste spiegeltelescoop, die een stuk nauwkeuriger was dan de bestaande telescopen met lenzen en de ontwerpen van vandaag de dag zijn nog steeds gebaseerd op deze newton telescoop. Daarnaast heeft hij onderzoek gedaan naar de beweging van vloeistoffen waarbij hij de eerste was op dit gebied in de natuurkunde en het lukte hem verbazingwekkend nauwkeurig om de snelheid van het geluid te berekenen. Zelfs was hij de uitvinder van een nieuwe tak in de wiskunde: differentiaal en integraal rekening (aan hem heb je differentiëren bij wis a dus te danken). En het allerbekendste zijn zijn wetten over kracht en beweging. Jeez als je dat op je CV kan zetten, hoe kan je in hemelsnaam zo onwijs slim zijn.

4 Genie Men zegt dat hij zo nieuwsgierig was dan hij met een naald tot de achterkant van zijn oog heeft gestoken om de werking van het oog te achterhalen. Alles voor de wetenschap. Hierin verschilt hij ook van Einstein, Newton was ook een uitstekende experimentele fysicus terwijl Einstein het bij de theoretische fysica hield. Zo Newton was een genie dat is wel duidelijk maar niet alleen heeft hij al deze ontdekkingen gedaan, zijn ontdekkingen waren ook nogal vaak radicaal en anders dan de algemene opvattingen. Bij de natuurkunde die je gaat leren dit jaar zal je met Newton in aanraking komen via zijn drie wetten over beweging en wat later met zijn gravitatiewet. Deze wetten vatten de wereld om ons heel zo compact en tot de kern samen en ze zijn overal van toepassing, dat is het mooie eraan. Laten we er even naar kijken.

5 De eerste wet van Newton

6 De eerste wet van Newton
We gaan even terug naar de zeventiende eeuw. Wat wisten we van beweging? We wisten hoe we het zagen en ervaarden: Om in beweging te komen en te gaan lopen, dat kost moeite. Als je een balletje rolt zal hij uiteindelijk weer stil komen te liggen. Intuïtief zou je dan zeggen: Voorwerpen in beweging zullen uiteindelijk tot stilstand komen als er geen kracht op werkt. Echter luidt newtons eerste wet: Een lichaam in rust blijft in zijn rusttoestand, of van gelijkmatige beweging in een rechte lijn tenzij het wordt gedwongen tot verandering in die toestand door krachten die erop worden uitgeoefend. Als je het leest denk je, oke, maar als je erover nadenkt is het onlogisch. In het dagelijks leven kennen wij geen bewegende voorwerpen die steeds maar blijven voortbewegen.

7 De eerste wet van Newton
Newton introduceerde hiermee onbekende en onzichtbare krachten zoals weerstand en aantrekkingskracht door bijvoorbeeld de aarde. De eerste wet van Newton wordt ook wel de traagheidswet genoemd, traagheid is de eigenschap van voorwerpen om met dezelfde snelheid voort te blijven bewegen tenzij externe krachten de beweging veranderen. Als er veel weerstand is merk je vaak niet zo heel veel van de traagheidseigenschappen. Maar als je bijvoorbeeld bij het schaatsen een bocht wil maken merk je pas hoe moeilijk dat is en dat je lichaam het liefst lekker recht door wil blijven gaan, je moet met je schaatsen een bepaalde hoek maken en druk uitoefenen om de weerstandskracht te creëren die je de bocht kan laten maken anders ga je dus inderdaad lekker rechtdoor en smak je tegen de muur. Omdat deze wet de deur opende naar allerlei onbekende krachten is het ook niet vreemd dat de eenheid van kracht een Newton wordt genoemd.

8 De tweede wet van Newton

9 De tweede wet van Newton
De tweede wet van newton in formulevorm is wonderschoon eenvoudig en toch enorm algemeen geldend. Met deze wet gaf Newton ons een manier om de grootte van krachten te kunnen berekenen. Echter gaat dit weer tegen je intuïtie in. Je zou verwachten: hoe zwaarder iets is, hoe meer kracht er nodig is om het voorwerp te bewegen en ook: Hoe hoger de snelheid van het voorwerp hoe groter de kracht die op het voorwerp werkt, zo moet je harder gasgeven om je auto 100 km/h te laten rijden ipv 80 km/h. De tweede wet van newton luidt: Fnetto = m * a, de nettokracht (som van de krachten, dus twee krachten in dezelfde richting mag je bij elkaar optellen en twee krachten in tegengestelde richting trek je van elkaar af) is te berekenen door de massa van het voorwerp maal de versnelling. De massa voelt voor ons logisch, hoe zwaarder iets is hoe meer kracht je moet leveren om het van snelheid te veranderen. Alleen het is vaak raar om te bedenken dat het bij de tweede wet van newton gaat om versnelling en niet om de snelheid van het voorwerp.

10 De tweede wet van Newton
Op een voorwerp met een constante snelheid werkt een nettokracht van 0N. Het kan wel zijn dat er een voortstuwende kracht op het voorwerp werkt maar bij een constante snelheid is er dan ook een even grote tegengestelde kracht waardoor de nettokracht 0 is. Hierdoor gaat het bij het berekenen van de nettokracht niet om de snelheid maar om de versnelling. Bij een versnelling verander je de snelheid van een voorwerp dus zijn beweging en daarvoor is een nettokracht nodig. Maar sta vooral even stil hoe je met het simpele zinnetje: Fnetto = m * a de bewegingen van alledaagse objecten kan beschrijven maar ook werken met de krachten op de allerkleinste schaal in atomen maar ook op de aller grootste schaal in de ruimte, zo ontzettend algemeen geldend, alsof je een samenvatting in een zin zou geven van 6 jaar vwo van alle vakken maar dat dan ^10.

11 Valversnelling

12 Valversnelling Voordat we verder gaan naar de derde wet maken we een klein uitstapje. Misschien heb je wel eens gehoord van het verschijnsel dat een bowlingbal en een veer in vacuüm even snel naar beneden vallen en op de grond komen als je ze vanaf even hoog laat vallen. Voelt voor ons heel vreemd, je verwacht van een bowlingbal dat deze sneller zou vallen omdat hij veel zwaarder is. Laten we er even naar kijken met de tweede wet van Newton. Fnetto = m * a. De veer en de bowlingbal vallen dus even snel in vacuüm dus hun versnelling is blijkbaar ook even groot. Wel is de massa van de bowlingbal veel groter dan die van de veer, de nettokracht is m*a dus de nettokracht op de bowlingbal is groter dan die op de veer door de grotere massa van de bowlingbal. De nettokracht in deze situatie wordt alleen maar ingevuld door de zwaartekracht, er is namelijk geen luchtweerstand in vacuüm. De zwaartekracht op de bowlingbal is dus groter dan op de veer. Maar waarom vallen ze dan toch even snel..

13 Valversnelling Laten we de formule even omdraaien Fnetto = m*a  a = Fnetto/m. We zeggen dat de massa van de bowlingbal x keer groter is dan die van de veer waardoor de nettokracht ook x keer groter is op de bowlingbal. Omdat bij de bowlingbal Fnetto en m beide evenveel keer groter zijn komt daar bij een deling Fnetto/m hetzelfde getal uit als bij de veer, de versnelling is dus gelijk. Door de grotere massa van de bowlingbal is zijn traagheid een stuk groter ondanks dat er een grotere nettokracht op werkt versnelt hij daarom even snel. De versnelling die voorwerpen krijgen door de zwaartekracht heeft men de valversnelling genoemd en op aarde is hij ongeveer 9,8 m/s^2, het verschilt een beetje waar je op aarde bent wat de precieze waarde is. In NL is het 9,813 m/s^2. Maar bijvoorbeeld op de maan is hij 6x zo klein. Vergeet echter niet dat als je in een gewone omgeving een bowlingbal en een veer laat vallen de veer veel langzamer valt. Bij de veer is de luchtweerstand veel groter door zijn vorm waardoor de nettokracht van de veer een stuk kleiner is en a=Fnetto/m wordt bij de veer dan een kleinere versnelling omdat Fnetto meer dan x keer kleiner is dan bij de bowlingbal.

14 De derde wet van Newton

15 De derde wet van Newton De derde wet van newton is qua zin wel de bekendste van de drie: actie = -reactie, maar qua inhoud vaak niet zo goed begrepen, of in ieder geval, in de middelbare school opdrachten komt hij niet zo vaak terug en is de toepassing van deze wet vaak wat vaag. De volledige wet luidt: elke actiekracht gaat gepaard met een gelijkwaardige en tegengestelde reactiekracht. Als je even doorredeneert zorgt dit voor een nettokracht van 0N want als twee krachten tegengesteld werken en even groot zijn heffen ze elkaar op. Geen nettokracht betekend geen of een constante snelheid. De derde wet van newton is overal om je heen zonder het te beseffen. Duidelijk is het bij een terugslag van een geweer maar ook als jij tegen de muur leunt, levert de muur een kracht tegen gesteld en even groot terug op jouw. Als dat namelijk niet het geval zou zijn zouden de krachten elkaar niet geheel opheffen en is er een nettokracht en dan zou je worden versneld in de richting van die nettokracht, wat je liever niet hebt als je tegen iets aanleunt. Ook het vliegen van straalvliegtuigen is een staaltje derde wet van newton, ze stoten gas uit met een enorm hoge snelheid en de reactiekracht hierdoor zorgt dat ze in tegengestelde richting voortbewegen.

16 De derde wet van Newton Om echt te zien hoe wijs dit inzicht is, is door te kijken naar bijvoorbeeld het vallen van een pen. De pen valt door de aantrekkingskracht van de aarde, maar er moet ook een even grote tegengestelde reactiekracht zijn dus dat betekend dat de aarde ook even hard wordt aangetrokken door de appel. Dit voelt weer vreemd. We zijn geneigd te denken dat zwaardere voorwerpen een grotere kracht leveren dan lichtere voorwerpen. Ook als bijvoorbeeld een grote steen en een kleine steen tegen elkaar botsen, vinden we het logischer om te zeggen dat de grote steen een grotere kracht op de kleine steen levert dan de kleine op de grote. Wij zouden dat zeggen omdat, als je dit bijvoorbeeld op ijs doet, de twee tegen elkaar gebotste stenen in de richting waarin de grote steen bewoog samen verder bewegen waardoor het lijkt alsof de kracht van de grote steen op de kleine groter is en dat ze daarom samen in die richting verder bewegen. Maar dat is niet het geval. Volgens de derde wet van Newton is de kracht van de grote steen op de kleine steen net zo groot als de kleine steen op de grote steen.

17 De derde wet van Newton De grote steen heeft alleen een veel grotere massa dan de kleine steen en daarom is er voor de grote steen een veel grotere kracht nodig om de snelheid te veranderen dan bij de kleine steen. In deze situatie is de kracht dus te klein om de snelheid van de grote steen helemaal te stoppen en voor de kleine steen wel groot genoeg. Hetzelfde geldt voor de aarde en de appel. De appel beweegt wel naar de aarde maar de aarde niet naar de appel terwijl de krachten even groot zijn. De massa van de appel is alleen veel kleiner waardoor de kracht groot genoeg is om de appel naar de aarde laten toe bewegen maar de kracht is veel te klein om de aarde in de richting van de appel te laten bewegen.

18 De gravitatiewet van Newton

19 De gravitatiewet van Newton
Naast deze drie wetten van newton heeft Newton nog een bewegingswet opgesteld. Ik denk niet dat je die op dit moment al in je lessen krijgt maar ze kunnen het er gelijk bij hebben gestopt. Bij deze wet hoort het verhaal dat Newton onder een appelboom zat en zich afvroeg waarom de maan niet op de aarde viel. Toen zag hij een appel vallen en besefte dat deze kracht die zorgt dat de appel naar de aarde valt dezelfde is als de kracht die de beweging van de maan en zon beheerst. Oja daar denk ik ook altijd aan als ik een appel zie vallen. Of dit echt is gebeurd is maar de vraag, waarschijnlijk niet, maar het klinkt mooi. Wat wel zeker is, is dat Newton veel heeft nagedacht over deze kracht. Hij besefte ook dat elk object in de kosmos elk ander object aantrekt en hij stelde een formule op om te berekenen hoe sterk de aantrekkingskracht is: De gravitatiewet van Newton.

20 De gravitatiewet van Newton
In zijn beroemde Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, afgekort Principia beschreef hij het verband tussen deze kracht die recht evenredig is met het product van de massa’s van beide objecten en omgekeerd evenredig in het kwadraat met hun onderlinge afstand. Oftewel hoe groter de massa’s van de objecten hoe groter hun aantrekkingskrachten op elkaar en hoe verder de objecten uit elkaar staan hoe zwakker hun aantrekkingskrachten op elkaar. De formule luidt: 𝐹𝑔𝑟𝑎𝑣=𝐺 𝑚 𝑀 𝑟 Je berekend met deze formule maar 1 kracht maar bij de gravitatiekracht geldt ook weer de derde wet van Newton: de kracht van het ene object op de ander is even groot als de aantrekkingskracht van de ander op de een, ookal is de massa van het ene object veel groter dan die van de ander. De G is een constante, Newton wist dat deze constante bestond maar wist de waarde niet, die is pas later bepaald.

21 De gravitatiewet van Newton
De wetten van Newton hebben gezorgd voor ontzettend veel nieuwe mogelijkheden en ze veranderde de gehele natuur- en sterrenkunde. Zo konden met zijn wetten de bewegingen van planeten en sterren worden begrepen en ze maakte het mogelijk om de massa van de zon en de planeten te bepalen door gegevens te gebruiken van waarnemingen van de beweging van de zon en planeten! Bijvoorbeeld als je de omlooptijd van een planeet kent en je kent de afstand tot de zon (die men kon bepalen met goniometrie) dan kan je de massa van de zon berekenen! En door de omlooptijd van bijvoorbeeld een van Jupiter ’s manen te bepalen met de telescoop kan je de massa van jupiter berekenen!! Gewoon vanuit je achtertuin hier op aarde kon je opeens allerlei eigenschappen van lichamen in ons zonnestelsel bepalen! Veel zaken rond beweging waren al wel ontdekt maar men kon ze niet verklaren, Newton leverde de verklaring.

22 ‘Truth is ever to be found in simplicity, and not in the multiplicity and confusion of things.’
Isaac Newton