Als we even afzien van dammen, schaken of bridgen, heeft sport alles te maken met beweging, kracht en energie, begrippen die in de natuurkunde behandeld en bestudeerd worden. Natuurkunde en sport gaan hand in hand. In dit thema is te zien dat je bij vele sporten allerlei natuurkunde tegenkomt, en dat zonder kennis van natuurkunde sommige sportprestaties zelfs onbegrijpelijk zijn.
Door betere kennis van de natuurkunde is het mogelijk meer inzicht in sportprestaties te krijgen en betere materialen voor de sport te ontwikkelen. Kennis van aerodynamica leidde tot verbetering van racefietsen en fietshelmen. Betere kennis over hoe menselijke spierkracht benut kan worden leidde onder andere tot de uitvinding van de klapschaats. Aan veel universiteiten wordt wetenschappelijk onderzoek gedaan naar sportbeoefening, niet alleen ten behoeve van de topsport, maar ook om bijvoorbeeld gehandicapten in staat te stellen aan sporten deel te nemen.
Het thema Natuurkunde en Sport omvat – evenals de andere thema’s – artikelen, interactieve bijlessen, opgaven en praktische opdrachten.
Artikelen en interactieve bijlessen
In de artikelen worden inleidingen gegeven over de natuurkunde van een bepaalde sport. Natuurkundige verschijnselen worden toegelicht, formules aangedragen of afgeleid. Verondersteld wordt dat de lezer enige kennis van de (vwo) natuurkunde heeft.
Hier volgen diverse sporten en de artikelen en bijlessen die daarbij horen.
Rensporten
Met rensporten worden sporten bedoeld waarbij het de bedoeling is een zo groot mogelijke snelheid te ontwikkelen: je kan denken aan hardlopen, schaatsen, wielrennen, motorracen etc.
Artikel: Rensporten Algemeen
Aan de hand van het wielrennen wordt beschreven van welke factoren de behaalde snelheid afhangt. Het is een inleidend artikel over fietskracht, nuttig vermogen, wrijvingskrachten. Bij dit artikel horen de volgende twee artikelen die uitbreiding en verdieping geven.
Artikel: Berekening van de snelheid
Een uitbreiding van Rensporten Algemeen. Berekening van de snelheid die je bij een gegeven vermogen kan halen, met en zonder Coach model.
Artikel: Renners in de bocht
Over het nemen van bochten; zijwaartse wrijvingskracht, middelpuntzoekende kracht, het berekenen van de snelheid die je in de bocht kan halen. De helling ( “verkanting”) die men aan autowegen en spoorwegen in de bocht geeft. Over steile wand rijden: hoe dat kan en welke snelheid je daarvoor nodig hebt.
Bijles: Schuif-, rol- en luchtwrijving
Met behulp van een diavoorstelling wordt herhaald wat de betekenis is van de maximale wrijvingskracht. Het begrip wrijvingscoëfficiënt wordt behandeld en je vindt er informatie over luchtwrijving.
Bijles: Hoe bereken je de dichtheid van een gas?
In de formule voor de luchtwrijving komt vaak de dichtheid ρ voor. De waarde die in BINAS daarvoor staat is meestal onbruikbaar. Bij gassen moet je de dichtheid zelf uitrekenen. In de bijles leer je met behulp van de algemene gaswet hoe dat moet. Bij deze bijles hoort een
Bijles: Exceloefening: dichtheid van lucht
In deze oefening leer je hoe je met behulp van Excel handig een diagram kan maken dat de dichtheid van lucht geeft bij verschillende temperaturen en drukken.
Skiën
Bijles: Skiën van de helling
In deze korte bijles wordt de beweging van een skiër op een hellend vlak besproken aan de hand van een diavoorstelling. Er is ook een rekenvoorbeeld.
Modelleeropdracht: De afdaling van een skiër
Een oefening waarbij met de Coach modelleeromgeving de beweging van een skiër op de helling berekend wordt. Eerst zonder, daarna met luchtwrijving en tenslotte ook nog met tegen- of meewind.
Voetbal en andere balsporten
Bij voetbal en andere balsporten speelt ook de baan van de bal een belangrijke rol. Vandaar een bijles over de kogelbaan.
Bijles: De horizontale worp
Met behulp van een flash-animatie en een rekenvoorbeeld wordt de horizontale worp behandeld.
Artikel: De vrije trap van David Beckham
Bij een vrije trap werd de bal enigszins naar rechts weggeschoten en draaide af naar links en kwam in de linkerhoek van het doel. Hoe dit soort effectballen mogelijk is en hoe je de baan met behulp van een Coach model zelf kan berekenen kan je in dit artikel lezen. Je maakt kennis met het zogenaamde Magnuseffect.
Artikel: De penalty (door Carl Koppeschaar en redactie natuurkunde.nl)
Met een eenvoudige berekening kan je aantonen dat een penalty voor de keeper eigenlijk onhoudbaar is. Hij heeft gewoon te weinig tijd om bij de bal komen.
Artikel: Technische voetballers, mag ik aan u voorstellen? (door Jürge van Eijck e.a.)
Geen mensen, maar door mensen gemaakte apparaten die kunnen voetballen. De strijd om de felbegeerde Robocup. Een inleidend artikel.
Artikel: Technisch voetballen, hoe werkt dat? (door Jürge van Eijck e.a.)
Een vervolg op het bovenstaande artikel. Over hoe zo’n voetballende robot in elkaar zit. Hoe hij kan schoppen, kan ‘zien’ en ‘horen’, hoe de besturing werkt.
Artikel: Hoe schiet je zo hard mogelijk? (door Arjan Bakker en Jürge van Eijck e.a.)
Over het schietmechanisme van de voetballende robot en hoe eraan gerekend kan worden.
Bungeejump
Artikel: Bungee jump
In dit artikel wordt behandeld hoe je van een ideale bungeesprong met behulp van energiebehoud de maximale afstand, de maximale snelheid en de maximale kracht kan uitrekenen. Veerkracht, veerenergie, zwaarte-energie en kinetische energie spelen erbij een rol.
Praktische opdracht: Bungeejump: modelleren
Stapsgewijs wordt een Coach-model ontwikkeld van de bungeesprong. Eerst zonder luchtwrijving, daarna met wrijving en tenslotte met ook nog een (grote) inwendige wrijving van het elastiek.
Artikel: De valversnelling bij bungee jumpen. (door Leon van Kouwen)
In dit artikel wordt het merkwaardige verschijnsel besproken en verklaard dat de versnelling waarmee de bungee springer naar beneden valt hoger is dan de valversnelling g. Hierover is nogal wat discussie geweest, omdat sommigen niet geloven dat dit mogelijk is. Wezenlijk is dat de massa en de zwaarte-energie van het elastiek zelf niet verwaarloosd mogen worden.
Vliegen
Artikel: Vliegen op eigen kracht
In dit artikel wordt besproken wat de moeilijkheden zijn als je op eigen kracht (in een vliegfiets) probeert te vliegen. Je hebt feitelijk een uiterst licht en enorm groot vliegtuig nodig. In 1977 is het voor het eerst gelukt een toestel te maken dat aan de gestelde eisen voldeed.
Artikel: De wetten van de vliegkunst
Hier wordt uitgelegd waarom een vliegtuigvleugel liftkracht krijgt en waar die van afhangt. Hoe je die kan berekenen en wat er gebeurt als je een vogel van 1 kg opschaalt tot de afmetingen van een mens. Met de ‘wetten van de vliegkunst’ kan je een schatting maken van het brandstofverbruik als een jumbo-jet van Amsterdam naar Tokyo vliegt.
Duiken
Artikel: De Natuurkunde van de Duiksport
Onder water heb je te maken met opwaartse kracht, een hoge druk, veranderd zicht en gehoor. In dit artikel wordt uitgelegd wat er anders is en waarom.
(IJs)zeilen
Artikel: Sneller zeilen dan de wind
Kan je sneller zeilen dan de wind? Ja, dat kan als de wrijving maar niet te groot is. In dit artikel wordt uitgelegd hoe het zit met de krachten op een (ijs)zeilboot en onder welke omstandigheden je sneller dan de wind kan gaan.
Sporten op de maan
Artikel: Sporten op de maan
Stel dat je op de maan zou wonen en daar aan sport zou doen. Wat zijn de verschillen met sport op aarde? Op de maan is geen dampkring en de zwaartekracht is zes keer zo klein als op aarde. Je kan gemakkelijk hoger en verder springen en je doet daar zes keer zo lang over. Een voetbal schop je moeiteloos het stadion uit. En met wielrennen kan je theoretisch ongelooflijke snelheden halen. Watergolven gedragen zich op de maan anders dan je op aarde gewend bent, maar het is de vraag of je er ook sneller kan zwemmen.
Opgaven
In een hele reeks opgaven kan je oefenen met de natuurkundestof (vooral mechanica) die verband houdt met een of andere sport. Opgaven kunnen variëren van instapniveau tot examenniveau.
Voorbeelden van opgaven:
Een hele serie opgaven, die goed passen bij dit onderwerp vind je hier. Via de zoekfunctie kan je echter nog meer opgaven vinden over bewegingen al dan niet bij een sport.
Praktische opdrachten
Aan sporten valt veel te onderzoeken, te meten, te modelleren en te berekenen. Vooral de computer is hierbij een uitstekend hulpmiddel. Je kan bewegingen onderzoeken met videometing en/of modelleren Dat kan allemaal met behulp van Coach. Naast de hierboven reeds genoemde modelleeroefeningen, waarbij het te maken model werd besproken en eigenlijk min of meer voorgedaan, volgen hier een paar waarbij je de modellen geheel zelf moet verzinnen.
Praktische Opdracht: Oefening modelleren van bewegingen
Drie opdrachten waarbij je met Coach modelomgeving de beweging van een wielrenner of een raceauto modelleert:
- Het uitrijden van een wielrenner
- Verband tussen snelheid en nuttig motorvermogen bij een raceauto
- Snelheid en bocht bij een raceauto
Praktische opdracht: De stuiterende bal
Een praktische opdracht videometen en modelleren voor leerlingen. Naast de pagina met de opdracht die leerlingen moeten uitvoeren is er ook een pagina voor docenten met aanwijzingen. Het doel is te bepalen hoeveel % van de kinetische energie er bij het stuiteren van de bal tegen de grond 'verloren' gaat.
Leerlingen maken eerst het Coachmodel, daarna meten ze aan een videofilmpje wat er echt gebeurt. Tenslotte leggen ze de grafiek van het model over de grafiek van de videometing en veranderen ze het verliespercentage totdat de grafieken elkaar bij de eerste 2 stuiteringen nauwkeurig overlappen.
