Zware en lichte voorwerpen in valbeweging, deel 1

Mogelijke antwoorden

Een eenvoudige vraag met drie mogelijke antwoorden:

• Het zware voorwerp raakt als eerste de grond.
• Beide voorwerpen raken tegelijk de grond
• Het lichte voorwerp raakt als eerste de grond

Elk van deze antwoorden zegt iets over de kennis die iemand heeft van deze situatie. We lopen in dit artikel de drie mogelijke antwoorden eens langs. Je zult zien dat elk antwoord wel een kern van waarheid bevat. Naast het antwoord alleen gaat het ook om de uitleg die je er bij geeft. Een van de drie antwoorden is favoriet in middelbare school natuurkunde maar of dit ook het antwoord is dat we experimenteel kunnen bevestigen.

Het zware voorwerp raakt als eerste de grond

Op zich niet zo’n gek antwoord, onze ervaring leert immers dat zware voorwerpen bij een valbeweging over het algemeen eerder beneden zijn dan lichte voorwerpen. Dit is zeker het geval bij voorwerpen die van grote hoogte vallen (van een balkon of uit het raam op de tweede verdieping). De geleerde Aristoteles uit de Griekse oudheid wist het al:zware voorwerpen vallen sneller dan lichte voorwerpen.

Beide voorwerpen raken gelijktijdig de grond

Dit is volgens onze natuurkundeboekjes het juiste antwoord. Natuurlijk is het zo dat de aarde harder trekt aan een zwaar voorwerp. Het is echter ook zo dat een zwaar voorwerp moeilijker in beweging is te krijgen. Deze twee effecten heffen elkaar precies op: zware en de lichte voorwerpen vallen met dezelfde versnelling. Of het nu gaat om ballen, muntjes, papiertjes of bloempotten: alles valt even snel op aarde. De geleerde Galileo had hiervoor als een van de eersten een mooie verklaring. Hij stelde, dat je de zware en de lichte bal eerst gelijktijdig liet vallen. Volgens de toen geldende opvattingen zou de zware bal als eerste beneden zijn, dat hadden ze geleerd van Aristoteles. Galilei was het niet eens met Aristoteles en stelde voor om het experiment nog eens uit te voeren. Ditmaal met de twee ballen aan elkaar geknoopt. De zware bal zou geremd worden door de lichte bal en dus zouden de twee aan elkaar geknoopte ballen later de grond raken dan de zware bal. Het gekke hiervan is wel dat de twee aan elkaar geknoopte ballen natuurlijk nog zwaarder zijn dan de zware bal alleen en dus eerder de grond zouden moeten raken dan de zware bal. Galilei kwam al tot de conclusie dat dit natuurlijk nooit kan. Hij stelde daarom dat alle voorwerpen op aarde dezelfde valversnelling ondervinden. Galilei wist hetzeker: alle voorwerpen op aarde vallen even snel.

Galilei heeft helemaal gelijk: als de zwaartekracht de enige kracht is die er op voorwerpen werkt, vallen alle voorwerpen met dezelfde versnelling. In veel natuurkundesommen mogen we de wrijvingskracht inderdaad verwaarlozen. We gebruiken de formule die zegt dat alle voorwerpen met een versnelling van g = 9,8 m/s² vallen. In het dagelijks leven is er echter bijna altijd een spelbreker in de buurt: de wrijvingskracht. De wrijvingskracht remt de valbeweging, voor zware voorwerpen is de wrijvingskracht relatief gering en kunnen we deze verwaarlozen. Voor lichte voorwerpen mogen we de wrijvingskracht niet verwaarlozen, deze kracht heeft een waarneembaar effect en een licht voorwerp valt langzamer dan een zwaar voorwerp.

Proef op de som

Een demonstratie hiervan is te zien op het volgende filmpje. We zien twee muntstukken en twee papiertjes van dezelfde grootte. Een muntstuk ligt apart, bovenop het tweede muntstuk ligt een papiertje, het tweede ligt apart.

Wanneer we deze voorwerpen gelijktijdig laten vallen, zien we dat de twee muntstukken gelijk beneden zijn. Het papiertje dat bovenop het muntstuk lag, raakt gelijk met dat muntstuk de tafel. Het losse papiertje ondervindt wel last van de wrijving en is een stuk later. Je zie het in onderstaande filmopname: als we de wrijving kunnen uitschakelen, heeft een papiertje dezelfde valversnelling als een muntstuk.

Het lichte voorwerp raakt als eerste de grond

Een op het eerste gezicht onwaarschijnlijk antwoord, dat echter bij experimenten wel vaak gevonden wordt. Hoe kan dat nu? We hebben immers aangetoond met een redenering dat voorwerpen op aarde altijd dezelfde valversnelling ondervinden. Als er al een verschil is, komt dat doordat de wrijving het lichte voorwerp afremt. Hoe het nu kan dat in sommige gevallen het lichte voorwerp toch eerder de grond raakt, kun je binnenkort lezen op deze website.