Moeilijke natuurkunde

HELLEPIE

B-toets natuurkunde klas 5, deel I: Schuiven & Smijten.

Onlangs is er een variant bedacht op de olympische sport curling, genaamd Schuiven & Smijten. Beginnende beoefenaars van Schuiven & Smijten willen graag alles weten over de natuurkundige aspecten van deze sport en hoe ze die kunnen gebruiken om zo goed mogelijk te presteren. Hiervoor hebben ze jullie advies nodig. In deze opdracht wordt je dan ook gevraagd de natuurkundige aspecten van Schuiven & Smijten door te rekenen.

Eerst leggen we even uit hoe curling werkt. Bij curling dienen de spelers een schijf over het ijs te schuiven zodat die schijf zo dicht mogelijk bij het midden van een cirkelvormig gebiedje uitkomt (zie plaatje). Om de koers van de schijf te beïnvloeden mogen spelers met een bezem het ijs bewerken dat zich op het pad van de geschoven schijf bevindt (daarbij zijn er twee teams die elk meerdere schijven mogen schuiven en ook elkaars schijven weg mogen stoten, maar dat is voor deze opdracht niet relevant).

In de variant Schuiven & Smijten wordt er in plaats van met schijven geschoven met (holle) kubussen. De baan van deze objecten mag hierbij niet beïnvloed worden door het gebruik van bezems, maar wel door het smijten met stukken klei naar het object. Deze klei plakt zo goed dat elk stuk - hoe groot het ook is - meteen aan de kubus blijft kleven. Zolang de kubus nog niet stil staat mag zijn baan (en snelheid) door het smijten worden aangepast. Het aantal keren dat je klei gooit, van welke kant je de klei gooit (van boven, van opzij, van voren of van achteren) en de hoeveelheid klei die je per gooi gebruikt is vrij, maar er is wel een grens aan de hoeveelheid klei die je in totaal mag gebruiken.

Enkele gegevens:

- Lengte van de baan: 20 meter;

- IJstemperatuur: -5°C.

- Massa kubus: 50 kg;

- Lengte van een zijde van de kubus: 80 cm;

- Maximaal te gebruiken hoeveelheid klei: 10 kg.

Als de kubus perfect geschoven wordt hoeft er natuurlijk helemaal niet gesmeten te worden. Dan komt hij zo al precies in het midden van het cirkelvormige gebiedje uit. In praktijk is dat echter lastig, zeker voor beginnende spelers. Ook hebben beginnende spelers vaak geen idee hoe ze met behulp van de klei de baan en snelheid van de kubus op de juiste manier kunnen beïnvloeden. Vandaar de volgende vraag aan jullie:

Laat met behulp van (zo realistisch mogelijke) berekeningen zien hoe je door middel van het smijten met klei de baan en snelheid van de kubus en uiteraard het punt waar hij uiteindelijk tot stilstand komt op de juiste wijze kunt beïnvloeden. Behandel daarbij verschillende mogelijke afwijkingen van de perfecte koers en snelheid van de schijf en behandel ook verschillende manieren om de baan met behulp van het smijten van klei te beïnvloeden. Ga er vanuit dat de spelers op elk moment de precieze positie en snelheid van de kubus weten. Bedenk daarnaast of er aan deze sport nog andere zinnige natuurkundige aspecten kleven.

De precieze spelregels waar je vanuit moet gaan zijn als volgt:

- Het doel is om de kubus zo dicht mogelijk bij het midden van het cirkelvorige gebied te krijgen (zoals in het plaatje op de eerste pagina).

- In tegenstelling tot bij curling zijn er geen tegenstanders. Kubussen kunnen dus niet door andere teams weggestoten worden.

- Een team bestaat uit twee spelers. Nadat de kubus door één van de spelers weggeschoven is, mogen beide spelers achter de kubus aanlopen en op verschillende momenten klei tegen de kubus aan smijten (ze mogen dat ook tegelijkertijd doen). Op het moment van gooien moeten de spelers stil staan.

- Er mag geen klei op het ijs gegooid worden. Als er klei op het ijs terechtkomt wordt de poging ongeldig verklaard.

Om jullie een beetje op weg te helpen geven we hieronder al een aantal vragen waarmee je aan de slag zou kunnen gaan.

- Speelt de ijstemperatuur een rol. Zo ja, welke?

- Speelt het materiaal waarvan de kubus gemaakt is een rol?

- Waarom zou de kubus eigenlijk überhaupt tot stilstand komen?

- Wat kan er allemaal mis gaan bij de eerste worp (schuif)?

- Op welke wijzen kun je de baan en snelheid corrigeren? Wat is het effect van die correcties?

- Maakt het uit tegen welke plek op de kubus je de klei smijt?

Werk deze opdracht (in tweetallen) uit in een verslag van maximaal twee kantjes. Je wordt beoordeeld op natuurkundige diepgang, correctheid van je berekeningen, helderheid van je uitleg en de originaliteit van je verslag (met het laatste wordt bedoeld dat het gewaardeerd wordt als je andere zinnige natuurkundige aspecten behandelt en/of doorrekent dan dat anderen doen....)

Succes!

Bereken de wrijving van de kubus met het ijs, bedenk dan hoeveel je de kubus moet laten versnellen of afremmen om op het goede punt te stoppen en hou daarbij rekening met de toenemende massa van de kubus (en dus de toenemende wrijving).