1 Druk op vaste stoffen

1Druk op vaste stoffen

In module 2 ‘Kracht en verandering van beweging’ en module 4 ‘Kracht en veld’ werden al een aantal krachten besproken zoals contact- en veldkrachten. We zagen ook dat krachten een statische en dynamische uitwerking hebben.

Je leerde al dat er contactkrachten en veldkrachten zijn waarbij de contactkrachten rechtstreeks contact maken met het voorwerp en veldkrachten op een afstand werken. We bekeken ook het dynamisch effect. In deze module gaan we dieper in op het statisch effect van een kracht.

Een kracht kan het voorwerp tijdens het uitoefenen van de kracht zodanig vervormen dat het voorwerp blijvend vervormd is (plastische vervorming). Denk maar aan het scherm van je smartphone als je die laat vallen zonder bescherming.

In andere gevallen krijgt het voorwerp zijn oorspronkelijke vorm terug eens de kracht stopt met werken (elastische vervorming). Zoals de stressbal die je inknijpt voor je aan een examen begint of de elastiek waar je aan vasthangt bij het bungeespringen.

In sommige gevallen willen we een oppervlak net zoveel mogelijk vervormen.

Uit de praktijk weten we dat die vervorming gemakkelijker gaat als we het contactoppervlak zo

klein mogelijk maken.

Koksmes: het lemmet is aan één kant heel dun en heeft een zeer kleine oppervlakte. Zo dringt het mes gemakkelijk door de te snijden groente.

Sneeuwkettingen: sneeuwkettingen bestaan uit schakels met een kleine oppervlakte die veel grip hebben op de sneeuw of het ijs.

Scherpe klauwen: de klauwen van een roofvogel zijn heel scherp, zo kunnen ze gemakkelijk hun prooi vast grijpen.

Injectienaald: een injectienaald heeft een heel dunne naald, die gemakkelijk in de huid dringt. Zo voelen we de minste pijn. Doornen van een roos: de doornen hebben een heel scherpe punt, je bent dus niet geneigd om zomaar de bloemen te plukken. De plant beschermt op deze manier zichzelf. Scherpe tanden: roofdieren hebben scherpe tanden zodat ze gemakkelijk door de huid van hun prooi kunnen dringen.

Soms is het net de bedoeling dat een gegeven kracht een oppervlak zo weinig mogelijk vervormt. In dat geval moet het contactoppervlak zo groot mogelijk gemaakt worden.

Poten van een olifant: de poten van de olifant hebben een grote oppervlakte, zo zakken ze niet weg in de aarde, ondanks hun grote massa.

Fundering huis: bij de constructie van een huis wordt eerst een betonplaat gegoten, deze heeft een grote oppervlakte waardoor het huis niet verzakt.

Rupsbanden: hele zware voertuigen hebben rupsbanden, de contactoppervlakte met de grond wordt zo vergroot, waardoor het voertuig niet in de grond zakt en vast komt te zitten in de ondergrond.

Fakir: een fakir staat op spijkerplankjes. De fakir voelt geen pijn omdat hij ondersteund wordt door wel honderd spijkers, allemaal samen geven die een vrij groot oppervlak om de fakir te ondersteunen. Ski’s: als we skiën zakken we niet door de sneeuw omdat de ski’s een grotere oppervlakte hebben dan onze voeten.

Veiligheidshelm: het oppervlakte van de helm zorgt voor de verdeling van de impact als er iets op valt. Daardoor is de impact veel minder dan wanneer je geen helm aanhebt.

De kracht zorgt op een klein contactoppervlak voor veel vervorming, terwijl diezelfde kracht op een groot contactoppervlak voor weinig vervorming zorgt.

Blijkbaar is dus niet alleen de grootte van de kracht bepalend, maar ook de grootte van de oppervlakte waarop kracht werkt. Op basis van dit gegeven definiëren we de nieuwe grootheid druk.

De druk op een oppervlak is de verhouding van de grootte F van de kracht tot de grootte A van de oppervlakte waarop die kracht werkt:

p = F A

In deze figuur zie je de krachtvector loodrecht op het oppervlak. Op dat oppervlak werkt de krachtvector.

#–F

A #–F

A

GROOTHEID EENHEID

NAAM SYMBOOL NAAM SYMBOOL

druk p pascal

Pa

De eenheid van druk is 1Pa = 1 N m2 en noemen we pascal (Pa), genoemd

naar Blaise Pascal.

1Pa = 1 N

m2

Blaise Pascal (1623 – 1662)

De SI-eenheid van druk is de pascal (Pa) en is een kleine eenheid. Daarom gebruiken we dikwijls veelvouden van de pascal zoals:

hPa = 102 Pa en 1 bar = 105 Pa 1 bar 1atm = 1 atmosfeer

100 000 Pa 101 325 Pa

1mmHg = 1mm kwikdruk 1cm H2O = 1cm waterdruk

133,32 Pa 98,0638 Pa 1MWK = 1 meter waterkolom 9807 Pa 1psf = 1 pound per square foot 47,880 Pa 1psi = 1 pound per square inch 6894,76 Pa

Via deze site kun je de eenheden gemakkelijk omrekenen. Scan hiervoor de QR-code.

Als we de formule naderbij bekijken, zien we dat er een recht evenredig verband bestaat tussen de kracht en de druk.

p = F A

Kracht en druk zijn recht evenredig.

Hoe groter de kracht is die we uitoefenen op eenzelfde oppervlakte, hoe groter de druk is.

Hoe harder we slaan op een nagel, hoe groter de druk wordt en hoe gemakkelijker de nagel door het hout gaat.

Daarnaast zien we aan de formule ook dat er een omgekeerd evenredig verband bestaat tussen de oppervlakte en de druk.

p = F A

Hoe groter de oppervlakte, hoe kleiner de druk bij eenzelfde kracht. Hoe kleiner de oppervlakte, hoe groter de druk bij eenzelfde kracht.

Duid bij de foto’s aan of het gaat om: klein oppervlakte, grote druk of groot oppervlakte, kleine druk. Verklaar waarom.