Newton keuzekatern 2 vwo Biofysica by ThiemeMeulenhoff

vwo

Newt A n Natuurkunde voor de bovenbouw

Auteurs Jan Flokstra, Aart Groenewold, Kees Hooyman, Carolien Kootwijk, Koos Kortland. Mark Bosman, Nicole ten Broeke, Torsten van Goolen, René Hazejager, Michel Philippens, Mariska van Rijsbergen, Hein Vink. Eindredactie digitaal Evert-Jan Nijhof Bureauredactie Easy Writer, Maurik Opmaak Crius Group Ontwerp en beeldresearch Michelangela, Utrecht Tekeningen Jaap Wolters, Amersfoort, DDCom, Veldhoven

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficiënter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 98795 9 Vijfde druk, eerste oplage © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2021 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

Inhoud Werken met Newton

K2 Biofysica

Gezond sporten

1 Introductie 7 2 Waarnemen en reageren 10 3 Voedingsstoffen en bewegen 21 4 Warmtehuishouding 29 5 Verdieping 41 6 Afsluiting 44 Antwoorden op rekenvragen

Werken met Newton

WERKEN MET NEWTON VOOR DE LEERLING Op jouw school werk je met de methode Newton. Met je klasgenoten ga je ontdekken en onderzoeken hoe de natuurkunde in theorie en in de praktijk werkt, zodat je je goed kunt voorbereiden op het eindexamen. Op deze pagina vind je uitleg over de onderdelen die je tegenkomt bij het werken met Newton. Er zijn werkbladen en experimenten beschikbaar. Je docent maakt een keuze hieruit en zal deze verspreiden.

Keuzekatern en digitaal materiaal Alle leerstof die je nodig hebt voor het keuzeonderwerp Biofysica vind je in dit keuzekatern. Ook vind je verwijzingen naar onderdelen die de docent verspreidt. Introductie

H O O F D S T U K V R A AG

INLEIDING

Het keuzekatern begint met een introductieparagraaf. Je maakt kennis met het onderwerp vanuit de praktijk. Dan zie je de hoofdstukvraag, zodat je weet wat je gaat leren. In overleg met je docent ga je aan de slag met de opgaven en werkbladen. Paragraaf

PA R AG R A A F V R A AG

Als je een T bij een opgave ziet staan, kun je aan de slag met een tekenblad. Tekenbladen vind je in je eigen digitale omgeving.

E In

de gele kaders zie je samengevatte leerstof.

In de paarse kaders zie je formules en rekenvoorbeelden.

Elke paragraaf heeft dezelfde opbouw: E Ontdekken: Met de experimenten, opgaven en de ontdekactiviteiten op werkbladen ontdek je hoe de natuurkunde werkt. Je docent bepaalt met welke experimenten en andere ontdekactiviteiten je aan de slag gaat. Bij Ontdekken wordt de paragraafvraag geïntroduceerd, zodat je een beeld hebt waarover het in deze paragraaf zal gaan. E Begrijpen: Alle belangrijke leerstof wordt in begrijpelijke taal aan je uitgelegd. Belangrijke begrippen zijn weergegeven als paarse woorden. Deze vind je ook in het register achter in dit keuzekatern. Samenvattingen van de uitleg vind je in aparte gele kaders direct onder de leerstof. De opgaven zijn erop gericht om je de leerstof goed te laten begrijpen. Bij sommige opgaven heb je een tekenblad nodig om iets te tekenen. E Beheersen: De leerstof van Begrijpen wordt uitgebreid, zodat je ermee kunt gaan redeneren en rekenen. Formules zie je in aparte paarse kaders. Naast een formule vind je in de marge soms een of meer rekenvoorbeelden. In de opgaven leer je zowel redeneren als rekenen. De uitkomsten van de rekenopgaven vind je achter in dit keuzekatern. Verdieping Aan het einde van dit keuzekatern kun je je extra verdiepen in het onderwerp met extra leerstof en opgaven.

Van elk hoofdstuk is er een uitgebreide samenvatting.

Afsluiting Je blikt terug op de hoofdstukvraag. Kun je deze nu beantwoorden? Je maakt aan de hand van vragen zelf een samenvatting. Dit kun je doen op basis van de korte samenvattingen in de paragrafen. In de keuzeopdrachten leer je hoe de natuurkunde van het hoofdstuk werkt in andere praktijksituaties. Je docent bepaalt of je ermee aan de slag gaat. Met de eindopgaven test je jezelf op examenniveau: ben je klaar voor het echte werk? Leerdoelen Bij elke paragraaf horen leerdoelen. De leerdoelen staan hier overzichtelijk bij elkaar. Daarmee kun je voor jezelf nagaan welke leerdoelen je wel of nog niet beheerst.

Werken met Newton

WERKEN MET NEWTON VOOR DE DOCENT Newton is een contextgerichte methode met veel aandacht voor begripsontwikkeling, experimenten en differentiatie. Alles voor het centrale examen en schoolexamen Per leerjaar is er voor havo en voor vwo een leerwerkboek met de verplichte leerstof voor CE en SE. Elk subdomein is ondergebracht in een hoofdstuk. Daarnaast zijn er zowel voor havo als voor vwo vier keuzekaternen met aparte hoofdstukken voor de SE-keuzedomeinen. Digitaal materiaal voor leerling en docent Via je licentie krijg je als docent toegang tot de digiboeken van de leerwerkboeken en de SE-keuzehoofdstukken. Ook heb je de beschikking over werkbladen, experimenten, keuzeopdrachten, toetsen en vele extra’s. Je kunt zelf kiezen wat je je leerling aanbiedt. Herkenbare didactische opbouw Elke paragraaf heeft een didactische opbouw die flexibel kan worden ingezet: 1 Het onderdeel Ontdekken is bedoeld voor activerend leren in de vorm van experimenten en ontdekactiviteiten. Deze vind je op de docentenpagina als werkbladen en experimenten. Je kunt zelf een selectie maken en onder de leerlingen verspreiden. 2 De kern van de leerstof van elke paragraaf bestaat uit de onderdelen Begrijpen en Beheersen. Bij Begrijpen is er sprake van kwalitatieve begripsvorming. Opgaven zijn voornamelijk gericht op begripsontwikkeling. 3 In het onderdeel Beheersen wordt de stap gezet naar kwantitatieve beheersing. De benodigde formules worden hier aangeboden. In de nieuwe examens wordt namelijk steeds meer een beroep gedaan op het kunnen beredeneren van de oplossing van een vraagstuk. Verdieping en Afsluiting De paragraaf Verdieping biedt bij elk hoofdstuk de mogelijkheid voor differentiatie. De leerstof is een aanvulling voor de gemotiveerde leerling, maar valt buiten het CE-examenprogramma. De leerstof van Verdieping kan naar eigen inzicht worden getoetst. Hetzelfde geldt voor de keuzeopdrachten, waarnaar in de Afsluiting verwezen wordt. Context leidt tot inzicht in concept Elk hoofdstuk en elk keuzekatern van Newton begint met een contextuele vraag waarmee de theorie en de opgaven toepassingsgericht worden aangeboden. De context kaders op een paarse achtergrond (geen examenstof) bieden toepassing in concrete praktijkvoorbeelden. Er wordt extra gevarieerd met contexten in de opgaven, keuze opdrachten en eindopgaven. Zo oefent de leerling met het oplossen van vraagstukken in bestaande en nieuwe contexten. Extra aandacht voor vaardigheden Hoofdstuk 15 van het leerwerkboek richt zich op de voorbereiding voor het examen. Hoofdstuk 11 omvatte rekenvaardigheden en wiskundige vaardigheden. In hoofdstuk 6 zijn aan bod geweest: rekenen, onderzoeken, modelleren en ontwerpen.

ONTDEKKEN Centrale vraag voor de leerling: “Waar gaat dit over?”

BEGRIJPEN Centrale vraag voor de leerling: “Wat is hier aan de hand?”

BEHEERSEN Centrale vraag voor de leerling: “Wat moet ik hiermee kunnen?”

VERDIEPEN

K2 1

Introductie

Waarnemen en reageren 10

Voedingsstoffen en bewegen

Warmtehuishouding

Verdieping

Afsluiting

Biofysica Gezond sporten

Biofysica

Introductie

Het menselijk lichaam is een bijzondere ‘machine’, het is zowel een soort motor als een chemische fabriek. Veel acties van spieren worden bewust of onbewust aangestuurd na waarnemingen via onze sensoren. Hoe werkt dat? Wedstrijdsporters zoeken vaak de grenzen op van de mogelijkheden van het eigen lichaam, wat betreft snelheid, kracht of behendigheid. Daarbij spelen de omstandigheden buiten het eigen lichaam een belangrijke rol. Temperatuur en vochtigheid van de lucht bijvoorbeeld, en ook de luchtdruk. Je lichaam kan zich goed aanpassen aan verschillende omstandigheden en aan de eisen die je jezelf oplegt. Die zijn immers heel anders tijdens het sporten dan wanneer je rustig ligt. En of het nu koud of warm is, of je rustig loopt of een sprintje trekt om een bal te vangen, als je gezond bent kan het allemaal. Hoe krijgt je lichaam dit voor elkaar?

H O O F D S T U K V R A AG

Figuur 1 Wedstrijdsporters zoeken vaak de grenzen op van hun eigen lichaam.

Hoe zorgt het menselijk lichaam ervoor dat je gezond kunt sporten? In dit hoofdstuk ga je na wat het menselijke lichaam doet om te zorgen dat je als sporter kunt presteren. Je zoekt naar antwoorden op de volgende vragen: E Op welke manier reageert het lichaam op waargenomen veranderingen van grootheden in en buiten het lichaam? (paragraaf 2) E Waardoor wordt bepaald hoe goed een sporter presteert? (paragraaf 3) E Hoe houdt het menselijk lichaam de lichaamstemperatuur constant? (paragraaf 4)

Experiment 1: Meten aan je lichaam

W1 Het menselijk lichaam in de natuurkunde

INLEIDING Kracht en beweging In hoofdstuk 2 heb je geleerd dat een voorwerp een constante snelheid heeft of stil blijft staan, als de resulterende kracht op het voorwerp nul is. Dit is de eerste wet van Newton. De tweede wet van Newton zegt dat het voorwerp versnelt of vertraagt als de resulterende kracht niet nul is. Er geldt:

Fres = m · a Hierin is Fres de nettokracht (in N), m de massa (in kg) en a de versnelling (in m/s2). Bij het sporten speelt een aantal krachten een belangrijke rol, zoals de zwaartekracht, de rolweerstand, de schuifwrijving en de luchtweerstand. De zwaartekracht: Fz = m · g Hierin is m de massa (in kg) en g (= 9,81 m/s2) de valversnelling op aarde. De schuifwrijving: Fw,s = f · Fn Hierin is f een constante en Fn de normaalkracht (in N). De rolweerstand: Fw,r = cr · Fn Hierin is cr een constante en Fn de normaalkracht (in N). De luchtweerstand: Fw,l = k · v2 Hierin is k een constante en v de snelheid (in m/s).

Experiment 2: Kracht, snelheid en spieren

1 Introductie Biofysica

Warmte en warmtetransport In hoofdstuk 3 zijn de verschillende vormen van warmtetransport besproken en met deeltjesmodellen verklaard. In dit katern ga je deze kennis toepassen op de warmtehuishouding van het menselijk lichaam.

geleiding

stroming straling

Figuur 2 De drie vormen van warmtetransport: geleiding, stroming en straling

Warmte kan op drie manieren worden getransporteerd. E In vaste stoffen via geleiding: extra trillingsenergie van het ene deeltje wordt doorgegeven aan aangrenzende deeltjes. E In vloeistoffen en gassen door stroming: energie wordt door de deeltjes in de stroming meegenomen en de extra energie wordt afgeven op andere plaatsen in de vloeistof of het gas. E De derde vorm van transport is straling: energie wordt met de lichtsnelheid overgebracht zonder tussenkomst van materie. Bij geleiding van warmte door een wand geldt voor de hoeveelheid energie die per seconde door de wand stroomt:

ΔT    P = λ · A ·  _ d

Hierin is P de warmtestroom (in W), λ de warmtegeleidingscoëfficiënt (in W/(K · m)), A de oppervlakte (in m2), ΔT het temperatuurverschil (in °C of K) en d de dikte van de wand (in m). De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg van een stof 1 °C te verwarmen kun je berekenen met:

Q = c · m · ∆T Hierin is Q de warmte (in J), c de soortelijke warmte (in J/(kg · °C)) en m de massa (in kg).

1 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e

De warmtestroom is de hoeveelheid warmte die per seconde wordt getransporteerd. Als de resulterende kracht op een voorwerp nul is, beweegt het met constante snelheid. Als je met een constante snelheid fietst, is de kracht naar voren (door je spieren) iets groter dan de tegenwerkende krachten samen. In een vloeistof vindt alle warmtetransport plaats door stroming. Een mens verliest een deel van zijn warmte, doordat hij straling uitzendt.

2 Een fietser (m = 80 kg) rijdt met een constante snelheid van 25 km/h door de Hollandse polder. De rolweerstand is 8,0 N. Voor de luchtweerstand geldt:

Fw,l = 0,63 · v2. a b

Controleer met een berekening dat bij deze snelheid de luchtweerstand 30 N bedraagt. Bereken de voorwaartse kracht die deze fietser moet leveren om met deze snelheid te blijven fietsen. De fietser gaat iets harder trappen. Leg uit dat het enige tijd duurt voordat deze fietser met een (hogere) constante snelheid fietst.

Biofysica 1 Introductie

3 Een glazen ruit is ingeslagen. Het glas wordt verwijderd en vervangen door een houten plaat. Het glas in het raam was 8,0 mm dik, de houten plaat is 2,4 cm dik. Het raam is 1,0 m breed en 1,4 m hoog. Binnen is het 21 °C, buiten is het 8,0 °C. In de tabel van figuur 4 staan enkele gegevens van het gebruikte hout en glas. a Bereken de warmtestroom door de houten plaat. b Laat met een berekening zien dat dat de warmtestroom door de houten plaat ongeveer 4 × zo groot is als door de glazen ruit. c De houten plaat is na het opschroeven opgewarmd van 8,0 °C tot 21 °C. Bereken hoeveel energie dit heeft gekost.

Figuur 3 Dichtgespijkerde ramen

Materiaal ρ (kg/dm3) λ (W/(K · m))

c (J/(kg · K))

hout

0,58

0,4

2720

glas

2,5

0,03*

800

*gecorrigeerd voor de invloed van stilstaande lucht bij het glas

Figuur 4

Biofysica

2 Experiment 3: Reactietijd

Experiment 4: Hartslag en ademhaling

Waarnemen en reageren

ONTDEKKEN Tijdens een voetbalwedstrijd zie je waar je medespelers zijn, hoor je hun aanwijzingen, voel je de bal en de wind. Je begin te zweten als je het warm krijgt, je trekt je been terug als je getackeld wordt en je hartslag neemt toe bij een sprint. Je neemt de omgeving waar met al jouw zintuigen en je reageert erop. Hoe zorgt het lichaam ervoor dat dit mogelijk is?

PA R AG R A A F V R A AG Op welke manier reageert het lichaam op waargenomen veranderingen van grootheden in en buiten het lichaam?

BEGRIJPEN Zintuigen en receptoren Als je gaat sporten, moet het lichaam veel doen. De hersenen moeten binnen komende impulsen verwerken en actie ondernemen. De spieren en het hart moeten aan het werk worden gezet. Maar vooral moet jouw lichaam weten wat er in je en om je heen gebeurt. Hiervoor heeft een mens zintuigen. Een zintuig, bestaande uit zintuigcellen, neemt informatie uit de omgeving op en zet deze om in impulsen, elektrische spanningspiekjes. Als er bijvoorbeeld in je oog fotonen in de zintuigcellen in het netvlies geabsorbeerd worden, geven deze cellen spanningspiekjes af. Wanneer zo’n impuls groter is dan een drempelwaarde, zal deze door zenuwen worden doorgegeven aan de hersenen. De hersenen verwerken de informatie en sturen zo nodig de spieren aan via het zenuwstelsel of via hormonen in de bloedstroom.

Figuur 5 De vijf zintuigen van de mens

Het menselijk lichaam heeft vijf verschillende soorten zintuigen om de omgeving waar te nemen: oog, oor, neus, tong en huid. Het oog neemt licht waar, het oor kan geluidstrillingen opvangen, met je neus ruik je en met je tong kun je proeven. Het grootste zintuig is de huid, het tastzintuig. De huid geeft je informatie over hoe warm of koud iets is en hoe groot de druk is die op de huid wordt uitgeoefend. Behalve deze vijf zintuigen heb je ook een groot aantal inwendige receptoren. Een receptor is een cel die specifieke informatie binnen het lichaam waarneemt. Zo zijn er receptoren die geprikkeld worden door bijvoorbeeld een gebrek aan zuurstof of door te veel afvalstoffen. Een receptor is dus een cel die een specifieke prikkel waarneemt en dan een impuls doorgeeft. Er zijn receptoren die waarnemen of er niet te veel afvalstoffen zijn, zoals bij de verzuring in je spieren tijdens het sporten. Andere receptoren, verspreid over het hele lichaam, meten bijvoorbeeld of het zuurstofgehalte hoog genoeg is. In de hersenen zitten receptoren die een impuls afgeven als de lichaamstemperatuur te hoog of te laag wordt. Zodra één van de waargenomen grootheden te veel afwijkt van de normale waarde, zal het lichaam actie ondernemen. Als het zuurstofgehalte te laag wordt ga je meer ademen, als er te veel afvalstoffen zijn neemt de bloedtoevoer toe en zodra de inwendige temperatuur oploopt ga je onder andere zweten. Je weet zonder je

Biofysica 2 Waarnemen en reageren Begrijpen

ogen open te doen, waar je hand is. Je kunt met je vinger het puntje van je neus aanraken zonder dat je daarvoor hoeft te kijken. Dit weet je door de signalen van receptoren die informatie geven over de uitrekking van spieren. Allemaal voorbeelden van reacties waarbij het lichaam de balans gaat herstellen.

Zenuwen en hormonen Alle signalen die het lichaam via zintuigen en receptoren binnenkrijgt, worden door het zenuwstelsel met spanningspulsen doorgegeven aan de hersenen. De hersenen kunnen op twee verschillende manieren reageren. Het eerste regelsysteem wordt gevormd door het zenuwstelsel. Dit systeem werkt snel en stuurt impulsen naar de spieren in het lichaam. Het tweede regelsysteem werkt via hormonen in de bloedsomloop. Dit systeem bereikt alle cellen in het lichaam maar de signaaloverdracht is wel trager. Een aantal organen in het lichaam, zoals het hart, werken onafhankelijk van de ersenen en reageren zelfstandig op een veranderende situatie. Deze organen h kunnen echter wel door de hersenen worden beïnvloed.

Zenuwen De snelste manier voor de hersenen om te reageren op prikkels is door spieren aan te sturen via het zenuwstelsel. De prikkels die de zintuigcellen en de r eceptoren omzetten in spanningspulsen worden door zenuwcellen doorgegeven aan het centrale zenuwstelsel: de hersenen en het ruggenmerg. ntvangen Een zenuwcel (zie figuur 6) bestaat uit een aantal onderdelen. De dendrieten o een prikkel en zetten die om in een impuls. De impuls wordt via het cellichaam en de lange uitloper, het axon, doorgegeven aan andere zenuwcellen in het centrale zenuwstelsel of aan spieren bij de synapsen. In het centrale zenuwstelsel (ruggenmerg en hersenen) worden de impulsen overgenomen door andere zenuwen en in de hersenen verspreid. Vervolgens wordt door een ingewikkelde samenwerking van zenuwcellen een reactie gevormd, die daarna via de bloedstroom of via de spieren actie o plevert. De zenuwcel die als reactie een spier aanstuurt, ligt met zijn kern in het centrale zenuwstelsel. De lange uitloper, het axon, die de impuls verstuurt, loopt van het centrale zenuwstelsel tot bij de spier. Het axon van een zenuwcel in het ruggenmerg die een spier in je voet aanstuurt, kan dus meer dan 1 m lang zijn. De impulsoverdracht via zenuwen is snel, doordat het om elektrische signalen gaat. Door een prikkel van de receptor ontstaat een spanningspuls in de zenuw, die zich langs het axon van de zenuwcel verplaatst. Als deze spanningspuls bij het uiteinde van het axon aankomt, komen er chemische stoffen vrij (zie figuur 7). Stuurt de zenuwcel een spier aan, dan zal deze zich daardoor samentrekken. Eindigt de zenuw in het centrale zenuwstelsel, dan zal er in de volgende zenuwcel een nieuwe spanningspuls ontstaan.

Bloedstroom en hormonen De hersenen zorgen ervoor dat de juiste spieren op het goede moment worden aangespannen. Maar behalve voor het aansturen van de spieren zorgen de hersenen er ook voor dat de spieren kunnen blijven werken. Het zuurstofgehalte daalt door de verbranding van voedingsstoffen, zoals koolhydraten en vetten, in de spieren. Zodra de hersenen dit via receptoren waarnemen, zorgen ze ervoor dat de ademhalings frequentie toeneemt en de hartslag stijgt om genoeg zuurstof naar de spieren te kunnen brengen. Dit is een snel proces: binnen 0,3 s na het begin van een inspanning neemt de hartslag al toe.

dendrieten

cellichaam

synaps

celkern

axon

Figuur 6 Zenuwcel

spanningspuls

Figuur 7 Een spanningspuls komt aan het einde van een zenuw. Vrijkomende chemicaliën zorgen voor een spanningspuls in de volgende cel.

Begrijpen 2 Waarnemen en reageren Biofysica

Bij inspanning neemt in de spieren de behoefte aan voedingsstoffen toe. Hiervoor worden stoffen aan de bloedstroom toegevoegd die zorgen dat in de lever suiker vrijkomt. Het lichaam reageert nu niet via het zenuwstelsel maar door bepaalde stoffen, hormonen, in de bloedsomloop te brengen. Door de hormonen worden in het hele lichaam cellen aangezet tot ander gedrag.

Taken van de bloedsomloop De bloedsomloop vervult drie verschillende taken: E De bloedsomloop is het transportsysteem voor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen. Zodra er een tekort aan zuurstof of voedingsstoffen of een overschot aan afvalstoffen wordt waargenomen, zal het hart sneller gaan kloppen en zal de bloedstroom toenemen: het tekort wordt aangevuld en/of de afvalstoffen worden afgevoerd. E Via het bloed kunnen hormonen worden verspreid door het lichaam. Hormonen zorgen voor een bepaalde reactie. Een voorbeeld is insuline. Als je gegeten hebt, worden er voedingstoffen opgenomen in de bloedstroom. Het hormoon insuline zorgt ervoor dat de opgenomen glucose, een koolhydraat, wordt opgeslagen in de lever en in de spieren. Het hormoon insuline komt vrij zodra receptoren in de bloedsomloop een toename van glucose hebben waargenomen. E De derde functie van de bloedsomloop is de temperatuurregeling van het lichaam. Als receptoren in je lichaam waarnemen dat je inwendige lichaams temperatuur te hoog wordt, zal de doorbloeding van je huid toenemen. Hierdoor wordt je huid warmer en gaat daardoor meer warmte afgeven, zodat je afkoelt. B De

vijf zintuigen nemen waar: licht, geluid, smaak, geur, temperatuur en druk. receptoren in het lichaam nemen onder andere waar: houding, zuurstofgehalte in het bloed, hoeveelheid afvalstoffen en lichaamstemperatuur. B Waargenomen signalen van zintuigen en receptoren worden doorgegeven via zenuwen. B Impulsoverdracht door zenuwcellen is elektrisch van aard. B Een spanningsimpuls tussen zenuwcellen onderling en tussen zenuwcellen en spieren is chemisch van aard. B De bloedsomloop heeft drie functies: transport van voedingstoffen, vervoer van hormonen en regulatie van de lichaamstemperatuur. B Verschillende

Figuur 8 Bloedsomloop

Experiment 5: Stroomsnelheid van het bloed

4 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c

Experiment 6: Cafeïne

d e f g h i j

Het lichaam kan zes verschillende grootheden buiten het lichaam waarnemen. Het lichaam heeft zes verschillende zintuigen. Een receptor is vergelijkbaar met een zintuigcel maar dan voor iets in het lichaam. Voor een voetballer zijn slechts de zintuigen voor zicht en druk van belang. De celkernen van alle zenuwcellen zitten in het centrale zenuwstelsel. Zenuwcellen kunnen meer dan 1 m lang worden. Impulsen die via het zenuwstelsel worden verstuurd, zijn uitsluitend elektrisch van aard. Het lichaam verstuurt alle impulsen via zenuwen. De bloedsomloop zorgt ervoor dat overal in het lichaam zuurstof en warmte komen. Een reactie via hormonen gaat veel langzamer dan via zenuwen.

Biofysica 2 Waarnemen en reageren Begrijpen

5 Van welke grootheden buiten het lichaam kan het lichaam de grootte waarnemen?

6 Noem drie grootheden binnen het lichaam die waargenomen kunnen worden. 7 Als er in de hersenen impulsen van zintuigen of receptoren binnenkomen, kunnen de hersenen op twee verschillende manieren deze impulsen aan de rest van het lichaam doorgeven. Welke twee manieren zijn dit?

8 Een zenuwcel geeft niet altijd een spanningspuls door, nadat een zintuigcel is geprikkeld. Alleen als de prikkel sterk genoeg is, wordt de impuls doorgegeven. a Wat is het belang van deze drempel, waaronder de zenuwcel niets doorgeeft? b Geef een voorbeeld van een situatie waarbij sommige impulsen niet worden doorgegeven aan de hersenen.

9 Als je sport, heb je extra voedingstoffen en zuurstof nodig in de spieren. Op het moment dat er een zuurstoftekort ontstaat in de spieren wordt door receptoren een impuls naar de hersenen gestuurd. De hersenen reageren hierop door het hart sneller te laten kloppen. Het hart wordt hierbij aangestuurd via het zenuwstelsel. Om het hart sneller te laten kloppen, is extra energie nodig en wordt het hormoon glucagon aan de bloedstroom toegevoegd. Hierdoor wordt glucose die is opgeslagen in de lever en in de spiercellen weer in de bloedstroom gebracht. Leg uit waarom het hart via het zenuwstelsel wordt aangestuurd, terwijl het vrijmaken van glucose via het hormonale stelsel gebeurt.

10 Als je een elektrische schok krijgt, gaat er stroom door je lichaam. Dit kan heel gevaarlijk zijn. Leg uit dat het vooral gevaarlijk is, wanneer je op blote voeten op een natte vloer staat en met je hand de fasedraad van een elektriciteitsleiding aanraakt.

11 Als je sport, worden je spieren direct aan het werk gezet via het zenuwstelsel. Wanneer je gaat eten, wordt je lichaam via hormonen ‘klaargemaakt’ om de energie uit het voedsel op te slaan. Verklaar waardoor de opname van voedsel beter via het hormoonstelsel dan via het zenuwstelsel kan worden geregeld.

12 Het hart is de pomp die zorgt dat het bloed door het lichaam stroomt. Hoe beïnvloedt de hartslagfrequentie: a de temperatuur in een spier? b het zuurstofgehalte in een spier? c het effect van hormonen?

Beheersen 2 Waarnemen en reageren Biofysica

BEHEERSEN Zintuigen en receptoren Om te kunnen sporten moet je veel informatie over de omgeving van je lichaam en over je lichaam zelf hebben. Prikkels worden door de zintuigcellen en receptoren in elektrische signalen omgezet en via het zenuwstelsel aan de hersenen doorgegeven. Ieder zintuig en elke soort receptor neemt een andere grootheid waar.

Het oor

2000 Hz

600

0 .00 20

1000 Hz

Basilair membraan

Hz 00

H 00 30

15 0

Figuur 9 Het uitwendige oor

70 00

Figuur 10 Het slakkenhuis

5000 Hz

Het oor neemt geluid waar, zet het om in spanningspulsen en geeft deze via de gehoorzenuw door aan de hersenen. Daar wordt onderscheid gemaakt in de hoogte van het geluid (de frequentie) en de sterkte van het geluid (de amplitude). In het binnenoor, het slakkenhuis, gaan de geluidsgolven door een vloeistof langs een membraan met allemaal zintuigcellen voorzien van kleine haartjes die de prikkels omzetten in impulsen. Deze worden doorgeven naar de gehoorzenuw. Doordat het membraan in het begin smal en stijf is en daarna breder en flexibeler wordt, zullen de haartjes aan het begin van het slakkenhuis resoneren bij hoge frequenties (maximaal 20 kHz) en aan het eind bij lage frequenties (minimaal 20Hz). Op deze manier kun je verschillende toonhoogtes, al of niet tegelijk, waarnemen. De hersenen vertalen de plaats waar de prikkeling het sterkst is in een bepaalde toonhoogte. Door de amplitude van de trillingen van de haartjes van het membraan hoor je de sterkte van het geluid. Bij een hoger geluidsniveau is de amplitude van de trilling groter, waardoor er een sterkere prikkel per haarcel is. Als het geluid te hard is gedurende enige tijd, kunnen de zintuigcellen op het membraan in het slakkenhuis onherstelbaar beschadigd raken en kun je bepaalde frequenties slechter of zelfs niet meer horen. Het minimale geluidsniveau waarbij een impuls aan de hersenen wordt doorgegeven noemen we de gehoordrempel. Deze gehoordrempel is afhankelijk van de frequentie van het geluid en van de leeftijd van de persoon.

Het oog De zintuigcellen in je oog zijn niet allemaal even gevoelig. Mensen hebben twee soorten receptoren: staafjes en kegeltjes. De kegeltjes bevinden zich in het midden op het netvlies recht achter de ooglens, terwijl de staafjes daaromheen liggen. De drie soorten kegeltjes kunnen drie verschillende kleuren licht waarnemen, de staafjes alleen grijswaarden. De hoeveelheid licht die op een kegeltje moet vallen voordat de spanningspuls in de zenuw hoog genoeg is om doorgegeven te worden, is veel groter dan bij een staafje.

Figuur 11 Een oog

De gevoeligheid van kegeltjes is dus lager dan die van staafjes. Hierdoor kun je bijvoorbeeld op een donker voetbalveld moeilijk onderscheid maken tussen je medespelers en je tegenstanders. Het zijn allemaal grijze schimmen. De drie soorten kegeltjes hebben een verschillende gevoeligheid voor rood, groen en blauw licht, zie figuur 12. Uit de impulsen van de verschillende soorten kegeltjes kunnen de hersenen afleiden welke kleur het licht heeft.

Biofysica 2 Waarnemen en reageren Beheersen

Spierspoeltjes Een belangrijke receptor in je spieren bestaat uit een spierspoeltje. De spierspoeltjes zitten om de spiervezels heen (zie figuur 13) en geven de hersenen informatie over de dikte van de spier en de snelheid waarmee de lengte van de spier verandert. Wanneer een spier samentrekt, worden de structuren in de spiervezel langs elkaar getrokken. Hierdoor wordt de spier korter en dikker. Als dit gebeurt, geven de spierspoeltjes een impuls naar het ruggenmerg. Dat gebeurt ook als een spier te veel gaat uitrekken. Als dat dreigt te gebeuren, kunnen de spiervezels worden aangestuurd om de spier te laten samentrekken. Tegelijkertijd zal er een impuls naar de spier gaan die de tegenover gestelde beweging teweegbrengt, namelijk ontspanning. Til je bijvoorbeeld met je arm een gewicht op (zie figuur 14), dan zal je biceps worden opgerekt. De spierspoeltjes geven een impuls af en de hersenen zullen meer spiervezels in je biceps laten samentrekken. Bovendien zal er een impuls gaan naar je triceps dat de spiervezels daarin zich moeten ontspannen.

spierspoeltje

relatieve gevoeligheid

1,0

400

500

Figuur 12 Gevoeligheid van de drie soorten kegeltjes

spiervezels

F biceps

biceps

beenspier

Figuur 13 Spiervezels en spierspoeltjes

triceps

Figuur 14 Biceps en triceps

Reflexen Veel van onze bewegingen worden bepaald door reflexen. Nadat bijvoorbeeld een receptor een prikkel krijgt, voeren zenuwcellen een automatische reactie uit en vervolgens een onbewuste actie van spieren. Voor acties door reflexen hoef je niet na te denken. We zijn ons niet bewust van alles wat onze zintuigen waarnemen buiten en in ons lichaam. Reflexen zorgen dat je toch snel genoeg gevaar ontwijkt (knipperen met je ogen, hete spullen laten vallen) of je lichaam aanpast (voedsel verteren, hoesten, evenwicht, pupilgrootte aanpassen) zonder dat je daarover hoeft na te denken. Een bekende reflex is de kniepeesreflex (zie figuur 15). Als je op de pees net onder je knie tikt, gaat je been naar voren. Deze reflex loopt net zoals alle signalen via het centrale zenuwstelsel. Door de tik (de prikkel) op de pees onder de knie wordt via een zenuw een spanningspuls verstuurd naar het centrale zenuwstelsel. Zodra de impuls in het ruggenmerg is aangekomen, wordt deze doorgegeven aan twee verschillende zenuwen: een zenuw die de impuls doorstuurt naar de hersenen en een zenuw die een spiercel aanstuurt. Hierdoor beweegt je been.

600 700 golflengte λ (nm)

Figuur 15 Kniepeesreflex

Beheersen 2 Waarnemen en reageren Biofysica

Experiment 7: Reflexen

Experiment 8: Reactietijd versus reflextijd

Een reflex is veel sneller dan een gewone reactie op een prikkel, omdat niet eerst een impuls naar de hersenen hoeft te gaan: er wordt direct gereageerd. Dit is van groot belang. Je doet bijvoorbeeld je ogen automatisch dicht als er iets dichtbij op je ogen afkomt, om je ogen onmiddellijk te beschermen. Je doet dus eerst je ogen dicht en pas daarna wordt de impuls van die prikkel ook in de hersenen herkend. Doordat bij een reflex de impuls van het zintuig in een verwaarloosbare tijd direct wordt omgezet in een impuls naar een spier, kun je de voorplantingssnelheid van een impuls langs een zenuw meten. Er geldt:

s     + s  2 v  = ______   1     t   reflex t

Signaal: verstoring van spanning over de celmembraan

Natriumionen Kaliumionen

1 Rustsituatie zenuwuitloper -90 mV

2 Door kleine verstoring van de potentiaal aan de linkerkant van de uitloper gaan de Na+-kanalen open.

Hierin is vt de transportsnelheid van de impuls (in m/s), s1 de afstand tussen het z intuig en het ruggenmerg (in m), s2 de afstand tussen het ruggenmerg en de spier (in m) en treflex de tijd die het kost voordat de reflexbeweging begint (in s).

Impulsoverdracht De snelste manier van impulsoverdracht in het menselijk lichaam is via de zenuwen. Deze overdracht gaat zo snel, doordat er geen stoffen worden doorgegeven via de bloedsomloop maar elektrische signalen via de zenuwuitlopers. In een zenuwcel is de concentratie van kleine ionen zoals Na+ en K+ anders dan net buiten deze cel. De bewegingen van deze geladen ionen zorgen ervoor dat een impuls door de zenuw wordt getransporteerd. Wat is de rol van de Na+-ionen en K+-ionen in deze impuls overdracht?

-70 mV

3 Na-ionen stromen door het concentratieverschil de cel in, de spanning neemt toe. Door deze positieve spanning gaan de K+-kanalen open en de Na+-kanalen weer dicht. +20 mV

4 De potentiaal is weer op zijn beginwaarde teruggekeerd doordat K+-ionen de cel uit zijn gestroomd. Door de negatieve spanning zijn de K+-kanalen weer gesloten. Nu gaan de ionenpompen aan de slag om de concentraties te herstellen. -90 mV

5 Ionenpompen hebben Na+-ionen de cel uitgepompt en K+-ionen de cel ingepompt. De linkerkant van de zenuw is klaar om een nieuwe impuls door te geven. -90 mV

Figuur 16 Impulsoverdracht langs een axon

Als de zenuwcel in rust is, bevat de vloeistof buiten de zenuwcel een overschot aan Na+-ionen en een tekort aan K+-ionen (stap 1, figuur 16). Deze ionen kunnen slecht door de celmembraan heen en pompjes in de celmembraan houden dit concentratie verschil in stand. Door het verschil in ionenconcentraties staat er in de rustsituatie een spanning van −90 mV over de wand van de zenuwcel. Zodra een prikkel van bijvoorbeeld een zintuig bij de zenuwcel aankomt, wordt de elektrische spanning over de celmembraan verstoord (stap 2, figuur 16). Als deze verstoring groot genoeg is, gaan er kleine kanaaltjes in de celmembraan open. Hierdoor zullen Na+-ionen de cel instromen (vanwege het concentratieverschil). Daardoor komen er veel positief geladen deeltjes in de zenuwcel terecht en zal de spanning over de celmembraan positief worden. Hierdoor verandert de spanning over de zenuwwand en ontstaat er een spanningspuls, die actiepotentiaal wordt genoemd (zie figuur 17). Door de positieve spanning over de celmembraan gaan de kanaaltjes voor Na+-ionen dicht en die voor K+-ionen open. Hierdoor kunnen de K+-ionen vrij door de celmembraan naar buiten stromen (stap 3, figuur 16). Daardoor daalt de spanning over de celmembraan tot de rustspanning weer is bereikt (stap 4, figuur 16). Dit alles gebeurt in minder dan een milliseconde. Door de kleine verstoring van de spanning verandert de celmembraan dus van structuur en ontstaat er een spanningspuls: een actiepotentiaal. De spanningspuls zorgt ervoor dat een klein stukje verder in de zenuwuitloper de spanning een beetje verandert, waardoor ook hier een spanningspuls ontstaat. De prikkel die voor de eerste actiepotentiaal zorgt, wordt op deze manier langs het axon, de uitloper van de zenuwcel, geleid met een snelheid van 120 m/s. Meteen na het afgeven van een actiepotentiaal is een zenuwcel niet in staat een nieuw impuls door te geven.

Biofysica 2 Waarnemen en reageren Beheersen

aarvoor moeten eerst de ionenconcentraties worden hersteld. De celmembraan D bevat pompjes die actief de natriumionen uit de zenuwcel pompen en kaliumionen de zenuwcel in (stap 5, figuur 16). Het pompen van ionen door de celmembraan kost energie en tijd (ongeveer 1,0 ms). De actiepotentiaal is een versterking van een kleine verstoring van de spanning over de wand van de zenuwcel. Het is een binair signaal, want een zenuw kan geen verschillende signaalwaarden doorgeven. Er ontstaat een actiepotentaal óf niet, de signaalwaarde is dus onafhankelijk van de grootte van de prikkel. Een zenuw kan wel onderscheid maken tussen een grote of kleine prikkel door de frequentie te verhogen waarmee een actiepotentiaal wordt geproduceerd. Een zenuw kan maximaal 1000 × per seconde een actiepotentiaal genereren. Als een zintuigcel een te kleine prikkel ontvangt, blijven de Na+-kanalen gesloten en ontstaat er geen actiepotentiaal. De grootte van de actiepotentiaal hangt af van het concentratie verschil van natriumionen en kaliumionen binnen en buiten de cel, en van de temperatuur.

spanning over de celmembraan U (mV)

60 40 20 0 -20 -40

actiepotentiaal

-60 -80 -100 -120

0,50

1,00

1,50 tijd t (ms)

Figuur 17 Actiepotentiaal

SY N A P S : CO N TAC T T U SS E N T W E E C E L L E N neurotransmitters Aan het einde van de uitloper van een zenuwcel komt de actiepotentiaal aan bij de komen vrij in de synaps synaps, de overgang van een zenuwcel naar een andere cel. De synaps is een smalle ruimte tussen de zenuwcel en een volgende cel. Als de actiepotentiaal aan het einde van het axon arriveert, komen er chemische stoffen, neurotransmitters, vrij in deze Axon kleine ruimte. Deze transmitters bewegen door de vloeistof in die ruimte naar de volgende cel en beïnvloeden daar de celmembraan. Door de neurotransmitters kunnen dan natriumkanalen worden geopend in een volgende zenuwcel, waardoor er daar een actiepotentiaal ontstaat. Meestal eindigen verschillende axonen bij dezelfde cel. Sommige axonen geven neurotransmitters af die zorgen voor een stijging van de Figuur 18 Synaps spanning in de volgende cel, andere axonen geven juist neurotransmitters af die zorgen voor een daling van de spanning. Ook kunnen er, door het effect van hormonen of andere zenuwcellen, enzymen in de synaps aanwezig zijn die de neurotransmitters afbreken en dus de grootte van het effect van de actiepotentiaal verkleinen. Of er in een volgende cel een actiepotentiaal zal ontstaan, hangt af van de resultante van de effecten van alle neurotransmitters in de synaps.

Behalve via het zenuwstelsel kunnen ook, na impulsen van sensoren of receptoren, hormonen worden getransporteerd door het bloed. Impulsen via het zenuwstelsel zijn binnen enkele milliseconden op hun plek. Met behulp van hormonen via de bloedvaten duurt het langer voordat een plek in het lichaam wordt bereikt. Een voordeel is echter dat de hormonen alle plekken in het lichaam kunnen bereiken. De snelheid waarmee hormonen worden getransporteerd, hangt af van de hartslag, hoe snel het bloed wordt rondgepompt en hoeveel bloed er in het lichaam aanwezig is. Maar meestal speelt snelheid geen rol bij hormonen.

neurotransmitters koppelen aan receptoren

Dendriet

enzym vernietigt neurotransmitter

Beheersen 2 Waarnemen en reageren Biofysica

Bloedvaten en hart De functie van het hart is om bloed rond te pompen, zodat alle spieren, organen en zenuwcellen van het lichaam voortdurend van voedingstoffen en zuurstof voorzien worden. De hartslag wordt vooral bepaald door de behoefte van spieren, organen en zenuwcellen aan deze voedingsstoffen en zuurstof en aan afvoer van afvalstoffen. Een gemiddelde man heeft in al zijn bloedvaten ongeveer 5 L bloed, een vrouw ongeveer 4 L. Het totale volume van het bloed van een persoon hangt zowel af van het geslacht als de leeftijd en de massa. Een goede benadering is:

Vman = 1510 + 59m – 9L en Vvrouw = 1463 + 48m – 11L Hierin is V het bloedvolume (in mL), m de massa (in kg) en L de leeftijd (in jaren). Mensen die jarenlang veel en intensief hebben gesport, hebben meestal een groot hart, zodat er per minuut, bij dezelfde hartslag, meer bloed door het hart kan worden rondgepompt. Het hart pompt gemiddeld per slag 50 tot 70 mL bloed het lichaam in. De frequentie van de hartslag kan oplopen van 45 - 70 slagen per minuut (rust hartslag) tot boven de 200 slagen per minuut. De maximale hartslag hangt af van leeftijd en conditie. Een vuistregel voor het bepalen van de maximale hartslag is: maximaal aantal hartslagen per minuut = 220 − leeftijd (in jaren) De hoeveelheid bloed die het hart per minuut kan rondpompen, kan fors oplopen bij inspanning. Dit is één van de bepalende factoren voor de conditie van een duursporter.

Longen Experiment 9: Ademvolume

Ook de longfunctie bepaalt de conditie van een duursporter. Het lichaam moet genoeg zuurstof kunnen opnemen en koolstofdioxide kunnen afvoeren. Hoe goed het ademhalingssysteem werkt, wordt onder andere bepaald door de grootte van de longen en de ademhalingsfrequentie. Als je meer zuurstof nodig hebt, ga je sneller en over het algemeen ook dieper ademhalen. En wanneer het zuurstofgehalte in je bloed laag is, nemen je longen meer zuurstof op uit de lucht. Er is dus niet een eenduidig verband tussen zuurstofbehoefte en ademhalingsfrequentie. Een betere maat voor de longfunctie dan de ademhalingsfrequentie is het ademvolume: de hoeveelheid lucht die je in één minuut in- en uitademt.

13 De paragraafvraag is: Op welke manier reageert het lichaam op waargenomen veranderingen van grootheden in en buiten het lichaam? Wat is het antwoord op deze vraag?

14 De snelste reacties in het menselijk lichaam zijn de reflexen. a b c

Waardoor kun je niet sneller reageren dan met een reflex? Geef een voorbeeld van een reflex. Leg uit waarom het van groot belang is dat een reflex zo snel is.

Biofysica 2 Waarnemen en reageren Beheersen

15 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken a b c d e f

Een prikkel wordt door een zenuwcel doorgegeven, doordat er natrium ionen door de uitlopers van de zenuw naar de celkern stromen. Bij een reflex stuurt een zintuigcel direct de spieren aan. De positieve ‘pool’ van de spanning in een zenuwcel ligt buiten de zenuwcel. Een actiepotentiaal ontstaat doordat er natriumionen de cel in kunnen stromen. De spanning van de actiepotentiaal daalt doordat pompjes in de cel membraan de natriumionen weer de cel uitpompen. De sterkte van de prikkel bepaalt de maximale waarde van de actiepotentiaal.

16 Bij Niels en Maxim wordt de reactietijd getest. Beiden houden hun ogen dicht en moeten deze openen als ze iets voelen. Niels wordt hierbij in zijn teen geprikt, Maxim in zijn neus. Leg aan de hand van een berekening uit of er verschil in reactietijd is tussen beiden en of je het verschil kunt meten met een stopwatch.

17 Bij wereldkampioenschappen atletiek wordt de reactietijd gemeten van s printers. In het startblok zit daartoe een druksensor. Als deze sensor binnen 100 ms na het startschot een toename in de druk op het startblok registreert, krijgt de sporter een valse start toegewezen. a Bereken de tijd die het geluidssignaal nodig heeft om via de zenuwen van de oren naar de dijbeenspier te komen. Schat hierbij de afstand van het hoofd tot de dijbeenspier van de sprinter. b Verklaar waarom jij het wel / niet eerlijk vindt dat iedereen die binnen 100 ms begint te sprinten wordt gediskwalificeerd.

18 Ongeveer 8% van de manne n en 0,4% van de vrouwen is kleurenblind. Dit betekent dat één of meer van de receptoren voor kleur niet goed werkt. Leg uit welke soort kleurreceptor niet goed werkt als iemand geen onderscheid kan maken tussen geel/groen en oranje.

19 Het oog bevat kegeltjes en staafjes die reageren op lichtprikkels. De kegeltjes geven ook informatie door over de frequentie van het licht, de staafjes niet. Iemand beweert dat de staafjes overbodig zijn, omdat deze minder groot heden kunnen waarnemen dan kegeltjes. Leg uit waarin de staafjes beter presteren dan de kegeltjes en hoe dit voor het zicht van belang is.

20 De gehoordrempel, het zachtste geluid dat je kunt waarnemen, is afhankelijk van de frequentie van het geluid. Leg uit wat dit betekent voor de gevoeligheid van de receptoren in het binnenoor.

21 Een man met dezelfde lengte en massa als een vrouw heeft meer bloed in zijn lichaam. a Welk onderdeel van de bloedsomloop werkt dan beter? b Waardoor pompt een getrainde sporter meer bloed per minuut door zijn lichaam rond dan een ongetrainde sporter met dezelfde massa en lengte?

Beheersen 2 Waarnemen en reageren Biofysica

22 Joline en Sander zijn beiden 17 jaar oud, wegen allebei 72 kg en zijn allebei precies 1,73 m lang. a Bereken hoeveel bloed Sander heeft. b Bereken hoeveel meer bloed Sander heeft dan Joline. c Sanders hart pompt per slag 62 mL bloed zijn bloedbaan in. Hoeveel bloed pompt Sanders hart ongeveer per minuut rond als hij slaapt? d Hoeveel bloed per minuut pompt Sanders hart ongeveer rond als hij zich maximaal inspant? e Hoe lang duurt het voordat Sanders hart bij maximale inspanning zijn totale bloedvolume heeft verpompt? f Hoeveel keer pompt Sanders hart per dag al zijn bloed rond, als zijn gemiddelde hartslag 65 slagen per minuut is.

23 In een zenuwcel wordt een actiepotentiaal veroorzaakt doordat ionen snel de zenuwcel in en uit kunnen stromen. Dit komt doordat de concentraties van Na+-ionen en K+-ionen in en buiten de cel niet gelijk zijn. In rusttoestand is de concentratie van Na+-ionen in de cel ongeveer 10 × kleiner dan buiten de cel, terwijl de concentratie van K+-ionen in de cel dan ongeveer 30 × groter is dan buiten de cel. a Leg uit waardoor natriumionen de cel instromen als de natriumkanalen zijn geopend. b Leg uit waardoor de spanning over de celmembraan daalt als er meer natriumionen in de cel zijn. c Leg uit waardoor de kaliumionen de cel uitstromen als de kaliumkanalen zijn geopend. d Geef een oorzaak waardoor de natriumionen in eerste instantie sneller de cel instromen dan de kaliumionen de cel uitstromen. e Leg uit waardoor er energie nodig is om een zenuwcel na een actie potentiaal weer gereed te maken voor een volgende actiepotentiaal.

24 Een fietser die 40 km/h fietst, zet per seconde ongeveer 1000 J aan energie om in zijn spieren. Dezelfde fietser gebruikt tijdens het slapen slechts 60 J/s. De energie die de fietser gebruikt, is opgeslagen in het lichaam. De zuurstof die hij nodig heeft voor de verbranding, moet hij inademen. a Leg uit of het verband tussen ademvolume en zuurstofbehoefte evenredig is of niet. b Leg uit of het verband tussen de hartslagfrequentie en de aanvoer van voedingstoffen in een spier evenredig kan zijn. c Leg uit waardoor de ademhalingsfrequentie en het vermogen dat je levert niet evenredig met elkaar zijn. d Iedere spiervezel kan evenveel kracht leveren. Wat voor soort verband bestaat er tussen de spierkracht en het aantal spiervezels naast elkaar?

Biofysica

Voedingsstoffen en bewegen

ONTDEKKEN

Experiment 10: Vermogen van een

Veel sporters willen door training steeds beter worden. Sommige topsporters gebruiken zelfs doping om hun prestaties te verhogen. Maar de meeste mensen sporten om in conditie te blijven, om af te vallen of omdat ze het gewoon leuk vinden. Wat bepaalt eigenlijk hoe goed je bent bij het sporten en waar haal je de energie vandaan?

sporter

Experiment 11: Armpje drukken

PA R AG R A A F V R A AG Waardoor wordt bepaald hoe goed een sporter presteert?

BEGRIJPEN Kracht en bewegen Bij de meeste sporten gaat het om beweging. Om in beweging te komen is spierkracht nodig (F = m · a) en om in beweging te blijven is meestal ook spierkracht nodig ter compensatie van de wrijving. De kracht die één spiervezel kan uitoefenen, is maar heel klein. Door te trainen kun je het aantal spiervezels vergroten, waardoor de kracht die de totale spier kan uitoefenen groter wordt.

B O U W VA N E E N S P I E R (het molecuul dat al onze cellen van energie voorziet) een stukje weggehaald, waardoor er een ADP-molecuul ontstaat. Hierbij wordt 8 · 10−20 J omgezet in arbeid. Door deze arbeid wordt de actinevezel 8 nm langs de myosinevezel getrokken, waardoor de spier korter wordt. In een spiervezel zijn veel actine-myosine-vezels in serie gelegd, zodat een spiervezel snel en veel kan verkorten. In een spier ligt een groot aantal spiervezels parallel aan elkaar om voldoende kracht te kunnen uitoefenen. Een enkele dunne actinevezel dikke myosinevezel spiervezel kan slechts een kracht van enkele piconewton genereren. Als een spier veel wordt gebruikt, worden er door het lichaam extra spiervezels aangemaakt. Het aantal zenuwen dat deze spiervezels aanstuurt, wordt echter niet groter. Hierdoor kunnen sterke mensen vaak minder sarcomeer goed hun kracht doseren, doordat een enkele zenuw veel spiervezels aanstuurt. De maximyofibril male kracht die een spier kan uitoefenen, hangt af van het aantal zenuwen dat een signaal geeft aan de spier en van het aantal spiervezels. enkele spiervezel

De kracht van een spier wordt opgewekt door myosine- en actinevezels in de spiervezels. In figuur 19 is de interactie tussen actine en myosine schematisch weergegeven. Er is een open horizontale ruimte tussen de dikke (myosine) en dunne strepen (actine). De actinevezels kunnen door moleculaire motoren langs de myosinevezels worden getrokken. Bij iedere stap van een moleculaire motor wordt van een ATP-molecuul

pees spier spier bundel spiervezels

spiervezels

Figuur 19 Opbouw van een spier

bot

begrijpen 3 Voedingsstoffen en bewegen Biofysica

ARBEID De arbeid die een kracht verricht, is het product van de afgelegde weg en de kracht in de richting van die afgelegde weg. Als je een berg op fietst, is de arbeid dus de afstand langs de weg tot de top maal de afzetkracht van de fiets tegen de weg. Door te schakelen verander je de totale afstand die je voeten met de pedalen afleggen en daardoor de kracht die je op de pedalen moet uitoefenen om boven te komen. Maar het product van die twee grootheden, jouw arbeid, blijft hetzelfde. Arbeid verrichten is energie omzetten. Als je arbeid verricht door omhoog te fietsen, wordt in jouw spieren de chemische energie van koolhydraten en/of vetten omgezet in bewegingsenergie en zwaarte-energie. Bij het fietsen met constante snelheid over een horizontale weg wordt de bewegingsenergie door de tegengestelde arbeid van de wrijvingskrachten voortdurend omgezet in warmte. Hoe groter de afgelegde afstand en/of hoe groter de kracht van een spier, des te meer energie wordt er in die spier omgezet.

Arbeid en energie Sommige wielrenners blijven in een te zware versnelling rijden als de weg omhoog loopt, waardoor ze amper genoeg kracht hebben om de pedalen rond te krijgen. Andere wielrenners schakelen een lichtere versnelling in en hoeven daardoor minder kracht te zetten. Ze moeten dan wel vaker trappen om boven te komen. Je verricht uiteindelijk evenveel arbeid om boven te komen, welke versnelling je ook kiest. Lang niet alle chemische energie uit het voedsel wordt door de spieren benut om arbeid te verrichten want er komt altijd warmte bij vrij. Het rendement is veel lager dan 100%. Verschillende soorten voedsel bevatten verschillende hoeveelheden energie. Voedsel met veel suiker of vet bevat veel energie. Om bij het sporten geen ‘hongerklop’ te krijgen, moet je genoeg eten. Want als de energievoorraad (bijna) op is kom je, bij hardlopen, fietsen of zwemmen bijvoorbeeld, niet meer vooruit (de ‘man met de hamer’ ). Voor een sporter is het ook belangrijk gevarieerd te eten. Zo worden de eiwitten uit het voedsel gebruikt om nieuwe spiervezels te maken, zodat je meer kracht kunt zetten.

Vermogen Bij de meeste sporten is niet alleen kracht maar ook snelheid van belang. De energie in de spieren moet daarom snel kunnen worden omgezet. Hoe sneller de voedingsstoffen in de spier worden omgezet in beweging, hoe beter de sporter presteert. Het vermogen is de hoeveelheid energie die per seconde omgezet wordt. Hoe groot het vermogen is dat een sporter maximaal kan leveren, is ook afhankelijk van de duur van de prestatie die geleverd moet worden. Voor heel kort durende sportprestaties, zoals speerwerpen, hoogspringen, kogelstoten en sprinten, is de maximale grootte en afstand van de spierkracht van het grootste belang. Bij deze sporters gaat het om de hoeveelheid spiervezels en de grootte van de beweging die de spieren maken. Tijdens langer durende sportprestaties is het vooral van belang hoe goed het lichaam zuurstof en voedingsstoffen naar de spieren kan toevoeren en verbrandingsproducten kan afvoeren. Als de spieren geen voedingsstoffen krijgen om arbeid te verrichten, stopt de beweging uiteindelijk. En wanneer de verbrandingsproducten niet snel genoeg afgevoerd worden, ‘verzuurt’ de spier (de sporter moet ‘afzien’) en kan er spierkramp optreden.

Biofysica 3 Voedingsstoffen en bewegen begrijpen

H A RT S L AG F R E Q U E N T I E A L S M A AT VO O R H E T VERMOGEN Je kunt aan de hand van de hartslag het vermogen tijdens het sporten schatten. Daarvoor bepaal je eerst de maximale hartslag en de rusthartslag. De rusthartslag vind je door ’s ochtends je hartslag te meten. De maximale hartslag bereken je met de desbetreffende formule van paragraaf 2. Het vermogen bepaal je dan door na te gaan hoe dicht je bij je maximale hartslag zit: hartslag  −  rusthartslag vermogen =  ____________________________          × 100% maximale hartslag  −  rusthartslag Hierbij zijn alle hartslagen in slagen per minuut en het vermogen in procenten.

Hartslag en ademhaling Zodra je gaat sporten, gaan je ademhaling en je hartslag sneller. Dit is nodig omdat er maar weinig voedingsstoffen en zuurstof in de spieren zijn opgeslagen. Deze voorraad moet zo snel mogelijk worden aangevuld. De spier zal zuurstof opnemen en het zuurstofgehalte in het bloed in de spier zal afnemen. Wanneer dit wordt waargenomen, wordt er meer bloed naar die spier gestuurd en neemt de ademhaling toe om meer zuurstof in het bloed te krijgen. Ook gaat het hart sneller kloppen om genoeg bloed naar de longen en de spieren te laten stromen. Zuurstof wordt van de longen via het bloed naar de spieren gebracht door de rode bloedcellen. Je hebt er een paar duizend miljard van, met een gezamenlijke oppervlakte van enkele duizenden m2. Het lichaam maakt zelf rode bloedcellen in het beenmerg. Als je het benauwd krijgt, kunnen er niet acuut meer rode bloed cellen aangemaakt worden. Maar je kunt extra aanmaak wel stimuleren door gerichte training. Het energiegebruik wordt geschat aan de hand van het zuurstofverbruik (liters O2 per minuut) en de ademhalingsfrequentie. Een indirecte maat voor het energiegebruik is het hartritme. Deze methode is minder nauwkeurig dan de meting van de adem haling, omdat de hartfrequentie door meer factoren wordt beïnvloed zoals stress en hormonen.

Luchtdruk en ademhaling Ademhalen doe je door je longvolume groter en kleiner te maken. Bij het groter maken draai je je ribben naar buiten en duw je je buik naar beneden. Dat je bij het inademen lucht naar binnen ‘zuigt’ komt doordat de luchtdruk in je longen kleiner wordt als het volume groter wordt. De atmosferische luchtdruk is dan groter dan de luchtdruk in je longen, waardoor er verse lucht naar binnen stroomt. Bij het uitademen is het precies omgekeerd. In de bergen is de (atmosferische) luchtdruk lager dan op zeeniveau. Bij het inademen wordt de lucht minder hard naar binnen geduwd, doordat het verschil tussen de druk van de buitenlucht en de luchtdruk in je uitgezette longen dan kleiner is. Bovendien is de atmosferische luchtdichtheid in de bergen lager, de lucht is ‘ijler’.

Figuur 20 Zuurstofopnamevermogen getest

vermogen P (W)

begrijpen 3 Voedingsstoffen en bewegen Biofysica

Je krijgt in de bergen dus minder lucht binnen per ademhaling. Tijdens inspanning in het hooggebergte moet je daarom flink hijgen om voldoende zuurstof binnen te krijgen. Uit metingen zoals in figuur 20 bij verschillende professionele wielrenners is het diagram van figuur 21 samengesteld. Bedenk hierbij dat een geleverd vermogen van ruim 460 W een uur lang volhouden heel extreem is. Voor een ‘normaal’ mens is dat niet weggelegd.

520

480

440

vermogen geleverd door wielrenner

B Tijdens

een beweging verricht een kracht arbeid. spier zet door arbeid te verrichten energie uit voedsel om in bewegingsenergie (en/of zwaarte-energie) en warmte. B De hartslagfrequentie en de frequentie van de ademhaling zijn een maat voor het vermogen dat een sporter levert. B Hoog in de bergen krijg je per ademhaling minder zuurstof binnen door de lagere luchtdruk. B Een

400

360

1000 2000 3000 hoogte boven zeeniveau h (m)

Figuur 21

Experiment 12: Verband tussen vermogen en hartfrequentie

25 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h i j

Een bodybuilder heeft meer spiervezels dan een gemiddeld persoon. Als een spier veel wordt gebruikt, worden de spiervezels sterker. Een spier verricht alleen arbeid, als hij zorgt voor beweging. Een spier zet voedsel om in warmte en beweging. Als je je biceps aanspant maar je arm beweegt niet, wordt alle energie omgezet in warmte. Als je snel van huis naar school loopt, verricht je evenveel arbeid als wanneer je langzaam loopt. Als je snel van huis naar school loopt, heb je een even groot vermogen als wanneer je langzaam loopt. Als je hartslagfrequentie 2 × zo hoog is, is je vermogen ook 2 × zo groot. Uitademen doe je met spieren in je borstkas en je buik. Inademen gaat vanzelf door de atmosferische luchtdruk.

26 Spierbundels bestaan altijd uit paren. In je arm heb je de biceps die je arm buigt en de triceps die de arm strekt. Leg uit waardoor één spierbundel niet genoeg is om je arm te lagen bewegen.

27 Kijk je naar de winnaar van een 100 m sprint (figuur 22) en de winnaar van een marathon (figuur 23), dan zie je grote verschillen. a Schat welk van deze twee sporters in zijn race de meeste arbeid heeft verricht. b Welk van deze twee sporters had in zijn race het grootste vermogen? c Leg uit welke van deze twee sporters de meeste spiervezels heeft. d Welk van deze twee sporters zal de meeste zuurstof en voedingstoffen in de spieren hebben opgeslagen? Figuur 22 Sprinter

Figuur 23 Marathonloper

Biofysica 3 Voedingsstoffen en bewegen Beheersen

28 Bij wielrennen worden verschillende soorten doping gebruikt. Twee populaire middelen zijn EPO en bloeddoping. EPO is een medicijn ontwikkeld voor nierpatiënten, dat zorgt voor aanmaak van extra zuurstof transporterende rode bloedcellen. Bij bloeddoping wordt een aantal weken voor een belangrijke wedstrijd bloed van de wielrenner afgenomen. Vlak voor de wedstrijd worden de rode bloedcellen daaruit via een infuus terug in het lichaam gebracht. Ook op deze manier zijn er extra zuurstof transporterende rode bloedcellen in het lichaam aanwezig. a Leg uit dat beide soorten doping zorgen voor betere prestaties. b Welke risico’s zullen er volgens jou zitten aan deze vormen van doping?

29 Duursporters gaan soms op ‘hoogtestage’ voor een belangrijke wedstrijd. Leg uit waardoor een duursporter beter presteert na een week in Zwitserland te hebben getraind. b Leg uit waardoor Tibet en Nepal niet erg in trek zijn voor een hoogtestage. Bergbeklimmers zijn meestal sterke en goed getrainde mensen. Toch moeten ze het rustig aan doen in het hooggebergte. c Leg uit waardoor je buiten bewustzijn kunt raken, als je je te veel inspant in het hooggebergte. a

BEHEERSEN Kracht, arbeid en vermogen Er zijn veel manieren om de verschillende prestaties van een sporter te meten. Een kracht bijvoorbeeld kan direct gemeten worden met een veerunster. De arbeid die een sporter verricht, is afhankelijk van kracht en beweging. Om de arbeid die de sporter verricht te berekenen, moet je dus zowel de kracht meten als de afgelegde afstand. Vervolgens bereken je de arbeid met:

W = F · s Hierin is W de arbeid (in J), F de kracht (in N) en s de afgelegde afstand (in m). Vaak is het bij sporten niet alleen belangrijk dat je over de finish komt maar ook hoe snel je die finish bereikt. In dat geval wint degene die de arbeid in de kortste tijd verricht en dus het grootste vermogen levert: P = _  W   

Hierin is P het vermogen (in W), W de arbeid (in J) en t de benodigde tijd (in s).

Experiment 13: Longvolume

Experiment 14: Spierkracht vergelijken

vermogen P (W)

Beheersen 3 Voedingsstoffen en bewegen Biofysica

Presteren op hoogte 520 vermogen voor 55 km/h 480

440

vermogen geleverd door wielrenner

400

360

1000 2000 3000 hoogte boven zeeniveau h (m)

Figuur 24 Verband tussen vermogen en hoogte

VO O R B E E L D Om op een baanfiets een snelheid te handhaven van 55 km/h moet een wielrenner op zeeniveau een vermogen van ongeveer 530 W leveren. Maar dat is te veel gevraagd, want dat kan een normaal (sport)lichaam niet presteren. Gaat de renner naar grotere hoogtes, dan neemt het vermogen om op de vlakke weg 55 km/h te blijven rijden af met de hoogte volgens de zwarte lijn in het diagram van figuur 24. In het diagram is ook aangegeven welk vermogen een goed getrainde wielrenner gedurende een uur kan volhouden op verschillende hoogtes. Een dergelijke wielrenner heeft dus alleen kans zijn persoonlijke wereld uurrecord te verbeteren op een wielerbaan die minstens 1700 m boven zeeniveau ligt.

Wereldrecords bij schaatsen worden vrijwel nooit verbeterd in Nederland. Daarvoor gaan de toppers naar hooggelegen schaatsbanen. Ook een poging het wereld uurrecord op de fiets te verbeteren wordt bij voorkeur in bijvoorbeeld Mexico gedaan. Dat lijkt vreemd omdat je in ijlere lucht minder goed een duurprestatie kunt leveren. Het wereldrecord op de marathon zal niet in Mexico verbeterd worden. Dat schaatsers en wielrenners wel een betere duurprestatie leveren in ijlere lucht, komt doordat bij die sporten de snelheid groot is, waardoor de luchtweerstand een grote rol speelt. Hoe ijler de lucht, des te minder is de luchtweerstand.

Rendement Bij het verbranden van suikers en vetten in de spieren komt veel warmte vrij. Het rendement van de spieren is laag. Slechts 20% tot 25% van de energie die aan de spieren wordt toegevoerd, wordt daadwerkelijk gebruikt om arbeid te verrichten. De andere 75 tot 80% wordt omgezet in warmte. Als je de arbeid of het vermogen van een sporter hebt gemeten en/of berekend, kun je met behulp van het gegeven rendement berekenen hoeveel energie in de vorm van voedingsstoffen is omgezet in de spieren: η = _  W     in E Hierin is η het rendement (in % of getal tussen 0 en 1), W de verrichte arbeid (in J) en Ein de energie in de vorm van voedingstoffen (in J).

Voedingswaarde Een sporter moet extra veel eten. Een man verbrandt gemiddeld ongeveer 12,6 MJ aan chemische energie per dag, een vrouw ongeveer 10,5 MJ. Dit komt overeen met ongeveer 190 kJ per dag per kg lichaamsmassa voor mannen en 160 kJ voor vrouwen. Op het moment dat je intensief en langdurig sport, gaat je energiebehoefte flink omhoog. Per gram glucose die in de spieren wordt verbrand, wordt er 15,6 kJ aan energie omgezet. De hoeveelheid chemische energie die vrijkomt bij de verbranding van glucose of vet bepaal je met:

r   · m E  ch =_   m       M

R E K E N VO O R B E E L D Vraag: Bereken de hoeveelheid chemische energie in 100 g suiker. Antwoord: Gewone suiker is sacharose: C12H22O11, met een molaire massa van 342,30 g/mol en een verbrandingswarmte van 56,47·105 J/mol (zie Binas tabel 56). De hoeveelheid chemische energie in 100 g suiker is dan: r   · m E  ch =_   m    

56,47 · 1 0  5 × 100 342,30

  = 1,65 · 1 0  6 J E        ch =______________

Hierin is Ech de chemische energie (in J), rm de verbrandingswarmte (in J/mol), m de massa (in g) en M de molaire massa (in g/mol). De verbrandingswarmte van enige voedingsstoffen per mol kun je vinden in Binas, tabel 98 of je berekent deze met behulp van de tabellen 66B en 99.

C A LO R I E O F J O U L E Vaak wordt bij voedingsproducten en diëten de hoeveelheid energie weergegeven in calorieën. De calorie is een oude eenheid voor energie. Eén calorie is de hoeveelheid energie die nodig is om één gram zuiver water één kelvin (of 1 graad Celsius) te verwarmen. Dit komt overeen met 4,2 joule.

Biofysica 3 Voedingsstoffen en bewegen Beheersen

30 De paragraafvraag is: Waardoor wordt bepaald hoe goed een sporter presteert? Wat is het antwoord op deze vraag?

31 Twee identieke wielrenners rijden in een bergetappe een col op. De eerste wielrenner rijdt met een zwaar verzet. Hij legt per omwenteling van de trappers 8,0 m af. De tweede wielrenner draait een lichter verzet en legt per omwenteling slechts 3,5 m af. Beide wielrenners komen op precies hetzelfde tijdstip boven. a Welke wielrenner zette tijdens het fietsen de meeste kracht? b Welke wielrenner verrichtte tijdens het fietsen de meeste arbeid? c Welke wielrenner had het grootste vermogen? d Leg uit waardoor het toch voordelig is een kleiner verzet te draaien.

32 Twee zwemmers zwemmen in het zwembad naar de andere kant van het bad. De zwemmers zijn ongeveer even groot. De spierkracht van de eerste zwemmer is echter 2 × zo groot als van de ander. Leg uit waardoor de eerste zwemmer niet 2 × zo snel aan de overkant komt.

33 De snelheid en het vermogen van een wielrenner hangen samen met zijn kracht volgens: P = F · v a Leid deze formule af. De luchtweerstand van een wielrenner op zijn fiets is evenredig met de snelheid in het kwadraat en evenredig met de luchtdruk. Bij constante snelheid is de voortstuwende kracht van de renner in evenwicht met de luchtweerstand. b Laat zien dat dan geldt: P = k · p  lucht · v3

34 Fietsliefhebber Klaas kan op zijn racefiets in Nederland een uur lang 200 W leveren waarbij hij 35 km aflegt. Hij overweegt een reis naar Mexico om op 2700 m hoogte zijn persoonlijke uurrecord te verbeteren. Op die hoogte is de luchtdruk maar 74% van onze gemiddelde luchtdruk op zeeniveau. Uit metingen blijkt dat zijn prestatievermogen dan 91% zal zijn van zijn laagland-vermogen. Klaas vraagt zich af welke afstand hij in Mexico in een uur zal kunnen afleggen. Het vermogen bereken je met P = k · p  lucht · v3 waarin k een constante is. Laat met berekeningen zien dat Klaas in Mexico niet meer dan 37,5 km af zal kunnen leggen in een uur.

35 Veel schaatsbanen zijn overdekt. Om rijders en toeschouwers van frisse lucht te voorzien wordt mechanische afzuiging van lucht toegepast. Frisse lucht stroomt dan vanzelf door roosters en openstaande deuren naar binnen. Volgens geruchten is er wel eens een ijsmeester geweest die vlak voor de rit van zijn provinciegenoot alle deuren dichtdeed en de afzuiging op top snelheid liet draaien. a Leg uit waardoor zo’n actie leidt tot oneerlijke concurrentie. b Leg uit of het ook zin heeft de ventilatoren de andere kant op te laten draaien als de concurrent aan de beurt is.

Beheersen 3 Voedingsstoffen en bewegen Biofysica

36 Een marathonloper verricht tijdens een marathon ongeveer 3,0 MJ aan arbeid en het rendement van zijn spieren is 20%. a Hoeveel energie (ongeveer) moet het bloed aan de spieren leveren voor deze prestatie? b Bereken hoeveel gram glucose er in zijn spieren wordt omgezet, als hij al deze energie uit glucose (C6H12O6) haalt. Bij de verbranding van vet komt, in vergelijking met glucose, per gram 2 × zo veel energie vrij. c Als de gehele energie voor de marathon uit vetverbranding komt, hoeveel gram vet is deze marathonloper dan na afloop kwijt?

37 Karel (80 kg) heeft besloten niet meer op dieet te gaan, maar extra te gaan

Nutritionele informatie per 100 g mars energie

451 kcal 1896 kJ

eiwitten

3,7 g

koolhydraten waarvan suikers

69,4 g 63,4 g

vet waarvan verzadigde vetzuren

17,6 g 10,2 g

natrium

0,16 g

zout

0,41 g

Figuur 25

bewegen. Iedere keer als hij een tussendoortje neemt, loopt hij expres een aantal keren de trap op-en-neer, totdat hij alle energie van het tussendoortje weer heeft verbruikt. De trap heeft 20 treden en elke tree is 18 cm hoog. Karel heeft een minimars gegeten van 19 g. De voedingswaarde per 100 g van zo’n mars zie je in de tabel van figuur 25. De vraag is hoeveel treden Karel de trap op moet lopen om de energie van een minimars om te zetten in zijn spieren. Het rendement van zijn spieren is 20%. a Hoeveel energie zit in een minimars opgeslagen? b Hoeveel energie van deze minimars wordt in een spier nuttig omgezet in arbeid? Bij het oplopen van de trap is de kracht die de beenspieren samen moeten leveren gelijk aan de zwaartekracht. c Hoeveel meter kan Karel met de energie van deze mars omhoog via de trap? d Wat is de conclusie: hoeveel treden moet Karel de trap oplopen om de energie van één minimars te verbranden?

38 De meeste winnaars van het gewichtheffen op de Olympische Spelen zijn Z

85 cm

Figuur 26 Z

Δh

h 35

Figuur 27

h 35

kleine, ‘vierkant’ gebouwde mannen of vrouwen. Leg uit wat daarvan het voordeel is ten opzichte van lange mensen, behalve dat ze het gewicht minder ver omhoog hoeven te tillen.

39 Als je wandelt, gebruik je spierkracht om je zwaartepunt telkens iets omhoog te brengen. Bij iedere stap die je zet, gaat je zwaartepunt eerst een stukje naar beneden en vervolgens weer omhoog. Op het moment dat je precies op twee benen staat, is je zwaartepunt het laagst. Zie figuur 26 en 27. De wandelaar heeft een massa van 80 kg. a Bepaal met figuur 27 hoeveel cm het zwaartepunt van de wandelaar van figuur 26 iedere stap omhoog gaat. b Hoe groot is de arbeid die de beenspieren bij iedere stap moeten verrichten? c Bereken hoe groot de arbeid is die de wandelaar verricht als hij stappen maakt van 80 cm in plaats van 70 cm. d Leg uit bij welke manier van wandelen het rendement het grootst is: 100 m lopen met grote stappen (80 cm) of 100 m lopen met kleine stappen (70 cm).

Biofysica

Warmtehuishouding

ONTDEKKEN Sporten is gezond maar ook vermoeiend. Je zweet als een otter wanneer je flink hebt gerend. Je lichaam doet er alles aan om niet oververhit te raken, want als je te warm wordt, worden alle eiwitten afgebroken, dus ook je spieren. Hoe probeert je lichaam ervoor te zorgen dat je niet oververhit raakt tijdens het sporten?

PA R AG R A A F V R A AG Hoe houdt het menselijk lichaam de lichaamstemperatuur constant?

BEGRIJPEN Homeostase Een sporter heeft zich voorbereid op een wedstrijd: de juiste kleren aan, genoeg gegeten en gedronken en goed uitgerust en getraind. De inwendige temperatuur van het lichaam is normaal 37 °C. Tijdens het sporten verricht een sporter arbeid en wordt er dus meer warmte geproduceerd. Het lichaam zal opwarmen als het de warmteafvoer niet vergroot. Voor een sporter is het belangrijk de juiste inwendige temperatuur te behouden, want als je het te koud of te warm hebt kun je niet goed presteren. Het lichaam moet ook genoeg voedingsstoffen naar de spieren kunnen brengen om te kunnen presteren. Gelukkig doet het lichaam dit allemaal voor het grootste deel zelfstandig, zonder dat je erover na hoeft te denken. Het lichaam heeft een aantal mechanismen om de optimale toestand in je lichaam in stand te houden. Een groot aantal receptoren en zintuigen nemen veranderingen in en buiten het lichaam waar. Vervolgens probeert het zenuwstelsel de situatie in het lichaam te herstellen door signalen te sturen via het zenuwstelsel en/of via h ormonen in het bloed en/of door het vervoer van bepaalde stoffen in het bloed. Dit proces wordt homeostase genoemd.

Warmte-evenwicht In de ideale situatie is de inwendige lichaamstemperatuur 37 °C. Het lichaam werkt dan optimaal. Zolang je gezond bent, zorgt je lichaam ervoor dat je deze inwendige temperatuur hebt en houdt. Daar hoef je niet bij na te denken, dat gaat vanzelf. Wanneer de temperatuur oploopt, nemen warmtereceptoren dit waar en zorgt je lichaam dat de inwendige temperatuur weer daalt. De warmtebalans is bij een gezond mens in evenwicht. Dit wil zeggen dat er evenveel warmte wordt geproduceerd als er aan de omgeving wordt afgestaan, zodat je inwendige temperatuur constant blijft. De meeste warmte die je produceert, komt van je spieren. Tijdens het sporten produceer je veel meer warmte dan wanneer je rustig stil zit. Dit komt doordat het rendement van spieren ongeveer 20% is. Van de energie die in je spieren wordt omgezet, komt 80% vrij in de vorm van warmte. Je kunt deze warmte op vijf verschillende manieren afvoeren: door geleiding, stroming, straling, verdamping en ademhaling.

Experiment 15: Huidtemperatuur

Experiment 16: De vingerthermometer

Begrijpen 4 Warmtehuishouding Biofysica

Warmteverlies door straling

Figuur 28 Hoe hoger de temperatuur des te meer infraroodstraling elk voorwerp uitstraalt. In de bovenste figuur is deze warmtestraling weergegeven door middel van ‘valse’ kleuren.

Niet alleen als je sport produceer je warmte, maar ook als je slaapt. Je lichaam is in slaaptoestand vergelijkbaar met een kacheltje van ongeveer 90 W. Deze warmte verlies je voor het grootste deel door straling. Ieder voorwerp dat warmer is dan 0 K, zendt infraroodstraling uit. Hoe hoger de temperatuur van het voorwerp, hoe meer infraroodstraling het uitzendt (zie figuur 28) en des te groter het energieverlies. Als je intensief sport, produceer je veel meer warmte. Je lichaam is dan vergelijkbaar met een motor die 1 kW aan warmte produceert. Op een aantal manieren kan je lichaam het warmteverlies door straling groter maken, bijvoorbeeld door meer bloed zo dicht mogelijk onder de huid te laten stromen. Je huid wordt dan warmer (en roder) en straalt daardoor meer warmte uit. Na afloop van een wedstrijd loop je het risico onderkoeld te raken. De spieren pro duceren geen warmte meer maar je bent nog wel warm, vooral je buitenkant. Hierdoor kun je warmte blijven uitstralen en in korte tijd sterk afkoelen. Bij de finish van marathons worden daarom vaak aluminium dekentjes aan de lopers uitgedeeld, die de straling terugkaatsen naar het lichaam.

Warmteverlies door geleiding en stroming Tijdens het sporten verlies je warmte, doordat je de lucht om je heen opwarmt. Dit gebeurt door geleiding. Warmtegeleiding is het warmtetransport tussen twee voorwerpen die contact hebben. De warmte die in je spieren wordt geproduceerd en met het bloed wordt afgevoerd, gaat door geleiding door je huid naar buiten. Vervolgens wordt de lucht door geleiding vanuit de huid verwarmd. Als je bijvoorbeeld je warme jas aandoet, duurt het even voordat je het ook echt warm krijgt. Dit komt doordat eerst alle lucht in je kleren moet worden opgewarmd. Wanneer na enige tijd die opgesloten lucht en al je kleren bijna dezelfde temperatuur hebben als je huid, verlies je nauwelijks nog warmte door geleiding. Ga je surfen met een wetsuit aan, dan loopt er eerst koud water in je pak. Het duurt dan langer tot je het niet meer koud hebt, doordat het verwarmen van een laagje water veel meer energie kost dan van een laagje lucht. Ga je in heel weinig kleren sporten, dan kan de warmte die je via geleiding hebt afgegeven aan de lucht via stroming van de lucht verder worden afgevoerd. Je verwarmt dan voortdurend verse lucht vanuit je huid. Hoe groot de afkoeling door stroming is bij het sporten, hangt af van de stroomsnelheid van de lucht om je heen. Als je snel beweegt of als het hard waait, is de afkoeling als gevolg van luchtstroming groot. Zwem je in alleen een zwembroek of badpak in koud water, dan verlies je natuurlijk veel warmte door stroming van water langs je huid. Bij zwemmen in koud water moet je de geleiding van warmte van binnenuit je lichaam naar je huid zo veel mogelijk beperken. Volwassenen zijn dan in het voordeel; kleine kinderen zullen snel onderkoeld raken.

Warmteverlies door zweten

Figuur 29 Warmteverlies door zweten

De zichtbaarste manier van afkoeling is zweten. Als je stopt met hardlopen of fietsen, kun je het koud krijgen doordat je nog bezweet bent. Een nat shirt voelt dan opeens koud aan. Het water in het natte shirt verdampt, waardoor het afkoelt en het temperatuurverschil met de huid groter wordt. Met transpireren raak je warmte kwijt, doordat water op je blote huid verdampt en daarbij warmte onttrekt aan je huid.

Biofysica 4 Warmtehuishouding Begrijpen

Verdampen betekent op moleculaire schaal dat de snelst bewegende watermoleculen in de vloeistof ontsnappen aan de aantrekkende krachten van de watermoleculen aan het oppervlak van de vloeistof. Hierdoor wordt de gemiddelde snelheid van de achterblijvende watermoleculen kleiner en de temperatuur van het water dus iets lager. Doordat de verdampingswarmte van water heel groot is (meer dan 2 kJ/g), is zweten een effectief middel om warmte kwijt te raken. Tenzij de lucht al verzadigd is met waterdamp, dan verdampt er niets. De hoeveelheid warmte die je afstaat door zweten hangt af van vier factoren: E de oppervlakte van je huid die met zweet is bedekt; E de temperatuur van het water op je huid; E de luchtstroming langs het water op je huid; E de relatieve vochtigheid van de lucht: de verhouding van de hoeveelheid waterdamp in de langsstromende lucht en de hoeveelheid waterdamp bij verzadiging van die lucht. Het warmteverlies in rust is gemiddeld ongeveer 10 W/m2 en kan door zweten oplopen tot 400 W/m2 bij en na intensieve inspanning.

Warmteverlies door ademhaling Vooral in een koude winter is deze vorm van warmteverlies te zien aan de wolkjes die je uitademt. De ingeademde lucht is opgewarmd en vochtiger geworden. Als je uitademt, koelt deze vochtige warme lucht weer af en kan de waterdamp condenseren. Doordat je de ingeademde lucht verwarmt, verlies je energie. Maar vooral verlies je in de kou veel energie, doordat er in je longen water verdampt. Je longoppervlak is immers heel erg groot. Hoe kouder en droger de buitenlucht is, hoe meer de lucht in de longen opgewarmd wordt en hoe meer vocht er in de longen verdampt. Het warmteverlies kan dan groot worden.

Figuur 30 Warmteverlies door ademhaling

Begrijpen 4 Warmtehuishouding Biofysica

Hoeveel warmte je verliest via je ademhaling hangt niet alleen af van de omgevings temperatuur en de relatieve vochtigheid van de buitenlucht, maar ook van je inspanning. Tijdens het sporten heb je meer zuurstof nodig en ga je dieper en sneller ademhalen. Er zal dan meer warmte verloren gaan. Het ademvolume, de hoeveelheid lucht die je in een minuut in- en uitademt, stijgt van ongeveer 20 L in rust tot wel 120 L bij grote inspanning. B Het

vermogen om de omstandigheden in het lichaam constant te houden heet homeostase. B Er is in je lichaam sprake van warmtebalans als de warmteproductie en het warmteverlies in evenwicht zijn. B Het warmteverlies door straling hangt af van de temperatuur van de huid en de grootte van het huidoppervlak dat kan stralen. B Warmte gaat uit het lichaam naar buiten door geleiding door de huid. Deze warmtestroom neemt toe met het temperatuurverschil over de huid. B Warmteverlies door stroming kun je beperken door dichte kleding te dragen. B Als water op je huid verdampt, verliest je lichaam warmte. B Het warmteverlies door zweten hangt af van de temperatuur van het zweet, de relatieve vochtigheid van de langsstromende lucht, de luchtstroming en de grootte van het bezwete huidoppervlak. B Warmteverlies door ademhaling hangt onder andere af van de inspanning van de sporter, de temperatuur en de relatieve vochtigheid van de ingeademde lucht.

40 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h i

Een sporter raakt zijn warmte kwijt door verdamping en zweten. Als je meer warmte produceert dan je kwijtraakt, krijg je koorts. In foetushouding krijg je het minder snel koud. Wanneer je sport, raak je meer warmte kwijt dan wanneer je slaapt. Een sporter kan op vier verschillende manieren warmte kwijtraken. Een sporter raakt alleen warmte kwijt door verdamping als hij zweet. Een sporter raakt warmte kwijt, doordat de uitgeademde lucht warmer is dan de lucht die hij inademt Als een hardloper een banaan eet met een energie-inhoud van 0,5 kJ, gebruikt hij daarvan slechts 0,1 kJ om vooruit te komen. Het lichaam kan de temperatuur in het lichaam altijd constant houden.

41 Iemand die zich schaamt, gaat vaak blozen. Raak je hierdoor onderkoeld? 42 In de winter kun je één van de vormen van warmteverlies goed zien. Welke is dat en hoe werkt dat warmteverlies?

43 Homeostase is het vermogen van het lichaam om het interne milieu constant te houden. Noem drie grootheden die een gezond lichaam constant houdt.

44 In de winter doe je een dikke winterjas aan en in de zomer soms alleen zwemkleding. Geef voor elke vorm van warmteverlies aan of het in de winter groter is dan in de zomer, en waardoor.

Biofysica 4 Warmtehuishouding Begrijpen

45 Het is prettig hardlopen als het buiten 15 °C is. Maar zwemmen in water van 15 °C voelt ijskoud aan. a Welke vormen van warmtetransport zijn groter bij zwemmen dan bij hardlopen? b Welke vormen van warmtetransport zijn kleiner bij zwemmen dan bij hardlopen? c Welke vormen van warmtetransport zijn bij zwemmen en hardlopen gelijk?

Experiment 17: Afkoeling van de huid

Experiment 18: Vochtgehalte van in- en uitgeademde lucht

46 Als je in de winter in een binnenbad gaat zwemmen, ervaar je de temperatuur op verschillende momenten verschillend. Geef in de volgende situaties aan of de omgeving op dat moment warm of koud aanvoelt en wat de belangrijkste manier is waarop je warmte verliest. a Je komt het zwembad binnen en betaalt bij de kassa. b Je kleedt je om in een kleedruimte. c Je springt het zwembad in. d Je zwemt hard door het bad. e Je bent via een tunnel naar het buitenbad gezwommen. f Je klimt het zwembad uit. g Je staat onder de douche. h Je loopt van de douche naar de kleedruimte. i Je hebt je net afgedroogd in de kleedkamer. j Je loopt met je winterjas de kleedkamer uit op weg naar huis.

47 In figuur 31 zie je een diagram van kledingadvies. Hoe kouder het is, hoe eer-

48 Bijna alle sporters hebben voordat ze beginnen met sporten nog een trainingspak aan. Ook direct na het sporten doen ze weer extra kleding aan. a Leg uit waarom sporters na hun activiteit extra kleding aandoen. b Welke warmteverliezen vormen een gevaar voor afkoelen na het sporten? c Welke vorm van warmteverlies is ná het sporten wel groot maar vóór het sporten niet? d Wanneer is het gevaar van onderkoeling groter, vlak vóór of vlak ná een grote inspanning? Leg uit.

49 Zodra je begint met sporten, neemt je warmteproductie toe. Ook enkele vormen van warmteverlies worden dan automatisch hoger. Leg uit welke soorten warmteverlies automatisch toenemen als je gaat sporten.

30°C

20°C

TEMPERATUUR

STAY COOL

10°C

0°C

BE ACTIVE

-10°C

-20°C

-30°C

KEEP WARM GEEN

LICHT

GEMIDDELD

INSPANNING

der je extra warme kleding (keep warm) wordt aangeraden. a Leg uit waardoor je bij zware inspanning in Nederland bijna nooit de kleding uit de groep ‘keep warm’ nodig hebt. b Leg uit of het transport van warmte via stroming en geleiding bij gelijke temperatuur toeneemt, afneemt of gelijk blijft bij toenemende inspanning.

ZWAAR

Figuur 31 Kledingadvies afhankelijk van temperatuur en inspanning

Bezigheid

Beheersen 4 Warmtehuishouding Biofysica

Warmteproductie (W/m2)

slapen

zitten

typen

staan

wandelen 3 km/h

116

wandelen 5 km/h

151

rustig hardlopen 7 km/h

232

hardlopen 10 km/h

580

fietsen 20 km/h

220

fietsen 40 km/h

700

Figuur 32 Gemiddelde waarden van de warmteproductie

BEHEERSEN Warmtehuishouding Om de inwendige temperatuur van het lichaam constant te houden moeten de warmteproductie in de spieren en de warmteafgifte van het lichaam naar buiten even groot zijn. De totale warmteproductie in alle spieren samen is bij een grotere persoon natuurlijk groter dan bij een klein iemand. Het is ongeveer evenredig met de totale spiermassa. Omdat de warmteproductie in het lichaam in evenwicht is met het warmteverlies, wordt de warmteproductie opgegeven als warmtestroom naar en door de huid met de eenheid W/m2. Gemiddelde waarden voor verschillende activiteiten staan in de tabel van figuur 32. De huidoppervlakte van een standaard-man is 1,8 m2 en van een standaard-vrouw 1,6 m2. Als je de huidoppervlakte preciezer wilt bepalen, kan dat met de formule van Dubois:

A = 0,202 · m0,425 · ℓ 0,725 Hierin is A de huidoppervlakte (in m2), m de massa van de persoon (in kg) en ℓ de lengte van de persoon (in m).

Warmteverlies door straling De hoeveelheid energie die een persoon verliest in de vorm van straling, hangt af van zijn temperatuur. Hoe hoger de temperatuur van de huid, des te meer infrarood straling de huid uitzendt. Hoeveel warmte je hierdoor verliest, is afhankelijk van de oppervlakte en de temperatuur van de uitstralende huid. Het verband luidt:

P = σ · A · T4huid Hierin is P de hoeveelheid energie die je per seconde verliest door straling (in W), σ de constante van Stefan-Boltzman (5,67 · 10−8 W/(m2 · K2)), A de stralende oppervlakte (in m2) en Thuid de temperatuur van de huid (in K). Doordat er ook warmtestraling vanuit de omgeving met temperatuur Tomg geabsorbeerd wordt, is het nettoverlies:

Pnetto = σ · A · (T4huid − T4omg)

T E M P E R AT U U R M E T E N O P A F S TA N D Doordat elk voorwerp op aarde infrarode straling uitzendt, is het mogelijk op afstand de temperatuur van een voorwerp te bepalen. Met een warmtebeeld camera kunnen oppervlaktetemperaturen door middel van kleuren worden weergegeven. Op het scherm kun je dan zien waar de meeste warmte uitgestraald wordt (zie figuur 33). De camera meet de intensiteit van de infrarode straling per pixel en geeft de verschillende temperaturen weer met verschillende ‘valse’ kleuren, die lopen van blauw (koud) naar rood (warm). Als de camera geijkt is, kan de temperatuur bepaald worden. Figuur 33 ‘Warmtefoto’

Biofysica 4 Warmtehuishouding Beheersen

Warmteverlies door verdamping Als water op je lichaam verdampt, wordt energie aan je lichaam onttrokken. De verdampingswarmte van water bedraagt 2,26 · 106 J /kg (zie Binas). Dit betekent dat je 2,26 MJ nodig hebt om 1 kg water te laten verdampen. Voor het warmteverlies door verdamping geldt:

m   P = c   w ·  _ t

Hierin is P de hoeveelheid energie die je per s verliest (in W), cw de verdampingswarmte van water (in J/kg), m de massa van het verdampte water (in kg) en t de tijd waarin dit water verdampt is (in s).

Warmteverlies door ademhaling Het warmteverlies door ademhaling is afhankelijk van twee factoren. Ten eerste wordt de lucht die je inademt opgewarmd. Hierbij mag je aannemen dat de uitgeademde lucht 34 °C is. Dit warmteverlies kun je berekenen met:

Q = c · m · ΔT Hier is Q het warmteverlies (in J), c de soortelijke warmte van lucht (in J/(kg· °C)), m de massa van de ingeademde lucht en ΔT het temperatuurverschil tussen de ingeademde en uitgeademde lucht (in °C of K). Het warmteverlies door ademhaling wordt op de tweede plaats veroorzaakt doordat de uitgeademde lucht meer waterdamp bevat dan de ingeademde lucht. De hoeveelheid waterdamp in de lucht kun je bepalen door de temperatuur en de relatieve vochtigheid van de lucht te meten. De relatieve vochtigheid meet je met een hygrometer(zie figuur 34). De relatieve vochtigheid is de verhouding tussen de werkelijk aanwezige hoeveelheid waterdamp (in g/m3) en de maximale hoeveelheid bij dezelfde temperatuur. De ‘maximale hoeveelheid waterdamp’ betekent dat als er nog meer waterdamp in die lucht gebracht wordt, er condensatie optreedt. Bij een relatieve vochtigheid van 100% condenseert er per s per m2 wateroppervlakte net zo veel waterdamp als er water verdampt uit die m2 wateroppervlakte. Er is dan sprake van evenwicht: de lucht is verzadigd met waterdamp. De hoeveelheid waterdamp per m3 lucht bij verzadiging neemt snel toe met de temperatuur. Zie figuur 35. In Nederland is de relatieve vochtigheid buiten meestal ongeveer 70%, maar in verwarmde ruimten veel lager. Het warmteverlies door ademhaling bereken je door zowel van de ingeademde lucht de temperatuur en de relatieve vochtigheid te meten als van de uitgeademde lucht. Ook meet je het volume van de in- en uitgeademde lucht.

Figuur 34 Bij een hygrometer trekt een veertje achter de wijzerplaat de wijzer naar rechts en een mensenhaar trekt hem naar links. Bij een grotere relatieve vochtigheid wordt een mensenhaar iets langer en beweegt de wijzer naar rechts.

waterdampdichtheid (g/m3)

48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0

Beheersen 4 Warmtehuishouding Biofysica

R E K E N VO O R B E E L D

-20

-10

10 20 30 40 luchttemperatuur T (°C)

Figuur 35 Waterdampdichtheid bij verzadiging

Een sporter ademt per minuut 40 L lucht in en uit. De ingeademde lucht heeft een relatieve vochtigheid van 60% en een temperatuur van 20 °C. De uitgeademde lucht heeft een temperatuur van 30 °C en een relatieve vochtigheid van 90%. Vraag: Bereken hoeveel water er per minuut verdampt in de longen van deze sporter. Antwoord: Bij 20 °C kan de ingeademde lucht maximaal 15 g waterdamp per m3 lucht bevatten (zie figuur 35). Bij een relatieve vochtigheid van 60% is de aanwezige hoeveelheid waterdamp dus: 15 × 0,60 = 9,0 g/m3. Bij 30 °C kan de uitgeademde lucht maximaal 27 g waterdamp per m3 lucht bevatten. Bij een relatieve vochtigheid van 90% is er 24,3 g/m3 waterdamp in die lucht. De uitgeademde lucht bevat 24,3 – 9,0 = 15,3 g/m3 meer waterdamp dan de ingeademde lucht. De hoeveelheid water die in de longen is verdampt is dus: m = 15,3 × 40 · 10−3 = 0,61 g

ZO N N E S T E E K Bij een zonnesteek loopt de temperatuur in je hersenen te hoog op. De warmtetoevoer door sporten of door zonnestraling is dan zo groot dat het lichaam dit niet meer kan compenseren. De meeste mensen die een zonnesteek oplopen, hebben op een zeer warme, zonnige dag te weinig gedronken. Hierdoor kan het lichaam de warmte niet meer afvoeren via zweten. Een zonnesteek kun je voorkomen door het dragen van een T-shirt en pet. Bovendien moet je minimaal 2 L water per dag drinken.

Warmtebalans Als de warmtestromen niet in evenwicht zijn, kun je onderkoeld raken of een ‘zonnesteek’ oplopen. Door een overschot aan warmte kan de lichaamstemperatuur oplopen tot boven de 42 °C en komen de hersenen in de problemen. Ledematen hebben minder last van een te hoge temperatuur, daarin kan het lichaam een overschot aan warmte gedurende korte tijd opslaan en later alsnog afvoeren. Om ledematen op te warmen is energie nodig, die afhangt van de warmtecapaciteit en de temperatuurstijging:

Q = C · ∆T Hierin is Q de opgeslagen warmte (in J), C de warmtecapaciteit (in J/K) en ΔT de t emperatuurstijging (in °C of K). De warmtecapaciteit kun je benaderen met behulp van de soortelijke warmte van het menselijk lichaam, gemiddeld 3,5 J/(kg · K). De warmtecapaciteit van de verschillende ledematen kun je bepalen met:

C = c · m Hierin C de warmtecapaciteit (in J/K), c de soortelijke warmte (in J/(kg · K)) en m de massa (in kg).

Biofysica 4 Warmtehuishouding Beheersen

Gevoelstemperatuur De koudste dagen in de winter zijn voor je gevoel niet altijd de dagen met de laagste temperatuur van de lucht. In de luwte is het al snel aangenaam, terwijl het op een winderige straathoek ijskoud aan kan voelen. Een ijskoude windstille dag voelt m inder koud dan een dag rond het vriespunt met storm. Om iets te kunnen zeggen over hoe koud het aanvoelt, is de gevoelstemperatuur bedacht. De gevoelstemperatuur geeft een maat voor het gevoel van kou dat de mens ondervindt in koude lucht met veel wind. Het geeft aan bij welke temperatuur op een windstille dag je hetzelfde zou voelen. De gevoelstemperatuur hangt af van de windsnelheid en de werkelijke temperatuur. Hoe harder het waait, hoe kouder het aanvoelt, hoe lager de gevoelstemperatuur. De gevoelstemperatuur heeft alleen voor de mens betekenis. Windsterkte Windsnel

Gevoelstemperatuur (°C)

in Beaufort

heid (m/s)

−2

−4

−6

−8

−10 −12 −14 −16

−1

−3

−5

−7

−9

−11 −13 −15 −17

−2

−4

−7

−9

−11 −14 −16 −19 −21 −23 −26

−2

−5

−8

−10 −13 −16 −19 −21 −23 −26 −29 −31

−3

−6

−9

−12 −15 −18 −21 −24 −27 −30 −33 −35 −38

−5

−8

−11 −14 −17 −20 −23 −26 −29 −32 −35 −38 −41

−6

−9

−12 −15 −19 −22 −25 −28 −31 −34 −37 −40 −44

−7

−10 −13 −16 −20 −23 −26 −29 −32 −36 −39 −42 −45

−7

−10 −14 −17 −20 −23 −27 −30 −33 −36 −39 −43 −46

−7

−10 −14 −17 −20 −23 −27 −30 −33 −36 −39 −43 −46

Figuur 36

In de tabel van figuur 36 kun je aflezen dat het op een dag met een gemeten temperatuur van 0 °C en een windsnelheid van 11 m/s net zo koud aanvoelt als op een windstille dag met een temperatuur van −16 °C. De gemeten temperatuur is de temperatuur bij windstilte (0 m/s), die lees je af op de bovenste regel van de tabel. Bij 0 °C ga je verticaal naar beneden tot je tussen de windsnelheden van 10 en 12 m/s afleest dat de gevoelstemperatuur tussen −15 en −17 °C ligt. De tabel van figuur 44 geeft een goed beeld van hoe koud het op zo’n gure winterdag aanvoelt. De gevoelstemperatuur kan niet worden gemeten. Er is alleen een tabel die is samengesteld door mensen te vragen hoe koud het aanvoelt.

50 De paragraafvraag is: Hoe houdt het menselijk lichaam de lichaams temperatuur constant? Wat is het antwoord op deze vraag?

51 Woestijnvossen hebben voor hun formaat zeer grote oren. Leg uit welke vorm van warmtetransport hierdoor groter of kleiner is.

Beheersen 4 Warmtehuishouding Biofysica

vermogen P (W)

52 In figuur 37 worden in één diagram met vier grafieken de warmteverliezen als IV

I II III

gevolg van ademhaling, geleiding, straling en zweten weergegeven. a Geef aan welke grafiek bij welke vorm van warmteverlies hoort. b Leg uit welke temperatuur er bij punt A hoort te staan. c Leg uit wat het betekent als het warmteverlies negatief is (grafiek I) en leg uit hoe dit komt.

53 Van twee blokken in de zon is het enige verschil de kleur (zie figuur 38). Het

0 A temperatuur Tomgeving (°C)

Figuur 37 Warmteverliezen

linkerblok is wit en het rechterblok zwart. Na enige tijd hebben beide blokken een constante temperatuur. a Leg uit welk van deze twee blokken de hoogste temperatuur heeft. b Van welk van deze twee blokken is het uitgestraalde vermogen het grootst?

54 Leg uit met welke vorm van warmteverlies de gevoelstemperatuur samenhangt. 55 De gevoelstemperatuur (zie figuur 36) houdt geen rekening met neerslag. a b

Figuur 38

Leg uit hoe de gevoelstemperatuur met neerslag rekening zou moeten houden. Is de invloed van de neerslag bij een temperatuur boven 0 °C op de gevoelstemperatuur gelijk aan de invloed onder 0 °C?

56 Een marathonloper loopt in 4 uur en 12 minuten de marathon. De marathon is 42 km en 195 m lang. Tijdens deze marathon valt hij 4,0 kg af door te zweten. a Bereken hoeveel warmte de marathonloper is kwijtgeraakt door het verdampen van zweet. b Hoeveel procent van de totale hoeveelheid afgevoerde warmte is de loper kwijtgeraakt door zweten? c Leg uit of hij alle overige warmte kwijtgeraakt kan zijn door straling. d Als de spieren van de marathonloper een rendement van ongeveer 20% hebben, hoeveel energie is er dan tijdens de marathon omgezet in arbeid? e Bereken de gemiddelde kracht van de beenspieren van de marathonloper.

57 Een marathonloper heeft tijdens de race niet genoeg gedronken. Na 40 km is hij totaal uitgedroogd. Terwijl hij de eerste 3 uur ongeveer 250 W aan warmte verloor door verdamping, raakt hij nu nog maar 40 W aan warmte kwijt. a Wat zal er gebeuren met de lichaamstemperatuur van deze loper? b Leg uit welke vormen van warmteverlies hierdoor groter worden en welke kleiner. c Maak een schatting of deze loper de finish haalt. Neem daarbij aan dat de lichaamstemperatuur door het lopen al naar 39 °C gestegen is.

58 Veel dieren in het Arctisch gebied zijn groter dan soortgelijke dieren in warmere streken. Zo zijn ijsberen groter dan grizzly beren. Leg uit dat dit een evolutionair voordeel is aan de hand van de formules voor (grootte van het) huidoppervlak en stralingsvermogen.

Biofysica 4 Warmtehuishouding Beheersen

59 Paul en Quinten gaan samen fietsen. Ze doen een rondje van 65 km met een gemiddelde snelheid van 40 km/h. Paul is 1,80 m lang en weegt 74 kg. Quinten is 1,70 m lang en weegt ook 74 kg. a Bereken (de grootte van) het huidoppervlak van beide vrienden. b Paul is tijdens dit rondje 400 mL vocht kwijtgeraakt. Bereken hoeveel procent van zijn warmte hij via zweten is kwijtgeraakt. c Het is tijdens het fietsen buiten ongeveer 15 °C. Bereken hoeveel procent van de warmte Paul netto kwijtraakt door straling. d Leg uit of Quinten meer of minder vocht zal zijn kwijtgeraakt tijdens dit rondje fietsen.

60 In figuur 39 zie je vier verschillende fietsers die met 20 km/h door een rachtige windstille polder fietsen. De rijp is zichtbaar, doordat het vriest. Van p alle vier de fietsers is de massa en de lengte gegeven. Zet deze vier sporters op volgorde, te beginnen met de wielrenner die de dikste kleding aan moet doen wil hij warm blijven. a

m = 70 kg L = 1,70 m

m = 80 kg L = 1,70 m

m = 80 kg L = 1,90 m

m = 90 kg L = 1,90 m

Figuur 39

61 In figuur 40 zie je vier sporters die al een lange tijd aan het sporten zijn. Van deze vier sporters is hun snelheid en massa gegeven. De sporters hebben dezelfde lengte. Zet deze vier sporters op volgorde van grootte van het warmteverlies per seconde. Begin met de sporter die de meeste warmte per seconde verliest. a

v = 7 km/h m = 80 kg

Figuur 40

v = 10 km/h m = 80 kg

v = 20 km/h m = 80 kg

v = 40 km/h m = 90 kg

waterdampdichtheid (g/m3)

Beheersen 4 Warmtehuishouding Biofysica

62 Ferona ligt heerlijk te slapen. Ze ademt tijdens haar slaap zo’n 8 × per minuut 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0

-20

-10

10 20 30 40 luchttemperatuur T (°C)

Figuur 41 Waterdampdichtheid bij verzadiging

en ademt dan steeds 3,0 L lucht in. Op haar slaapkamer is het 17 °C en de relatieve vochtigheid is 71% (zie punt A in figuur 41). a Bereken hoeveel energie Ferona per minuut kwijtraakt, doordat de uitgeademde lucht 30 °C is. b Bereken hoeveel energie Ferona per minuut kwijtraakt, doordat de relatieve vochtigheid (van de uitgeademde lucht) is opgelopen naar 90%. c Hoeveel procent van haar warmte raakt Ferona kwijt door haar adem haling? d Bereken hoeveel procent van haar warmte Ferona kwijtraakt door haar ademhaling als ze in een tentje slaapt waar het slechts 5 °C is en de relatieve vochtigheid 85%.

63 Vanaf het moment dat je start met sporten zal je warmteproductie onmiddellijk toenemen. Het duurt echter enige tijd, voordat je ook gaat zweten. Bereken hoe lang je kunt hardlopen voordat je oververhit raakt, als het warmteverlies gelijk blijft aan toen je nog stilstond. Neem hiervoor aan dat de soortelijke warmte van een mens 3,5 kJ/(kg · K) is.

64 Wanneer je koud water drinkt, moet je lichaam dit water opwarmen om je lichaamstemperatuur op 37 °C te houden. Leg uit of, als je wilt afvallen, het drinken van ijswater een alternatief zou kunnen zijn voor sporten.

65 De formule van Dubois luidt: A = 0,202 · m0,425 · ℓ0,725

Hierin is A (de grootte van) het huidoppervlak (in m2), m de massa van het lichaam (in kg) en ℓ de lengte van het lichaam (in m). Leg uit waarom het verband tussen lengte en oppervlakte een sneller stijgende functie is dan het verband tussen massa en oppervlakte.

Biofysica

Verdieping

Doping Veel sporters proberen hun grenzen te verleggen om daardoor wedstrijden te winnen. Goed slapen en genoeg eten (voornamelijk koolhydraten) voor een wedstrijd zijn toegestaan en verbeteren je prestaties. Maar sommige sporters gaan verder en gebruiken doping om te winnen. Op de dopinglijst van het wereld anti-doping agentschap (WADA) staan stoffen die aan minstens twee van de volgende eisen voldoen: E bevordert de prestatie; E is schadelijk voor de gezondheid; E is in strijd met de ‘Spirit of sport’. De dopinglijst is lang en is te onderscheiden naar de werking van de producten: middelen die zorgen voor extra spieropbouw; E middelen die zorgen voor een beter zuurstoftransport; E verdovende middelen; E concentratie-bevorderende middelen; E middelen om af te vallen. E

Welk soort doping gebruikt wordt, verschilt per sport. Krachtsporters en sprinters hebben vooral behoefte aan meer kracht. Ze gebruiken anabole steroïden en groeihormonen om de groei van spieren te versterken. E Bij duursporten gaat het om het vermogen dat de sporters langdurig kunnen leveren. Dan is het vooral van belang dat het lichaam genoeg zuurstof aan de spieren kan blijven leveren. Wielrenners en andere duursporters gebruiken daarom soms EPO en bloeddoping, middelen die de zuurstofvoorziening verbeteren. E Bij vechtsporten en sporten waar een snelle en juiste reactie van groot belang is, worden middelen gebruikt waardoor de verwerking van de gegevens van de zintuigen wordt verbeterd: het concentratievermogen. Bètablokkers hebben deze werking. Door deze stoffen wordt de doorgave van de neurotransmitters in de synapsen beïnvloed. Deze middelen worden ook wel eens door studenten geslikt om een hele nacht door te kunnen leren. E

Bijna alle sporters hebben voordeel van narcotica, zoals morfine. Door dit soort stoffen verandert er niets aan het mechanisch vermogen van het lichaam of de kracht van de spieren. Deze stoffen werken doordat je geen pijn voelt waardoor je langer kunt volhouden. Soms gebruiken sporters plaspillen als doping om af te vallen, waardoor ze bij bijvoorbeeld judo of roeien in een lichtere gewichtsklasse kunnen uitkomen. De meeste sporters halen andere trucs uit om (tijdelijk) gewicht te verliezen. Een rondje rennen in een regenpak zorgt ervoor dat je zeer veel gaat zweten en zodoende veel gewicht verliest. Nog geen 3% van de sporters geeft aan doping te hebben gebruikt. Maar ongeveer 90% van de sporters zegt wel voedingssupplementen te gebruiken, zoals vitaminen en eiwitten. Deze supplementen worden gebruikt om sneller te herstellen na een zware training of verre reis, of omdat de sporter onevenwichtig eet. Sommige voedingssupplementen kunnen schadelijk zijn als je te veel van de werkzame stof binnenkrijgt.

EPHEDRA VRIJ

DOPING VRIJ

Alle VitaLIFE producten zijn Ephedra vrij, Doping vrij Anabolen vrij en Steroiden vrij Figuur 42

5 Verdieping Biofysica

66 Welke soorten doping beïnvloeden op een directe manier de kracht of het vermogen van een sporter?

67 In figuur 43 zie je (overdreven) een effect van doping. De voorste fietser heeft doping gebruikt, de achterste niet. a Hoe zie je dat de voorste fietser doping heeft gebruikt? b Welke soort doping heeft die fietser gebruikt? In werkelijkheid ziet een wielrenner die doping heeft gebruikt er niet zo vreselijk gespierd uit. c Leg uit wat voor soort doping een fietser kan gebruiken en of je dit aan een fietser kunt zien. Figuur 43 Spuit jij vooruit of niet?

68 Als jij over een jaar een marathon (42,195 km) wilt lopen binnen 3 uur, kan dit waarschijnlijk niet zonder doping te slikken. a Leg uit met welk soort doping je het beste resultaat zou krijgen van de trainingen. b Leg uit welk soort doping je tijdens de wedstrijd zou moeten slikken voor de beste eindtijd.

Experiment 19: Reactiesnelheid beïnvloeden

69 Voordat een stof op de dopinglijst komt, moet deze aan twee van de drie in de tekst genoemde eisen voldoen. a Leg uit waarom cafeïne niet op de dopinglijst staat. b Alcohol staat alleen voor gemotoriseerde sporten op de dopinglijst. Leg uit waarom alcohol niet op de algemene dopinglijst staat. c Een sporter die een joint rookt, zal niet beter presteren. Leg uit waarom weed toch op de dopinglijst staat.

Winterkleding Bij het sporten is het lastig om je in de winter goed warm te kleden. Goede kleding zorgt ervoor dat je niet alleen warm blijft, maar ook het vocht snel afvoert. Dit is belangrijk omdat vochtige lucht veel beter warmte geleidt dan droge lucht. Tegenwoordig worden nieuwe materialen toegepast met bijzondere eigenschappen om kleding te maken die aan deze eisen voldoet. Een voorbeeld hiervan zijn thermogene stoffen, die infrarode straling absorberen en weer uitzenden door middel van kleine metaaldeeltjes in het materiaal (zie figuur 44). Dit gebeurt op twee manieren: 1 In de onderste laag absorbeert het thermogene materiaal de infrarode straling die het lichaam zelf uitzendt. Hierdoor ontstaat in de kleding een extra laag die actief warmte afgeeft. 2 In de buitenste laag neemt het thermogene materiaal de infrarode straling op van de zon en de omgeving. Zo vormt het materiaal zelf ook weer een laag die de warmte uitstraalt naar het lichaam van de sporter. Thermogene stoffen zorgen ervoor dat een deel van de warmte die je verliest door straling, wordt geabsorbeerd. Hierdoor neemt het warmteverlies af.

Figuur 44 Opbouw van een thermogene stof

Biofysica 5 Verdieping

Wol is één van de oudste stoffen die wordt gebruikt voor kleding. Het isoleert niet alleen, doordat het veel lucht vasthoudt, maar nog eens extra doordat het waterdamp kan absorberen. Doordat de wol de waterdamp absorbeert, condenseert het water en komt de verdampingswarmte vrij (zie figuur 45). Hierdoor kan de wollen vezel tot wel 6 graden warmer worden dan de huid. Dit effect treedt echter alleen op zolang de wol waterdamp kan absorberen. Het drogen van de wol gaat daarna zeer moeizaam. De meeste thermohemden zijn daarom gemaakt van kunststofvezels. Deze vezels zorgen ervoor dat het zweet snel wordt afgevoerd, zodat de huid droog blijft.

waterdamp in omgevingslucht condenseert

huid

70 Stel dat de warmtegeleiding van vochtige lucht wordt bepaald door de relatieve vochtigheid van de lucht en dat bij 100% relatieve vochtigheid de warmtegeleiding gelijk is aan de warmtegeleiding van water. a Wat zullen de warmtegeleidingscoëfficiënten van droge lucht, verzadigde lucht en lucht met een relatieve vochtigheid van 50% dan zijn? b Leg aan de hand van de berekeningen uit waarom een nat shirt koud aanvoelt.

71 Kledingstukken die warmte produceren door waterdamp te absorberen, kunnen tot 15 minuten lang de temperatuur van de lucht in de kleding 1 graad warmer houden dan de directe omgeving. Maak met dit gegeven een schatting van de hoeveelheid warmte die wordt geabsorbeerd in een jas. Hint: de absorptie van de waterdamp vult het warmteverlies door geleiding van de lucht in de jas aan.

72 Thermogene materialen absorberen infrarode straling met een golflengte van 8 tot 12 μm. Bereken het frequentiegebied van deze infrarode straling.

Figuur 45 Wollen kleding

waterdamp in het zweet condenseert

Biofysica

6 Begrippen Ga na of je van elk begrip goed weet wat het betekent. Formules, grootheden en eenheden Noteer bij elk symbool in de formule de naam van de grootheid en eenheid. Vermeld in welke situatie(s) de formule gebruikt wordt. Samenvatting Bestudeer de samenvatting. Diagnostische toets Test je kennis over dit katern.

Keuzeonderwerpen 1 Doping in de sport 2 Sporten om af te vallen 3 Sportkleding 4 Model voor warmtehuishouding 5 Duurvermogen

Afsluiting

HOOFDSTUKVRAAG EN SAMENVATTING 73 De hoofdstukvraag is: Hoe zorgt het menselijk lichaam ervoor dat je gezond kunt sporten? a Geef een uitgebreid en compleet antwoord op deze vraag. b Geef aan hoe jij je anders zou voorbereiden op een lange duurloop na het bestuderen van dit hoofdstuk.

74 Maak een samenvatting van dit hoofdstuk door antwoord te geven op devolgende vragen: a Noem drie grootheden die een rol spelen bij de homeostase in het menselijk lichaam. b Noem de grootheden die de mens met zijn zintuigen kan waarnemen. c Wat is het verschil tussen een zintuig en een receptor? d Noem drie grootheden die receptoren in het menselijk lichaam kunnen waarnemen. e Waar bevinden zich alle celkernen van zenuwen die spieren aansturen? f Hoe wordt een signaal van de zintuigen via de zenuwen getransporteerd? g Wat is de rol van natrium en kalium bij een actiepotentiaal? h Welke drie functies heeft de bloedstroom? i Noem minstens één verschil en één overeenkomst tussen zenuwen en hormonen. j Leg uit waarom de ademhalingsfrequentie een slechtere maat voor de inspanning is dan de frequentie van de hartslag. k Wat is het verschil tussen een reflex en een reactie? l Wat is het verband tussen spierkracht en het aantal spiercellen? m In welke vormen van energie zetten spieren de energie uit voedingsstoffen om? n Op welke vijf manieren verliest het menselijk lichaam zijn warmte? o Wat is het verband tussen de stralingswarmte die het lichaam uitstraalt en de temperatuur? p Wat gebeurt er met het menselijk lichaam als de warmtebalans niet in evenwicht is? q Welke maatregelen treft het lichaam om de inwendige lichaams temperatuur niet te veel te laten stijgen als iemand intensief gaat sporten? r Leg uit welke manieren om warmte kwijt te raken in het lichaam vooral afhangen van de omgevingstemperatuur en welke vooral van de lucht stroming om het lichaam.

Biofysica 6 Afsluiting

EINDOPGAVEN 75 Een sprinter wil zijn persoonlijk record op de 100 m verbeteren. Hiervoor wil hij verschillende soorten doping gebruiken. a Leg uit waarom bloeddoping (extra bloed) weinig effect zal hebben. b Stel dat de sporter kiest voor anabole steroïden, die de aanmaak van spiercellen bevorderen. Leg uit of hij harder zal kunnen lopen zonder dat hij harder gaat trainen.

76 Als je meer dan 1 uur sport is het belangrijk tijdens het sporten te eten en te drinken om de tekorten aan te vullen. Tijdens een 3 uur durende etappe levert een wielrenner een gemiddeld vermogen van 260 W. Het rendement van de spieren is 23%. Tijdens of na de tocht moet de energie aangevuld worden met voedsel. De verbrandingswarmte van glucose is 15,6 kJ per gram. a Bereken hoeveel gram glucose de wielrenner moet eten om het energie verlies van deze etappe aan te vullen. b Bereken hoeveel warmte de wielrenner tijdens deze etappe produceert. c Bereken hoeveel zweet de wielrenner tijdens deze etappe produceert als je er vanuit gaat dat 50% van de warmteafvoer door zweten wordt veroorzaakt. Een jaar later wordt precies dezelfde etappe gefietst tijdens een hittegolf. Hierdoor wordt bijna alle warmte afgegeven door verdamping van zweet. d Bereken hoeveel extra water de wielrenner moet drinken tijdens de race.

77 Fabian, 1,70 m lang en 70 kg zwaar, loopt een uur met een gemiddelde snelheid van 7 km/h. De soortelijke warmte van een mens is 3,5 kJ/(kg·°C). a Hoeveel warmte moet Fabian in dit uur afvoeren om een constante inwendige temperatuur te houden? b Bereken het gemiddelde nuttig vermogen van Fabian als je uitgaat van een rendement van de spieren van 20%. Pas na 5 minuten lopen begint Fabian te zweten. c Bereken de toename van de lichaamstemperatuur van Fabian in die 5 minuten, als er tot dan toe geen warmte is afgestaan aan de omgeving. d Leg uit hoe de verschillende vormen van warmteafgifte veranderen tijdens het hardlopen. e Leg uit waardoor je het pas koud krijgt als je rustig wandelt na een uur hardlopen, terwijl je warmteafgifte is afgenomen.

78 Een bloeddonor mag per keer maximaal 500 mL bloed afgeven. a b

Hoeveel procent van het totale bloedvolume is dit bij de gemiddelde man? De prestaties bij het sporten na een bloeddonatie zijn een stuk minder. Leg uit waardoor dit komt.

Figuur 46 De finish

T (°C)

6 Afsluiting Biofysica

mwater (g/m3)

−5

3,24

4,84

6,8

9,4

12,8

17,3

30,3

Figuur 47 De maximale hoeveelheid waterdamp die lucht kan bevatten is afhankelijk van de temperatuur.

79 Bijna ieder jaar vindt het Nederlands kampioenschap traplopen plaats. Lange tijd werd dit kampioenschap in het gebouw van Nationale Nederlanden in Rotterdam gehouden. In dit gebouw rennen de deelnemers zo snel mogelijk via 745 treden naar 140 m hoogte. Hierbij leggen ze in totaal een afstand van 1471 m af. Jaco, de winnaar van het laatste kampioenschap, was in 6 min en 51,4 s boven. Jaco weegt 68 kg, is 1,75 m lang, is 24 jaar oud en had tijdens de race een gemiddelde hartslag van 178 slagen per minuut. Zijn longinhoud is 4,7 L en zijn hart verpompt per slag 60 mL bloed. In het trappenhuis was het dankzij de airconditioning 18 °C met een relatieve vochtigheid van 50%. In figuur 47 vind je de maximale hoeveelheid waterdamp die de lucht kan bevatten, afhankelijk van de temperatuur. a Bereken de arbeid die Jaco tijdens deze wedstrijd verricht. b Bereken de arbeid die Jaco per traptrede verricht. c Bereken het vermogen van Jaco. d Bereken de gemiddelde spierkracht van Jaco. e Bereken hoeveel warmte Jaco tijdens de race kwijtraakt door straling. Bij iedere ademhaling raakt Jaco een deel van zijn warmte kwijt. De uitgeademde lucht heeft een temperatuur van 30 °C en een relatieve vochtigheid van 90%. f Bereken hoeveel warmte hij kwijtraakt per ademhaling. g Bereken hoeveel liter bloed er tijdens deze race door Jaco’s hart is verpompt. h Bereken het totale bloedvolume van Jaco. i Bereken hoeveel keer zijn eigen bloedvolume gemiddeld door zijn hart is verpompt tijdens de wedstrijd.

80 Tijdens de Tour de France moeten de wielrenners enkele etappes rijden in de Alpen. Ze klagen dan over de nadelen die ze ondervinden van de ijle lucht. a Noem de tegenwerkende krachten die de spieren van de wielrenner moeten overwinnen. b Leg uit wat dat betekent voor de zuurstofbehoefte van de wielrenner. c Leg uit waardoor de lage luchtdruk voor deze wielrenners een probleem is. Toch heeft een lage luchtdruk ook een voordeel. d Leg uit welk voordeel dat is. e Leg uit van welke factoren het afhangt hoe groot dat voordeel is. Een nieuw wieleruurrecord rijden gebeurt vaak op hooggelegen wielerbanen. f Leg uit waardoor wielrenners tijdens hun recordpoging meer voordeel dan nadeel ondervinden van de lage luchtdruk. Dat grotere voordeel geldt blijkbaar niet voor wielrenners in de Alpen. g Leg uit waardoor het nadeel voor deze renners groter is dan het voordeel. Figuur 48 Klimmen op de fiets

Biofysica Leerdoelen

LEERDOELEN Ga voor jezelf na of je de leerdoelen al hebt bereikt. Vink de leerdoelen die je hebt bereikt af en geef aan wat je gaat doen met de uitleg en opdrachten waarmee je nog moeite hebt.

PA R AG R A A F 2 WA A R N E M E N E N R E AG E R E N Ik kan:

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: zintuig, receptor, zenuwstelsel, zenuwcel, axon, signaaltransport, actiepotentiaal, bloedsomloop, hormoon, oor, gehoordrempel, oog, staafje, kegeltje, gevoeligheid, spiervezel, spierspoeltje, reflex, bloedvolume, hartslagfrequentie, ademvolume, ademhalingsfrequentie. de vijf zintuigen van het menselijk lichaam noemen en beschrijven wat deze waarnemen.

enkele receptoren in het menselijk lichaam noemen en beschrijven wat deze waarnemen.

beschrijven hoe in het oor geluidsterkte en toonhoogte waargenomen worden.

beschrijven hoe in het oog licht en kleuren worden waargenomen.

beschrijven hoe het samentrekken van een spier wordt waargenomen.

de opbouw van het zenuwstelsel beschrijven en uitleggen hoe signalen worden doorgegeven.

het verloop van de actiepotentiaal in de tijd schetsen.

berekeningen maken en redeneren met de formule voor de voortplantingssnelheid van een signaal langs een zenuw: s     + s  2 v   t = ______   1  .   t   reflex

de drie functies van de bloedsomloop noemen en met een voorbeeld toelichten.

beschrijven van welke factoren de maximale hartslag frequentie en het bloedvolume afhangen.

met gegeven formules een schatting maken van de maximale hartslagfrequentie en van het bloedvolume van een man of vrouw.

beschrijven hoe de hartslagfrequentie afhangt van de behoefte aan voedingsstoffen en zuurstof in het lichaam.

beschrijven hoe de hoeveelheid zuurstof die in de longen wordt opgenomen afhangt van de ademhalingsfrequentie, het ademvolume en het zuurstofgehalte in het bloed.

Leerdoelen Biofysica

PA R AG R A A F 3 VO E D I N G SS TO F F E N E N B E W E G E N Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: spierkracht, arbeid, energie, warmte, vermogen, rendement, chemische energie, verbrandingswarmte. uitleggen wanneer een spierkracht arbeid verricht. beschrijven van welke factoren de spierkracht afhangt. uitleggen welke energieomzetting er optreedt in een spier. uitleggen dat de hartslagen ademhalingsfrequentie een maat zijn voor het vermogen dat een sporter levert.

uitleggen hoe de ademhalingsfrequentie bij het leveren van een sportprestatie afhangt van de hoogte boven zeeniveau. berekeningen maken en redeneren met de formules voor arbeid (W = F ∙ s), vermogen (P = ___  W  ) en rendement t W ___ (η =     ).   in E berekeningen maken en redeneren met de formule voor r   · m   ch =______ chemische energie (E   m     ) .

PA R AG R A A F 4 WA R M T E H U I S H O U D I N G Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: homeostase, warmtebalans, warmteverlies, straling, geleiding, stroming, verdamping, verdampingswarmte, warmtecapaciteit, soortelijke warmte, relatieve vochtigheid, gevoelstemperatuur. de vijf manieren waarop het menselijk lichaam warmte afvoert noemen en met een voorbeeld toelichten.

beschrijven van welke factoren de warmteafgifte van het lichaam door geleiding, stroming, straling, verdamping en ademhaling afhangt.

berekeningen maken en redeneren met gegeven formules voor de warmteafgifte van het lichaam door straling (P = σ ⋅ A ⋅ T  4huid   m   ) , verdamping (P = c w ⋅ __ t  ) en ademhaling (Q = c ⋅ m ⋅ ΔT).

berekeningen maken en redeneren met de formules voor warmte en soortelijke warmte (Q = c ∙ m ∙ ∆ T ) en warmte en warmtecapaciteit (Q = C ∙ ∆ T ).