Menselijk lichaam

Newt n

C O

N

C

EP

T

Natuurkunde voor de bovenbouw

havo KEUZEKATERN MENSELIJK LICHAAM

havo

Newt A n

C

EP

T

Natuurkunde voor de bovenbouw

C O

N

Auteurs Bas Blok Mark Dirken Jan Flokstra Aart Groenewold Kees Hooyman Carolien Kootwijk Koos Kortland Pieter Lukey Peter Over Michel Philippens Pier Siersma Eindredactie Jan Flokstra Aart Groenewold

Werken met Newton

A

2

WERKEN MET NEWTON VOOR DE LEERLING Op jouw school werk je voor het vak natuurkunde in de bovenbouw van havo 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 havo-examen. Op deze pagina vind je uitleg over de onderdelen die je tegenkomt bij het werken met Newton. Keuzekatern en methodestartpagina Als je een W bij een opgavenummer ziet staan, kun je een werkblad vinden op de Newton methodesite.

De leerstof die je nodig hebt voor het keuzeonderwerp Menselijk lichaam vind je in dit keuzekatern. Vanuit het keuzekatern vind je verwijzingen naar www.newton-online.nl, de methodesite van Newton. Introductie Dit 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 het hoofdstuk. In overleg met je docent ga je aan de slag met de opgaven en werkbladen.

EP

T

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

Paragraaf

C

C O

N

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 op de Newton methodesite.

BB In de gele kaders zie je samengevatte

leerstof.

Elke paragraaf heeft dezelfde opbouw: EE Ontdekken: Met de ontdekactiviteiten ontdek je hoe de natuurkunde werkt. Je docent bepaalt met welke experimenten en andere ontdekactiviteiten je aan de slag gaat. De paragraafvraag is het leerdoel van deze paragraaf. EE 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 achterin het 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. EE Beheersen: De leerstof van Begrijpen wordt uitgebreid, zodat je ermee kunt gaan redeneren en rekenen. In de marge vind je vaak ĂŠĂŠn of meer rekenvoorbeelden. In de opgaven leer je zowel redeneren als rekenen. De uitkomsten van de rekenopgaven vind je achterin dit boek. EE Verdiepen: Als je het paragraafonderwerp interessant vindt, kun je je erin verdiepen met extra leerstof en opgaven.

In de paarse kaders zie je rekenvoorbeelden.

Afsluiten

Van elk hoofdstuk vind je op de methodestartpagina een uitgebreide samenvatting.

Aan het eind van het hoofdstuk blik je eerst 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 keuzeonderwerpen 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?

3

A

Werken met Newton

WERKEN MET NEWTON VOOR DE DOCENT Newton is een contextgerichte methode met veel aandacht voor begripsontwikkeling, experimenten en differentiatie. Deze vierde editie is bestemd voor het nieuwe natuurkunde examenprogramma vanaf 2013. Alles voor het centrale examen en schoolexamen Per leerjaar is er voor havo en voor vwo een basisboek 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 voor de SE-keuzedomeinen. Methodestartpagina voor leerling en docent

EP

T

Op www.newton-online.nl loggen de leerling en de docent in op de Newton methode­startpagina. Via de startlicentie krijgt de leerling toegang tot alle werkbladen, digitaal oefenmateriaal en de digiboekversies van de keuzekaternen. De startlicentie voor de docent biedt toegang tot de online handleidingen, uitwerkingen, toetsen en alle leerlingmaterialen. Via de totaallicentie krijgen de leerling en de docent ook toegang tot de digiboekversies van de basis­boeken en keuzekaternen. Herkenbare didactische opbouw

C O

N

C

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 vindt u als werkbladen op de Newton methodestartpagina. 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. Opgaven zijn gesplitst in Redeneren en Rekenen. In de nieuwe examens wordt namelijk steeds meer een beroep gedaan op het kunnen beredeneren van de oplossing van een vraagstuk. 4 Het onderdeel Verdiepen biedt bij elke paragraaf de mogelijkheid voor differentiatie. Deze leerstof is een interessante aanvulling voor de gemotiveerde leerling en kan naar eigen inzicht worden getoetst. Hetzelfde geldt voor de keuzeopdrachten, waarnaar in de afsluitende paragraaf verwezen wordt. Context leidt tot inzicht in concept

Elk hoofdstuk en elk keuzekatern van Newton heeft een centrale context waarmee de theorie en de opgaven toepassingsgericht worden aangeboden. De contextkaders bieden toepassing in concrete praktijkvoorbeelden. Er wordt extra gevarieerd met contexten in de opgaven en eindopgaven. Zo oefent de leerling met het oplossen van vraagstukken in bestaande en nieuwe contexten. Extra aandacht voor vaardigheden In het basisboek is in een apart hoofdstuk Vaardigheden invulling gegeven aan achtereenvolgens rekenen, onderzoeken, modelleren en ontwerpen. Per paragraaf worden werkblad­opdrachten aangeboden die ook goed in te zetten zijn bij de andere hoofdstukken als ondersteunende leerlijn.

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 Centrale vraag voor de leerling: “Wat kan ik er nog meer mee?”

5

K4.2 Waarnemen en

8

EP

K4.1 Introductie

T

K4 bewegen

19

27

K4.5 Afsluiting

37

C O

K4.4 Warmtehuishouding

N

K4.3 Voedingsstoffen en

C

reageren

Menselijk lichaam Gezond sporten

5

A

Menselijk lichaam

K4.1 Introductie Het menselijk lichaam is een bijzondere ‘machine’, de meest ingewikkelde machine die je ooit zult tegenkomen. Het is zowel een motor als een chemische fabriek. Net als een machine werkt ons lichaam alleen goed onder de juiste omstandigheden. Bij het sporten zoek je de grenzen op van de mogelijkheden van je eigen lichaam. De omstandigheden in en om je lichaam tijdens sporten zijn totaal anders dan wanneer je slaapt. Toch heeft je lichaam hier weinig moeite mee. 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. Hoekrijgt je lichaam dit voor elkaar? Hoe weet het wat het moet doen, hoe het moet reageren?

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

Figuur 1

T

Hoe zorgt het menselijk lichaam ervoor dat je gezond kunt sporten?

1

W Experiment: Meten aan je lichaam

C

EP

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: BB Op welke manier reageert het lichaam op waargenomen veranderingen van grootheden in en buiten het lichaam? (paragraaf K4.2) BB Waardoor wordt bepaald hoe goed een sporter presteert? (paragraaf K4.3) BB Hoe houdt het menselijk lichaam de lichaamstemperatuur constant? (paragraaf K4.4)

N

VOORKENNIS

C O

In deze introductie worden de belangrijkste begrippen over energie, snelheid, krachten, warmte en warmtetransport herhaald.

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 gaat versnellen of vertragen 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 (= 9,8 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).

2

W Het menselijk lichaam in de natuurkunde

3

W Experiment: Kracht, snelheid en spieren

K4.1 Introductie Menselijk lichaam

A

6

Warmte en warmtetransport In hoofdstuk 3 zijn de verschillende vormen van warmtetransport uitgelegd en met deeltjesmodellen verklaard. In dit hoofdstuk 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: BB In vaste stoffen via geleiding: extra trillingsenergie van het ene deeltje wordt doorgegeven aan aangrenzende deeltjes. BB 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. BB De derde vorm van transport is straling: energie wordt met de lichtsnelheid overgebracht zonder tussenkomst van materie.

ΔT

P = λ ⋅A⋅ d

T

Bij geleiding van warmte door een wand geldt voor de warmtestroom, de hoeveelheid warmte per seconde:

EP

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).

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).

N

W Voorkennistest

5

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a De warmtestroom is de hoeveelheid warmte die per seconde wordt getransporteerd. b Als de resulterende kracht op een voorwerp nul is, blijft het voorwerp stil staan. c Als je met een constante snelheid fietst, is jouw spierkracht even groot als de luchtweerstand. d In een vloeistof vindt alle warmtetransport plaats door stroming. e Een mens verliest een deel van zijn warmte, doordat hij straling uitzendt.

6

Een fietser (m = 80kg) rijdt met een constante snelheid van 40 km/h door de Hollandse polder. De constante cr van de rolweerstand is 0,85, de constante k van de luchtweerstand is 0,23. a Bereken de rolweerstand die deze fietser ondervindt. b Bereken de luchtweerstand die deze fietser ondervindt. c Bereken de voorwaartse kracht die deze fietser moet leveren om met deze snelheid te blijven fietsen. d Als deze fietser niet meer kracht kan leveren dan je bij vraag c hebt berekend, leg dan uit dat deze fietser deze snelheid pas na een lange tijd zal bereiken.

C O

4

C

De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg van een stof 1 °C te verwarmen kun je berekenen met:

Menselijk lichaam K4.1 Introductie

Figuur 3 Dichtgespijkerde ramen

Materiaal

ρ (kg/dm3)

λ (W/(K·m)) c (J/(kg·K))

hout

1

0,4

1880

2,5

0,93

800

T

Een houten plaat van 1,5 m lang, 1,3 m breed en 5,0 cm dik wordt voor een kapot raam gespijkerd. De ruit van 0,50 cm dikte was ingegooid tijdens rellen. Om de situatie weer veilig te maken is het glas geheel verwijderd en het kozijn met de plaat dichtgemaakt. In de ruimte is het 21 °C, buiten is het slechts 8,0 °C. In de tabel van figuur 4 staan enkele gegevens van het gebruikte hout en glas. a Bereken de warmtestroom door de plaat hout. b Bereken hoeveel meer of minder de warmtestroom is door de plaat hout vergeleken met het glas. c De plank heeft eerst lange tijd buiten gestaan en is daarna naar binnen gebracht, waar hij is opgewarmd tot kamertemperatuur. Bereken hoeveel energie dit heeft gekost.

glas

C

EP

Figuur 4

N

7

A

C O

7

Menselijk lichaam

A

8

K4.2 Waarnemen en reageren ONTDEKKEN

8

W Experiment: Reactietijd

9

W Experiment: Homeostase

Sporters trainen veel om de beste te zijn in hun tak van sport. Darters oefenen net zo lang op hun worp tot ze alle pijltjes in de ‘tripple 20’ kunnen gooien. Vechtsporters oefenen zo vaak dat ze sneller reageren en een aanval van de tegenstander kunnen afslaan. En zodra een sprinter het startschot hoort, sprint hij weg. Hoe zorgt het lichaam ervoor dat dit mogelijk is?

PA R AG R A A F V R A AG

EP

BEGRIJPEN

T

Op welke manier reageert het lichaam op waargenomen veranderingen van grootheden in en buiten het lichaam?

Zintuigen en receptoren

C O

N

C

Als je gaat sporten, moet het lichaam veel doen. De hersenen moeten binnenkomende signalen 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 fotonen op bijvoorbeeld de zintuigcellen in het netvlies binnenkomen, worden deze cellen geprikkeld. Ze geven dan spanningspiekjes af. Als de spanningspiek of spanningspuls groot genoeg is, 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. 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.

Figuur 5 De vijf zintuigen van de mens

Behalve deze vijf zintuigen heb je ook een groot aantal inwendige receptoren. Een receptor is een cel die specifieke informatie binnen het lichaam waarneemt en dan een signaal doorgeeft. Een receptor wordt geprikkeld door bijvoorbeeld een gebrek aan zuurstof of door teveel afvalstoffen. Je weet, zonder je 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. Er zijn ook 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 signaal 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

9

A

Menselijk lichaam K4.2 Waarnemen en reageren B egrijpen

andere zweten. Allemaal voorbeelden van reacties waarbij het lichaam de balans gaat herstellen. BB De vijf zintuigen oog, oor, neus, tong en huid nemen waar: licht, geluid, smaak,

geur, temperatuur en druk. BB Verschillende receptoren in het lichaam nemen onder andere waar: houding,

zuurstofgehalte in het bloed, hoeveelheid afvalstoffen en lichaamstemperatuur.

10 W Experiment: Kleur en beweging waarnemen

HOREN EN ZIEN De belangrijkste zintuigen bij het sporten zijn het zicht (oog) en het gehoor (oor).

Het oor

EP

T

Het gehoor bestaat uit drie verschillende onderdelen: het uitwendige oor, het middenoor en het binnenoor. In het uitwendige oor wordt het geluid opgevangen en via de gehoorgang en het trommelvlies doorgegeven aan het middenoor. Het geluid wordt in het middenoor door de gehoorbeentjes versterkt en via het ovale venster naar het binnenoor geleidt. In het binnenoor, het slakkenhuis, gaan de geluidsgolven door een vloeistof langs een membraan met allemaal kleine haartjes, die de signalen 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 20 Hz). Op deze manier kun je verschillende toonhoogtes, al of niet tegelijk, waarnemen.

4

15 0

N

z

Hz

00

0

40 70 00

Hz

Figuur 7 Het slakkenhuis

Figuur 8

80

Hz

Hz

1000 Hz

H

C O

H 00 30

600

z

Het oog Je oog bevat 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 kunnen alleen grijswaarden waarnemen. De hoeveelheid licht die op een kegeltje moet vallen voordat de spanning in de zenuw hoog genoeg is om doorgegeven te worden, is veel groter dan bij een staafje. 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 dan allemaal grijze schimmen.

Hz 00

0

Basilair membraan

0 .00 20

Het minimale geluidsniveau waarbij een signaal 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.

2000 Hz

z

20

Door de amplitude van de trillingen van de haartjes van het membraan kun je nagaan wat de sterkte van het geluid is. Bij een hoger geluidsniveau gaan de haartjes meer trillen, waardoor er een sterker signaal 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.

0H

Hz

C

Figuur 6

5000 Hz

B egrijpen K4.2 Waarnemen en reageren Menselijk lichaam

A

10

Zenuwen Bij veel sporten, bijvoorbeeld balsporten, moet je snel kunnen reageren. Door te trainen kun je daarvoor automatismen ontwikkelen. Als je iets ziet, hoef je dan amper meer na te denken hoe je moet reageren. Maar er zit altijd tijd tussen het waarnemen en het reageren, doordat de signalen van de zintuigen moeten worden doorgegeven aan de hersenen. Dit signaaltransport gebeurt via zenuwen. De prikkels die de zintuigcellen en de receptoren omzetten in spanningspulsen worden door zenuwcellen doorgegeven aan het centrale zenuwstelsel: de hersenen en het ruggenmerg. Een zenuwcel ligt zeer dichtbij de zintuigcel of receptor en heeft een lange uitloper die tot in het centrale zenuwstelsel reikt. De zenuwcel geeft de signalen door via deze lange uitloper.

cellichaam

celkern

Figuur 9 Zenuwcel

In het centrale zenuwstelsel (ruggenmerg en hersenen) worden de signalen 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 oplevert. De zenuwcel die als reactie een spier aanstuurt, ligt met zijn kern in het centrale zenuwstelsel. De lange uitloper die het signaal verstuurt, loopt van het centrale zenuwstelsel tot bij de spier.

T

spanningspuls

Figuur 10 Een spanningspuls komt aan het einde van een reactie in de volgende cel.

EP

BB Signaaltransport door zenuwcellen is elektrisch van aard.

N

een zenuw. Er komen chemicaliĂŤn vrij die zorgen voor

C

spanningspuls

De signaaloverdracht 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 de uitloper van de zenuwcel verspreidt. Als deze spanningspuls bij het uiteinde van de uitloper aankomt, komen er chemische stoffen vrij. 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

C O

De hersenen zorgen ervoor dat de juiste spieren op het goede moment worden aangespannen tijdens het sporten. 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 voedingstoffen, zoals koolhydraten en vetten, in de spieren. Zodra de hersenen dit waarnemen, zorgen ze ervoor dat de ademhalingsfrequentie toeneemt en de hartslag stijgt om genoeg zuurstof naar de spieren te kunnen brengen.

11 W Experiment: Golfsnelheid van het bloed

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 dus 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. De bloedsomloop vervult drie verschillende taken. Ten eerste is de bloedsomloop 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. Ten tweede kunnen er via het bloed 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

11

A

Menselijk lichaam K4.2 Waarnemen en reageren B egrijpen

hormoon insuline zorgt ervoor dat de opgenomen glucose 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. De derde functie van de bloedsomloop is de temperatuurregeling van het lichaam. Als receptoren in je lichaam waarnemen dat je inwendige lichaamstemperatuur te hoog, wordt zal de doorbloeding van je huid toenemen. Hierdoor wordt je huid warmer en gaat daardoor meer warmte aan de buitenlucht afgeven, zodat je extra afkoelt. BB De bloedsomloop heeft drie functies: transport van voedingstoffen, vervoer van

hormonen en het regelen van de lichaamstemperatuur.

Homeostase

C

EP

T

Een sporter bereidt zich voor op een wedstrijd: de juiste kleren aan, genoeg gegeten en gedronken en goed uitgerust en getraind. Als je het te koud of te warm hebt, kun je niet goed presteren. De inwendige temperatuur van het lichaam is normaal 37 째C. Het lichaam moet ook genoeg voedingsstoffen naar de spieren kunnen brengen om te kunnen presteren. Gelukkig doet het lichaam dit voor het grootste deel zelfstandig, zonder dat je erover na hoeft te denken. Het lichaam heeft een aantal mechanismen om de optimale situatie 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 hormonen in het bloed en/of door het vervoer van bepaalde stoffen in het bloed. Dit proces wordt homeostase genoemd.

Figuur 11 De bloedsomloop

C O

homeostase.

N

BB Het vermogen om de omstandigheden in het lichaam constant te houden heet

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

Het lichaam kan de omstandigheden binnen het lichaam altijd constant houden. 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. Het lichaam verstuurt alle signalen via zenuwen. Hoe hoger de frequentie van geluid, hoe meer zintuigcellen in het oor een signaal afgeven. De gevoeligheid van de kegeltjes in het oog is groter dan de gevoeligheid van de staafjes. De bloedsomloop zorgt ervoor dat overal in het lichaam zuurstof en warmte komen. Een reactie via hormonen gaat veel langzamer dan via zenuwen.

koorts onderkoeling ademnood

Figuur 12 Evenwicht

hyperventilatie

B eheersen K4.2 Waarnemen en reageren Menselijk lichaam

A

12

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

14 Van welke grootheden buiten het lichaam kan het lichaam de grootte waarnemen? 15 Noem drie grootheden binnen het lichaam die waargenomen kunnen worden. 16 Als er in de hersenen prikkels van zintuigen of receptoren binnenkomen, kunnen die op twee verschillende manieren signalen aan de rest van het lichaam doorgeven. Welke twee manieren zijn dit?

17 Een elektrische schok krijgen, betekent dat er stroom door je lichaam gaat. Dit

T

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.

EP

18 Het hart is de pomp die zorgt dat het bloed door het lichaam stroomt. Hoe

C

be誰nvloedt de hartslagfrequentie: a de temperatuur in een spier? b het zuurstofgehalte in een spier?

N

BEHEERSEN

Reflexen

C O

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 dus niet na te denken. We zijn ons niet bewust van alles wat onze zintuigen waarnemen buiten en in ons lichaam. Reflexen zorgen dat je 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 13). 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 signaal verstuurd naar het centrale zenuwstelsel. Zodra dit in het ruggenmerg is aangekomen, wordt het signaal doorgegeven aan twee verschillende zenuwen: een zenuw die het signaal doorstuurt naar de hersenen en een zenuwcel die een spiercel aanstuurt. Hierdoor beweegt je been.

Figuur 13

Figuur 13 Kniepeesreflex

Een reflex is veel sneller dan een gewone reactie, omdat niet eerst een signaal naar de hersenen hoeft te gaan: er wordt direct gereageerd. Dit is van groot belang. Als er bijvoorbeeld iets dichtbij op je ogen afkomt, gaan je ogen automatisch dicht om ze te beschermen. Je doet dus eerst je ogen dicht en pas daarna wordt het signaal ook in de hersenen herkend. Bij een reflex wordt het signaal van het zintuig in het centrale zenuwstelsel direct doorgegeven aan een zenuw die een spier aanstuurt.

13

A

Menselijk lichaam K4.2 Waarnemen en reageren B eheersen

Doordat de spier direct wordt aangestuurd, kun je de voorplantingssnelheid van een signaal langs een zenuw meten. Er geldt: s + s2

v t = t1

reflex

Hierin is vt de transportsnelheid van het signaal (in m/s), s1 de afstand tussen het zintuig 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). Met behulp van deze formule kun je bepalen of een sporter nog sneller kan reageren of dat hij beperkt is door de tijd die het kost om het signaal van de receptor naar het ruggenmerg te krijgen.

Signaal: verstoring van spanning over de celwand

Natrium-ionen

1 rustsituatie zenuwuitloper -90 mV

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

BB Een reflex is een automatische spierreactie op een prikkel.

-70 mV

3 Na-ionen stromen door het concentratieverschil de cel in, de spanning neemt toe. Doordat de spanning positief wordt gaan de Na+ kanalen weer dicht.

T

Signaaltransport

C O

Zodra er een signaal, van bijvoorbeeld een kegeltje in het oog, bij een zenuwcel aankomt, wordt de elektrische spanning over de celwand verstoord (stap 2, figuur 14). Als deze verstoring groot genoeg is, gaan er kleine kanaaltjes in de celwand 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 celwand positief worden (stap 3, figuur 14). Nu ontstaat er een spanningspuls, die actiepotentiaal wordt genoemd. Hierdoor verandert de spanning over de zenuwwand en ontstaat er een spanningspuls.Zie figuur 15. Dit alles gebeurt in slechts enkele milliseconden. Door de positieve spanning over de celwand gaan de kanaaltjes in de celwand voor Na-ionen weer dicht. 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 signaal door te geven. Daarvoor moet eerst de lagere natriumion-concentratie worden hersteld. De celwand bevat pompjes die actief de natriumionen uit de zenuwcel pompen (stap 4, figuur 14). Het pompen van ionen door de celwand 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, die alleen afhangt van het concentratieverschil van natriumionen binnen en buiten de cel. Het is een binair signaal, want een zenuw kan geen verschillende signaalwaarden doorgeven. Er ontstaat een actiepotentiaal Ăłf niet, de signaalwaarde is dus onafhankelijk van de grootte van de prikkel. Een zenuw

+20 mV

4 Nu gaan de ionenpompen aan de slag om de concentraties weer te herstellen; de linkerkant van de zenuw is klaar om een nieuwe impuls door te geven. -90 mV

Figuur 14

spanning over de celwand U (mV)

N

C

EP

De snelste manier van signaaltransport in het menselijk lichaam is via zenuwen. Dit signaal gaat zo snel, doordat er geen stoffen worden doorgegeven via de bloedsomloop, maar elektrische signalen langs de zenuwuitlopers. Hoe gaat dit signaaltransport in zijn werk? In een zenuwcel is de concentratie van kleine ionen zoals Na+ anders dan net buiten deze cel. Als de zenuwcel in rust is, bevat de vloeistof buiten de zenuwcel een overschot aan Na-ionen (stap 1, figuur 14). De Na-ionen kunnen slecht door de celwand heen en pompjes in de celwand houden dit concentratieverschil in stand. Door het verschil in Na-ionconcentratie staat er in de rustsituatie een spanning van −90 mV over de wand van de zenuwcel.

60 40 20 0 -20 -40

actiepotentiaal

-60 -80 -100 -120

0,50

1,00

1,50 tijd t (ms)

Figuur 15 Actiepotentiaal

19 W Experiment: Reflexen

B eheersen K4.2 Waarnemen en reageren Menselijk lichaam

A

14

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. BB De maximale snelheid van een signaal langs een zenuw is 120 m/s. BB Een signaal in een zenuw is een spanningspuls die veroorzaakt wordt doordat

natriumionen de zenuwcel instromen.

Bloedvaten en hart

T

De functie van het hart is om alle spieren, organen en zenuwcellen van het lichaam blijvend van voedingstoffen en zuurstof te voorzien. 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 sporter 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

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 zo’n 45 - 70 slagen per minuut (rusthartslag) 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:

C

Figuur 16 Werking van het hart

EP

Hierin is V het bloedvolume (in mL), m de massa (in kg) en L de leeftijd (in jaren).

N

aantal hartslagen per minuut = 220 − leeftijd (in jaren)

C O

Aan deze vuistregel zie je dat de hoeveelheid bloed die het hart per minuut kan rondpompen, fors kan oplopen bij inspanning. Dit is een van de twee bepalende factoren voor de conditie van een duursporter. BB De maximale hartslag hangt af van de conditie en de leeftijd van de sporter. BB De hartfrequentie hangt af van de behoefte aan voedingsstoffen en zuurstof in

het lichaam.

BB Het bloedvolume hangt af van het geslacht, de leeftijd en de massa van de sporter.

Longen

Figuur 17 Longen

De longfunctie is de tweede factor die de conditie van een duursporter bepaalt. Het lichaam moet genoeg zuurstof kunnen opnemen en alle 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. BB De hoeveelheid zuurstof die in de longen wordt opgenomen, hangt af van de

20 W Experiment: Ademvolume

ademhalingsfrequentie, de hoeveelheid zuurstof in het bloed en de diepte van inademing.

15

A

Menselijk lichaam K4.2 Waarnemen en reageren B eheersen

Spieren

pees

Een sporter heeft vaak dikkere spieren dan niet-sporters. Dit komt doordat de sterkte van een spier afhangt van het aantal spiervezels en er door het lichaam extra nieuwe spiervezels worden aangemaakt bij (kracht)training. Het aantal zenuwen dat deze spiervezels aanstuurt, wordt echter niet groter. Hierdoor kunnen sterke mensen vaak minder goed hun kracht doseren, want één enkele actiepotentiaal laat alle spiervezels in de buurt van de zenuwuitloper samentrekken.

bot

spier

bundel spiervezels

BB De spierkracht hangt af van het aantal spiervezels. BB Hoe nauwkeurig iemand kracht kan doseren met een spier, hangt af van het

aantal spiervezelsdat door één zenuw wordt aangestuurd.

spiervezels

REDENEREN Figuur 18

T

21 De paragraafvraag was: Op welke manier reageert het lichaam op waargenomen

EP

veranderingen van grootheden in en buiten het lichaam? Wat is het antwoord op deze vraag?

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

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

b

C O

c

Een zenuwcel geeft een prikkel door, doordat er natrium door de uitlopers van de zenuw naar de celkern stroomt. Bij een reflex stuurt een zintuigcel direct de spieren aan. De positieve ‘pool’ van de spanning in een zenuwcel ligt buiten de zenuwcel.

N

a

C

23 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken.

24 Zodra je gaat hardlopen, neemt de behoefte aan zuurstof in je spieren toe. Hierdoor zullen de spieren meer zuurstof uit het bloed opnemen en daalt het zuurstofgehalte in het bloed. Leg uit waardoor de longen op dat moment meer zuurstof kunnen opnemen bij hetzelfde ademvolume dan tijdens rustig wandelen.

25 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 waardoor het verband tussen de ademhalingsfrequentie en het vermogen dat je levert geen evenredig verband is. c Iedere spiervezel kan evenveel kracht leveren. Wat voor soort verband bestaat er tussen de spierkracht en het aantal spiervezels naast elkaar?

biceps

triceps

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 laten bewegen. Figuur 19

B eheersen K4.2 Waarnemen en reageren Menselijk lichaam

A

16

REKENEN 27 Joline en Sander zijn beiden 17 jaar oud, wegen allebei 72 kg en zijn allebei 1,73

T

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 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, met een gemiddelde van 65 slagen per minuut?

28 Bij Niels en Maxim wordt de reactietijd getest. Beiden houden hun ogen dicht en

EP

moeten deze openen als ze iets voelen. Niels wordt hierbij in zijn teen geprikt, Maxim in zijn neus. Leg uit of er verschil in reactietijd is tussen beiden en of je het verschil kunt meten met een stopwatch.

29 Bij wereldkampioenschappen atletiek wordt de reactietijd gemeten van sprinters.

N

C

In het startblok is daartoe een druksensor verwerkt. Als deze sensor binnen 100 ms na het startschot een toename in druk registreert, krijgt de sporter een valse start toegewezen. a Bereken de tijd die het kost om het signaal via de zenuwen van de oren naar de tenen te sturen. Schat hierbij de lengte van de sprinter. b Verklaar waarom jij het wel/niet eerlijk vindt dat iedereen die binnen 100 ms begint te sprinten wordt gediskwalificeerd.

C O

30 W Experiment: Reactietijd versus reflextijd 31 W Experiment: Spierkracht

17

A

Menselijk lichaam K4.2 Waarnemen en reageren verdiepen

VERDIEPEN

boezems

Elektrische geleiding van het hart Veel sporters dragen tijdens trainingen een hartslagmeter. Dit instrument geeft gedurende de training de frequentie van de hartslag weer, die een goede indicator is voor de inspanning. De frequentie van de hartslag kan makkelijk gemeten worden, doordat het hart elektrisch wordt aangestuurd. Je kunt met elektroden op de huid het aantal pulsen meten en dit aflezen op een horloge.

D E H A RTC YC LU S

De boezems trekken samen, het bloed wordt naar de kamers gestuwd

T

Het hart is een grote holle spier die uit vier ruimtes bestaat. Bovenin bevinden zich de twee hartboezems, die het bloed verzamelen en door samentrekken het bloed in de hartkamers pompen. De kamers bevinden zich onderin het hart en trekken zich daarna samen. Zo wordt het bloed het lichaam ingepompt.

Het hart is ontspannen, de boezems stromen vol bloed

EP

kamers

De kamers trekken samen en pompen het bloed uit het hart

N

C

Het hart wordt aangestuurd door zenuwsignalen. Deze signalen komen niet vanuit het centrale zenuwstelsel maar worden in het hart zelf geproduceerd. In de rechterboezem bevindt zich een groepje zenuwcellen, de sinusknoop, die het elektrische signaal geven waarmee de samentrekking van het hart begint. Zie figuur 21. Dit signaal wordt door zenuwen verspreid over beide boezems en gaat naar de AV-knoop, tussen de boezems en de kamers. Dit groepje cellen geeft het signaal vertraagd door aan de spiercellen in de kamers. Doordat de AV-knoop het elektrische signaal even vasthoudt, trekken eerst de boezems en daarna pas de kamers samen.

C O

De aansturing van het hart gebeurt dus elektrisch. De elektrische signalen kunnen we ook buiten het lichaam registreren. Dit gebeurt in een ECG: een elektrocardiogram. Het ECG kun je meten door geleidende elektroden op het lichaam te plakken, minimaal één aan de linkerkant en één aan de rechterkant van het hart. Op deze manier kun je de spanning van de actiepotentialen in de zenuwvezels zichtbaar maken. In een ECG kun je een aantal fasen onderscheiden. Eerst is er de P-top, die begint wanneer het signaal van de sinusknoop wordt versterkt, doordat het wordt overgenomen door alle zenuwen die de boezemspieren aansturen. Daarna komt het QRS-complex: de samentrekking van de kamers. Deze spanningspiek is veel hoger dan die van de samentrekking van de boezems. Dat komt doordat geleidende bundels ervoor zorgen dat alle spiercellen in de kamers tegelijk een actiepotentiaal ontvangen en dus tegelijk aanspannen. Daarna zie je in het ECG ook nog de T-top. Dit is het moment dat de kamers weer ontspannen. De afstand tussen de P-piek en het QRS-complex geeft aan hoeveel de AV-knoop de geleiding vertraagd heeft. De hele cyclus wordt bepaald door zenuwcellen in het hart die reageren op bloeddruk, zuurstofgehalte en de hoeveelheid afvalstoffen. Hoe snel zenuwcellen in de sinusknoop weer een nieuwe actiepotentiaal aanmaken, wordt ook beïnvloed door signalen vanuit de hersenen en de aanwezigheid van hormonen (bijvoorbeeld het hormoon adrenaline). Maar het hart blijft altijd doorpompen, ook als er geen signalen vanuit het centrale zenuwstelsel komen.

Figuur 20 Hartcyclus

sinusknoop

AV-knoop

prikkeling van de boezems

prikkeling van de kamers

herstelfase

Figuur 21

R

T

P

Q S

Figuur 22 Elektrocardiogram

verdiepen K4.2 Waarnemen en reageren Menselijk lichaam

18

32 De spanning die geregistreerd wordt in een ECG, wordt veroorzaakt door de

33 Als je goed naar een ECG kijkt, kun je daar meer uit afleiden dan alleen de

T

frequentie van de hartslag. a De actiepotentiaal van een zenuwcel is altijd gelijk. Leg uit hoe het komt dat de spanning bij de P-top veel lager is dan bij het QRS-complex. b Leg uit waardoor de oppervlakte onder de T-top even groot is als onder het QRS-complex. c Leg met behulp van de spanning in een actiepotentiaal uit waardoor een ECG ook negatieve pieken kan hebben (bij Q en S).

EP

34 De hartslag kan variëren van 50 slagen per minuut tot wel 200. Toch is de duur van de P-piek altijd hetzelfde. Leg uit waardoor de P-piek niet korter kan duren.

35 W Experiment: Een ECG opnemen

C O

N

Als het hart niet meer goed werkt, komt dit vaak doordat de elektrische geleiding in het hart is verstoord. De elektrische signalen tussen de boezem en de kamer of in de kamer zelf worden dan niet meer goed doorgegeven. Door dit verstoorde signaal trekken de hartcellen zich niet goed samen of niet in de juiste volgorde en pompt het hart te weinig of geen bloed meer rond. Als reactie gaat de frequentie omhoog, echter zonder betere pompwerking van het hart. Het hart fibrilleert dan. Dit kan meestal worden verholpen door het hart te ‘resetten’ door het een flinke schok te geven. De zenuwcellen ervaren dit als een actiepotentaal en moeten na de schok hun ion-concentraties weer herstellen. Hierna zijn alle zenuwen op hetzelfde moment weer klaar voor gebruik. Meestal is dit voldoende en functioneert de hartspier vervolgens weer op de goede manier. Omdat het belangrijk is dat een haperend hart snel weer bloed gaat rondpompen, hangt op veel plekken een AED: Automatische Externe Defibrillator. Dit is een apparaat dat met enkele elektroden op de borst van de patiënt een schok geeft waardoor het hart opnieuw kan opstarten.

spanningspieken in de hartzenuwen. a Leg uit waardoor je minimaal twee elektroden nodig hebt om een ECG te kunnen opnemen. b Als je de elektroden op een andere plaats plakt, zijn de hoogtes van de verschillende pieken verschillend maar de tijd tussen de pieken niet. Leg uit waardoor deze tijd gelijk blijft.

C

EEN AED

Figuur 23 Een AED

A

19

A

Menselijk lichaam

K4.3 Voedingsstoffen en bewegen ONTDEKKEN Veel sporters willen door training steeds beter worden. Sommige topsporters gebruiken zelfs doping om hun prestaties te verhogen. Maar de meeste mensen sporten om 36 W Experiment: Van welke factoren is het in conditie te blijven, om af te vallen of omdat ze het gewoon leuk vinden. Wat bepaalt vermogen afhankelijk? eigenlijk hoe goed een sporter is en waar haalt een sporter de energie vandaan voor het sporten? 37 W Experiment: Armpje drukken

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

T

BEGRIJPEN

EP

Kracht en bewegen

C

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 leveren, is maar heel klein. Door te trainen kun je het aantal spiervezels vergroten, waardoor de kracht die de totale spier kan uitoefenen groter wordt.

N

BB De kracht van een spier hangt af van het aantal spiervezels.

BB Als een spier veel wordt gebruikt, neemt het aantal spiervezels toe.

C O

Arbeid en energie

Sommige racefietsers blijven in een te zware versnelling rijden als de weg omhoog loopt, waardoor ze amper genoeg kracht hebben om de pedalen rond te krijgen. Anderen 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 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 de volgende keer meer kracht kunt zetten. BB Tijdens een beweging verricht een kracht arbeid. BB Een spier zet door arbeid te verrichten energie uit voedsel om in

bewegingsenergie en warmte.

ARBEID

De natuurkundige grootheid arbeid 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 spieren arbeid verrichten, wordt in je spieren de chemische energie van koolhydraten en/ of vetten omgezet in bewegingsenergie en/ of zwaarte-energie als je omhoog gaat. Bij het fietsen met constante snelheid 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 de spier, des te meer energie wordt er in de spier omgezet.

B egrijpen K4.3 Voedingsstoffen en bewegen Menselijk lichaam

A

20

Vermogen

T

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 van een sporter 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.

EP

BB Vermogen is de arbeid die per seconde verricht wordt en is gelijk aan de

hoeveelheid energie die per seconde wordt omgezet.

Hartslag en ademhaling

Figuur 24 Zuurstofopnamevermogen getest

Figuur 25 Hartslag

C O

N

C

Zodra je gaat sporten, gaan je ademhaling en je hartslag sneller. Dit is nodig omdat er maar weinig voedingsstoffen en zuurstof in de spieren is 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 de spier gestuurd en neemt de ademhaling toe om meer zuurstof in het bloed te krijgen. Bovendien gaat het hart sneller kloppen om meer bloed naar de longen en de spieren te laten stromen. Het energieverbruik wordt geschat aan de hand van het zuurstofverbruik (liters O2 per minuut) en de ademhalingsfrequentie. Een indirecte maat voor het energieverbruik is het hartritme. Deze methode is minder nauwkeurig dan de meting van de ademhaling, omdat de hartfrequentie door meer factoren wordt beïnvloed zoals stress en hormonen. BB De hartslagfrequentie en de frequentie van de ademhaling zijn een maat voor

het vermogen dat een sporter levert.

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

39 W Experiment: Verband tussen vermogen en hartfrequentie

40 W Experiment: Verband tussen snelheid en kracht van een spier

f g

Een bodybuilder heeft meer spieren dan een gemiddeld persoon. Als een spier veel wordt gebruikt, worden de spiervezels sterker. Een spier verricht alleen arbeid, als hij zorgt voor een 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.

21

A

h i

Menselijk lichaam K4.3 Voedingsstoffen en bewegen B egrijpen

Als je hartslagfrequentie twee keer zo groot is, is je vermogen ook twee keer zo groot. Als je twee keer zo hard rent, moet je ook twee keer zo vaak per minuut inademen.

41 Kijk je naar de winnaar van een 100 m sprint (figuur 26) en de winnaar van een

T

marathon (figuur 27), dan zie je grote verschillen. a Schat welk van deze twee sporters tijdens zijn race de meeste arbeid heeft verricht. b Welk van deze twee sporters had in zijn race het grootste vermogen? c Welk van deze twee sporters heeft de meeste spiervezels. Leg uit waarom deze sporter de meeste spiervezels nodig heeft om te kunnen winnen. d Welk van deze twee sporters zal de meeste zuurstof en voedingstoffen in de spieren hebben opgeslagen? e Leg de verschillen uit die je ziet tussen beide sporters.

EP

42 Bij wielrennen worden verschillende soorten doping gebruikt. Twee populaire

Figuur 26

C O

N

C

middelen zijn EPO en bloeddoping. EPO is een medicijn ontwikkeld voor nierpatiÍnten, dat zorgt voor aanmaak van extra zuurstof transporterende rode bloedcellen. Bij bloeddoping wordt een aantal weken voor een belangrijke wedstrijd bloed van de atleet afgenomen. Vlak voor de wedstrijd worden de rode bloedcellen daaruit via een infuus weer 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 sporter zal deze soorten doping eerder gebruiken, een sprinter of een marathonloper? c Welke risico’s zullen er volgens jou zitten aan deze vormen van doping?

43 Je kunt op twee manieren hardlopen: heel snel kleine stappen maken of rustiger grote stappen maken. Uiteindelijk kun je op hetzelfde moment over de finish komen. a Wat is volgens jou het verband tussen verrichte arbeid en spierkracht? b Leg uit op welk van deze twee manieren het vermogen dat de sporter levert het grootst is. c Bij welke methode zal het hart de meeste moeite hebben om de beenspieren van bloed te voorzien? Of maakt dit niet uit?

Figuur 27

44 W Experiment: Longvolume

B eheersen K4.3 Voedingsstoffen en bewegen Menselijk lichaam

A

22

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

T

Vaak is het bij sporten niet alleen belangrijk dat je over de finish komt maar ook hoe snel je de finish bereikt. In dat geval wint de sporter die de arbeid in de kortste tijd verricht en dus het grootste vermogen levert: W

EP

P= t

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

Rendement

N

C

Een groot deel van de energie die een sporter in zijn spieren omzet, gaat verloren. 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% gaat voornamelijk ‘verloren’ in de vorm van warmte.

C O

Als je de arbeid of het vermogen van een sporter hebt gemeten, kun je met behulp van het rendement berekenen hoeveel energie uit de voedingsstoffen is omgezet in de spieren: W

η = Ein

45 W Experiment: Rendement bepalen

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). BB Het rendement is het deel van de energie dat nuttig wordt gebruikt.

23

A

Menselijk lichaam K4.3 Voedingsstoffen en bewegen B eheersen

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 verbrandt, wordt 15,6 kJ aan energie omgezet.

C A LO R I E O F J O U L E

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

47 Twee wielrenners rijden in een bergetappe een col op. De eerste wielrenner rijdt

C O

N

C

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. B

C

D

t = 9,7 s 80 stappen

t = 9,7 s 90 stappen

t

t = 11,2 s 80 stappen

glas water

0

kop thee/koffie zonder suiker

0

glas cola zero

0

plak ontbijtkoek

65

glas cola

90

glas halfvolle melk

110

bruine boterham met kaas

145

broodje hamburger met ui

230

broodje hotdog met saus

250

gevulde koek

260

saucijzenbroodje

270

t = 11,2 s 90 stappen

broodje kroket

310

patatje met mayonaise

570

EP

REDENEREN

A

Voedingswaarde (kcal)

T

Vaak wordt bij voedingsproducten en bij 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.

Voedingsmiddel

Figuur 29

48 Vier sporters lopen de 100 m. In figuur 29 zie je de tijd die ze nodig hebben voor de 100 m en het aantal stappen. a Zet de lopers op volgorde van vermogen. Begin met de hardloper met het grootste vermogen. b Zet de lopers op volgorde van geleverde arbeid. Begin met de hardloper die de meeste arbeid verricht. c Zet de lopers op volgorde van spierkracht. Begin met de hardloper met de grootste spierkracht.

Figuur 28

B eheersen K4.3 Voedingsstoffen en bewegen Menselijk lichaam

A

24

49 Studenten van de TU-Delft hebben in 2013 een snelheidsrecord met de fiets gevestigd. Verschillende studenten hebben in Amerika in een gestroomlijnde ligfiets over een zoutvlakte gereden. De snelste reed uiteindelijk 133,78 km/h. a Leg uit waarom je bij deze fiets (figuur 30) kan zeggen dat de snelste fietser ook met de grootste kracht heeft getrapt, terwijl dat op een gewone fiets niet hoeft te kloppen. b Laat aan de hand van de formules voor arbeid en vermogen zien dat er een evenredig verband bestaat tussen het vermogen van de fietser en de snelheid.

REKENEN

Figuur 30

50 T Als je wandelt, gebruik je spierkracht om je zwaartepunt telkens iets omhoog

h

85 cm

T

C

Figuur 31

EP

Z

Z

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 op twee benen staat, is je zwaartepunt het laagst. Zie figuur 31 en 32. a Bepaal met de figuur op het tekenblad hoeveel cm het zwaartepunt van de wandelaar (80 kg) van figuur 31 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 60 cm in plaats van 50 cm? d Bij welke manier van wandelen is het rendement het grootst: 100 m lopen met grote stappen (60 cm) of 100 m lopen met kleine stappen (50 cm)? Leg uit.

51 Een marathonloper verricht tijdens een marathon ongeveer 3,0 MJ aan arbeid. a

Z

50

85

h

50

Figuur 32

50

b

h

85

C O

85

85

50

c

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

Nutritionele informatie per 100 g 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 33

Hoeveel energie (ongeveer) moet het bloed aan de spieren leveren voor deze prestatie? Bereken hoeveel gram glucose er in zijn spieren wordt omgezet, als hij al deze energie uit glucose (C12H22O11) haalt. Bij de verbranding van vet komt per gram twee keer zoveel energie vrij. Als de gehele energie voor de marathon uit vetverbranding komt, hoeveel gram vet is deze marathonloper dan na afloop kwijt?

N

Z

Δh

bewegen. Iedere keer als hij een tussendoortje neemt, loopt hij expres een aantal keren de trap op en neer (de trap heeft 20 treden en elke tree is 18 cm hoog), totdat hij alle energie van het tussendoortje weer heeft verbruikt. Karel heeft een minimars gegeten van 18 g. De voedingswaarde per 100 g van zo’n mars zie je in de tabel van figuur 33. De vraag is hoeveel treden Karel de trap op moet lopen om de energie van een minimars om te zetten in zijn spieren. a Hoeveel energie zit in een minimars opgeslagen? b Hoeveel energie van deze minimars wordt in een spier nuttig omgezet in arbeid? c Bij het oplopen van de trap is de kracht die de beenspieren samen moeten leveren gelijk aan de zwaartekracht. 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?

25

A

Menselijk lichaam K4.3 Voedingsstoffen en bewegen verdiepen

VERDIEPEN Doping Veel sporters proberen hun grenzen te verleggen. 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: BB bevordert de prestatie; BB is schadelijk voor de gezondheid; BB 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; BB middelen die zorgen voor een beter zuurstoftransport; BB verdovende middelen; BB concentratie-bevorderende middelen; BB middelen om af te vallen.

T

BB

EP

Figuur 34

Welke sporter welk soort doping gebruikt hangt af van de beoefende sport. Krachtsporters en sprinters hebben vooral behoefte aan meer kracht. Ze gebruiken anabole steroïden en groeihormonen om de groei van spieren te versterken. BB 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 vooral EPO en bloeddoping, middelen die de zuurstofvoorziening verbeteren. BB 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. Deze middelen worden ook wel eens door studenten geslikt om een hele nacht door te kunnen leren.

C O

N

C

BB

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 en je daardoor langer kunt doorgaan. 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 of 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 35

verdiepen K4.3 Voedingsstoffen en bewegen Menselijk lichaam

A

26

53 Welke soorten doping be誰nvloedden op een directe manier de kracht of het vermogen van een sporter?

54 In figuur 36 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 Welk soort doping heeft die fietser gebruikt? c In werkelijkheid ziet een wielrenner die doping heeft gebruikt er niet zo vreselijk gespierd uit. Leg uit wat voor soort doping een fietser kan gebruiken en of je dit dan aan een fietser kunt zien.

Figuur 36

55 Als je over een jaar een marathon (42,195 km) wilt lopen binnen drie uur, kan dit

EP

T

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.

56 Voordat een stof op de dopinglijst komt, moet deze aan twee van de drie in de

C

C O

be誰nvloeden

N

57 W Experiment: Reactiesnelheid

tekst genoemde eisen voldoen. a Leg uit waarom cafe誰ne 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.

27

A

Menselijk lichaam

K4.4 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 zorgt je lichaam ervoor dat je niet oververhit raakt tijdens het sporten?

58 W Experiment: Huidtemperatuur 59 W Experiment: Gevoelstemperatuur

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

T

BEGRIJPEN

EP

Warmte-evenwicht

N

C

Een sporter presteert het beste als hij het niet te koud of te warm heeft. In de ideale situatie is de inwendige temperatuur 37 째C, dan werkt het lichaam het beste. 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 je receptoren 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.

C O

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 maar ongeveer 20% is. En 80% van de energie die in je spieren wordt omgezet, komt vrij in de vorm van warmte. Je kunt deze warmte op vijf verschilende manieren afvoeren: door geleiding, stroming, straling, verdamping en ademhaling. BB Als de warmteproductie in je lichaam en het warmteverlies in evenwicht zijn, is je

lichaam in warmtebalans. BB Bij energieomzetting in de spieren komt ongeveer 80% van de energie vrij in de

vorm van warmte.

Warmteverlies door straling Niet alleen als je sport maar ook als je slaapt, produceer je warmte. In je slaap is je lichaam 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 en des te groter het energieverlies. Als je intensief sport, produceer je veel meer warmte. Je lichaam is dan vergelijkbaar met een kachel van 1200 W. Door een aantal aanpassingen 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.

B egrijpen K4.4 Warmtehuishouding Menselijk lichaam

A

28

Katten reguleren warmteverlies door straling op een andere manier. Als een kat het koud heeft tijdens zijn slaap, rolt hij zich op. Zo is zijn stralende oppervlakte kleiner en koelt hij minder af. Heeft een kat het ’s zomers warm, dan kun je hem languit met gespreide poten in de schaduw zien liggen. Ook voor de mens geldt dit. Als je in een koud bed stapt, trek je je benen op. De stralende oppervlakte daalt dan van ongeveer 1,80 m2 tot 1,40 m2. BB Het warmteverlies door straling hangt af van de temperatuur van de huid en de

grootte van het huidoppervlak dat kan stralen. Figuur 37

Warmteverlies door geleiding en stroming

C

EP

T

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 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 iets langer tot je het niet meer koud hebt, doordat een laagje water verwarmen veel meer energie kost dan een laagje lucht verwarmen.

C O

N

Ga je in heel weinig kleren sporten, dan kan de warmte die je via geleiding hebt afgegeven aan de lucht via stroming verder worden afgevoerd. Je moet dan voortdurend verse lucht verwarmen 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 zoveel mogelijk beperken. Dikke grote mensen zijn dan in het voordeel; kleine kinderen zullen snel onderkoeld raken. BB Warmte gaat uit het lichaam naar buiten door geleiding door de huid. Deze

warmtestroom neemt toe met het temperatuurverschil over de huid. BB Warmteverlies door stroming kun je beperken door dichte kleding te dragen.

Warmteverlies door zweten De zichtbaarste manier van afkoeling is zweten. Als je stopt met hardlopen of fietsen, krijg je het vaak koud doordat je nog bezweet bent. Zo’n nat shirt voelt dan opeens heel 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.

Figuur 38

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.

29

A

Menselijk lichaam K4.4 Warmtehuishouding B egrijpen

Tijdens en meteen na een grote inspanning koel je extra af, doordat er veel warmte is geproduceerd in je spieren. Je gaat dan dus veel zweten. De hoeveelheid warmte die je afstaat door zweten hangt af van vier factoren: 1 de oppervlakte van je huid die met zweet is bedekt; 2 de temperatuur van het water op je huid; 3 de luchtstroming langs het water op je huid; 4 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 tijdens intensieve inspanning. BB Als water op je huid verdampt, verliest je lichaam warmte. BB Het warmteverlies door zweten hangt af van de temperatuur van het zweet,

EP

T

de relatieve vochtigheid van de langsstromende lucht, de luchtstroming en de grootte van het bezwete huidoppervlak.

Warmteverlies door ademhaling

N

C

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 de vochtige warme lucht weer af en condenseert de waterdamp. 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 zal dan dus groter zijn.

C O

Hoeveel warmte je verliest via de ademhaling hangt niet alleen af van de omgevingstemperatuur 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. BB Warmteverlies door ademhaling hangt onder andere af van de inspanning van de

sporter, de temperatuur en de relatieve vochtigheid van de ingeademde lucht.

Figuur 39

B egrijpen K4.4 Warmtehuishouding Menselijk lichaam

A

30

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

Een sporter raakt zijn warmte kwijt door verdamping en zweten. Als je meer warmte produceert dan kwijtraakt, krijg je koorts. In de 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.

61 Als mensen zich schamen, gaan ze vaak blozen. Raak je hierdoor onderkoeld?

waarvoor men dat doet.

EP

Figuur 40

T

62 Marathonlopers krijgen na de finish vaak een aluminium dekentje om. Leg uit

63 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.

C

64 Als je in de winter in een binnenbad gaat zwemmen, ervaar je temperatuur

C O

N

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.

65 Zodra je begint met sporten, neemt je warmteproductie toe. Ook enkele vormen van warmteverlies worden dan automatisch hoger. Welke soorten warmteverlies nemen automatische toe als je gaat sporten? Leg uit.

66 Een marathonloper heeft tijdens de race niet genoeg gedronken en is na 40

67 W Experiment: Afkoeling van de huid

km 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.

31

A

Menselijk lichaam K4.4 Warmtehuishouding B eheersen

BEHEERSEN Warmteverlies door straling De hoeveelheid energie die een sporter verliest in de vorm van straling, hangt af van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur van de huid, des te meer infraroodstraling de huid uitzendt. Hoeveel warmte je 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 Boltzman (5,67 · 10−8 W/(m2 · K4)), A de stralende oppervlakte (in m2) en Thuid de temperatuur van de huid (in K).

Bezigheid

Warmteproductie (W/m2)

slapen

46

zitten

58

typen

70

staan

81

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 41 Gemiddelde waarden van de

T

Warmteverlies door verdamping

EP

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

warmteproductie.

m

P = cw ⋅ t

N

C

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).

C O

De warmteproductie bij verschillende activiteiten wordt gemeten in W/m2. Hierbij is het huidoppervlak de bepalende factor. Voor een standaard-man is dat 1,8 m2 en voor een standaard-vrouw 1,6 m2. Als je het huidoppervlak 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 sporter (in kg) en ℓ de lengte van de sporter (in m).

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

Q = c · m · ∆T Hierin is Q het warmteverlies (in J), c de soortelijke warmte van lucht (in J/(kg · K)), m de massa van de ingeademde lucht (in kg) 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 van de lucht te meten en de relatieve vochtigheid. De relatieve vochtigheid meet je met een hygrometer. Zie figuur 42.

Figuur 42 Hygrometer. Achter de wijzerplaat trekt een veertje 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)

B eheersen K4.4 Warmtehuishouding Menselijk lichaam

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

A

32

De relatieve vochtigheid is de verhouding tussen de werkelijk aanwezige hoeveelheid waterdamp (in g/m3) in de lucht 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. 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 43. In Nederland is de relatieve vochtigheid buiten meestal ongeveer 70%, maar in verwarmde ruimten veel lager.

-20

-10

0

10 20 30 40 luchttemperatuur T (°C)

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 43 Waterdampdichtheid bij verzadiging

T

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

EP

C O

N

Als je lichaam de warmte niet meer goed kan afvoeren, kun je een zonnesteek krijgen. De temperatuur in je hersenen loopt dan te hoog op. Op dat moment is de warmtetoevoer door sporten of door zonnestraling 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.

C

ZO N N E S T E E K

Een sporter ademt per minuut 40 L lucht in en uit. De ingeademende 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 bevatten (zie figuur 43). Bij een relatieve vochtigheid van 60% is dat dus 15 × 0,60 = 9,0 g/m3. Bij 30 °C kan de uitgeademde lucht maximaal 27 g waterdamp per kg lucht bevatten. Bij een relatieve vochtigheid van 90% is dit 24,3 g/m3. De uitgeademde lucht bevat 24,3 − 9,0 = 15,3 g/m3 meer water dan de ingeademde lucht. De hoeveelheid water die in de longen is verdampt, is dus: m = 15,3 × 40 · 10−3 = 0,61 g

Warmtebalans

68 W Experiment: Relatieve vochtigheid

De verschillende manieren van warmteverlies van het lichaam zorgen er samen voor dat de inwendige temperatuur constant blijft: het lichaam verliest evenveel warmte als het zelf produceert. De extra geproduceerde warmte tijdens sporten wordt afgevoerd doordat je ademhaling sneller gaat, je huid warmer wordt en je gaat zweten.

REDENEREN 69 De paragraafvraag was: Hoe houdt het menselijk lichaam de lichaamstemperatuur constant? Wat is het antwoord op deze vraag?

70 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.

A

Menselijk lichaam K4.4 Warmtehuishouding B eheersen

71 Woestijnvossen hebben voor hun formaat zeer grote oren.

30°C

Leg uit welke vorm van warmtetransport hierdoor groter of kleiner is. 20°C

72 In figuur 44 zie je een grafiek voor kledingadvies. Hoe kouder het is, hoe eerder 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.

73 Bijna alle sporters hebben voordat ze beginnen met sporten nog een

STAY COOL

10°C

BE ACTIVE

0°C

-10°C

-20°C

-30°C

KEEP WARM GEEN

LICHT

GEMIDDELD

ZWAAR

Figuur 44

74 In figuur 45 worden in één grafiek met vier lijnen de warmteverliezen als gevolg

N

C

van ademhaling, geleiding, straling en zweten weergegeven. a Geef aan welke lijn 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, (lijn I) en leg uit hoe dit komt.

vermogen P (W)

EP

T

trainingspak aan. Ook direct na het sporten doen ze weer extra kleding aan. a Leg uit waardoor 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.

TEMPERATUUR

IV

I II

75 In figuur 46 zie je vier verschillende fietsers die met 20 km/h door een prachtige wind­

C O

stille polder fietsen. De rijp is zichtbaar, doordat het vriest. Van 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.

m = 70 kg = kg 1,70 m m =L70 L = 1,70 m

Figuur 46

m = 80 kg = kg 1,70 m m =L80 L = 1,70 m

m = 80 kg = kg 1,90 m m =L80 L = 1,90 m

III

0 A temperatuur Tomgeving (°C)

Figuur 45

m = 90 kg = kg 1,90 m m =L90 L = 1,90 m

INSPANNING

33

B eheersen K4.4 Warmtehuishouding Menselijk lichaam

v = 7 km/h m = 80 kg

v = 10 km/h m = 80 kg

v = 20 km/h m = 80 kg

A

34

v = 40 km/h m = 90 kg

Figuur 47

76 In figuur 47 zie je vier sporters die al een lange tijd aan het sporten zijn. Van

EP

REKENEN

T

deze vier sporters is hun snelheid en massa gegeven. Zet deze vier sporters op volgorde van grootte van het warmteverlies per seconde. Begin met de sporter die de meeste warmte per seconde verliest.

77 Een marathonloper loopt in 4 uur en 12 minuten de marathon. Tijdens deze

C O

N

C

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 te zweten? c Leg uit of het mogelijk is dat alle overige warmte die de loper is kwijtgeraakt verloren is gegaan 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.

78 Merel is 1,70 m lang en 63 kg zwaar. Na een lange dag wandelen is ze eindelijk op de camping aangekomen en zet haar tentje op. Het is een mistige, koude avond en de temperatuur daalt tot rond de 10 째C. De relatieve vochtigheid bij die temperatuur is 100%. Merel krijgt het koud en besluit in haar slaapzak te gaan liggen. a Bereken (de grootte van) het huidoppervlak van Merel. b Bereken hoeveel warmte Merel kwijtraakt als gevolg van straling. c Leg uit waarom Merel geen warmte kwijtraakt door te zweten. d Maak een schatting met hoeveel procent Merel haar warmteverlies kan beperken als ze in foetushouding in haar slaapzak gaat liggen in plaats van gestrekt. Neem aan dat 60% van alle warmte die Merel verliest eerst door de slaapzak, die al een tijdje in de tent ligt, wordt opgenomen. Deze donzen slaapzak, net zo lang als Merel en 10 cm dik, kun je je voorstellen als een laag stilstaande lucht van 10 cm over het gehele lichaamsoppervlak van Merel. e Hoe lang duurt het totdat de slaapzak genoeg warmte heeft opgenomen en net zo warm is als je huid?

35

A

Menselijk lichaam K4.4 Warmtehuishouding verdiepen

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 kwijtraakt door straling. d Leg uit of Quinten meer of minder vocht zal zijn kwijtgeraakt tijdens dit rondje fietsen.

80 Ferona ligt heerlijk te slapen. Ze ademt tijdens haar slaap zo’n 8 × per minuut en

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

C

EP

T

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 48). 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 ademhaling? 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%.

waterdampdichtheid (g/m3)

79 Paul en Quinten gaan samen fietsen. Ze doen een rondje van 65 km met een

A

-20

-10

0

10 20 30 40 luchttemperatuur T (°C)

Figuur 48

81 Vanaf het moment dat je start met sporten zal je warmteproductie onmiddellijk

VERDIEPEN

C O

N

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·°C) is.

Gevoelstemperatuur

82 W Experiment: Gevoelstemperatuur

De dagen met de laagste temperatuur zijn voor je gevoel niet altijd de koudste dagen in de winter. In de luwte is het al snel aangenaam, terwijl het op een winderige straathoek ijskoud aan kan voelen. Een ijskoude windstille dag voelt minder 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 hoe koud het aanvoelt vergeleken met een windstille dag. 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. Een voorwerp kan het niet koud hebben. Wel zal als het hard waait een waterleiding sneller bevriezen, doordat de wind sneller warmte afvoert. Maar de waterleiding zal nooit bevriezen bij temperaturen boven nul, hoe hard het ook waait.

Figuur 49

verdiepen K4.4 Warmtehuishouding Menselijk lichaam

A

36

In de tabel van figuur 50 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. Deze tabel geeft een beeld van hoe koud het op zo’n gure winterdag aanvoelt. De gevoelstemperatuur kan niet worden gemeten. Er is alleen een tabel samengesteld door (veel) mensen te vragen hoe koud het aanvoelt. Windsterkte Windsnel­in Beaufort

Gevoelstemperatuur (°C)

heid (m/s)

0

0

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

-10 -12 -14 -16

2

2

7

5

3

1

-1

-3

-5

-7

-9

-11 -13 -15 -17

-9

-11 -14 -16 -19 -21 -23 -26

4

3

1

-2

-4

-7

6

0

-2

-5

-8

-10 -13 -16 -19 -21 -23 -26 -29 -31

5

10

-3

-6

-9

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

12

-5

16

-6

8 9 10

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

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

20

-7

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

24

-7

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

26

-7

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

C

Figuur 50

-8

-9

EP

6 7

T

3 4

N

83 Leg uit met welke vorm van warmteverlies de gevoelstemperatuur samenhangt. 84 Leg uit waardoor alleen in de winter de gevoelstemperatuur wordt genoemd en

C O

niet op een zeer winderige tropische dag.

85 De gevoelstemperatuur (uit de tabel van figuur 50) houdt geen rekening met neerslag. Leg uit hoe de gevoelstemperatuur met neerslag rekening zou kunnen houden. b Is de invloed van de neerslag op de gevoelstemperatuur bij een temperatuur boven 0 °C gelijk aan de invloed onder 0 °C? a

37

A

Menselijk lichaam

K4.5 Afsluiting HOOFDSTUKVRAAG EN SAMENVATTING 86 De hoofdstukvraag was: Hoe zorgt het menselijk lichaam er voor 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.

87 Maak een samenvatting van dit hoofdstuk door antwoord te geven op de

C O

N

C

EP

T

volgende 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 Welke drie functies heeft de bloedstroom? h Noem minstens één verschil en één overeenkomst tussen zenuwen en hormonen. i Leg uit waarom de longfrequentie een slechtere maat voor de inspanning is dan de frequentie van de hartslag. j Wat is het verschil tussen een reflex en een reactie? k Wat is het verband tussen kracht en arbeid? l Wat is het verband tussen arbeid en vermogen? m Wat is het verband tussen spierkracht en het aantal spiercellen? n In welke vormen van energie zetten spieren de energie uit voedingsstoffen om? o Op welke vijf manieren verliest het menselijk lichaam zijn warmte? p Wat is het verband tussen de stralingswarmte die het lichaam uitstraalt en de temperatuur? q Wat gebeurt er met het menselijk lichaam als de warmtebalans niet in evenwicht is? r Welke maatregelen treft het lichaam om de lichaamstemperatuur niet te veel te laten stijgen als iemand intensief gaat sporten? s Leg uit welke manieren om warmte kwijt te raken in het lichaam vooral afhangen van de omgevingstemperatuur en welke vooral van de luchtstroming om het lichaam.

W Begrippenkaart Ga na of je van elk begrip goed weet wat het betekent. W Formules, grootheden en eenheden Ga na of je van elke formule weet wat die betekent en in welke situatie(s) die wordt gebruikt. W Samenvatting Bestudeer de samenvatting. W Diagnostische toets Test je kennis over de leerstof in dit hoofdstuk.

KEUZEONDERWERPEN De theorie in dit hoofdstuk gaat over wat het menselijk lichaam moet doen om gezond te kunnen sporten. Hiernaast staat een aantal keuzeonderwerpen waarin je dieper ingaat op deze materie.

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

K4.5 Afsluiting Menselijk lichaam

A

38

EINDOPGAVEN

P RO B L E E M O P LO SS E N Je kunt een aantal eindopgaven stapsgewijs uitwerken.

88 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.

89 Als je meer dan 1 uur sport is het belangrijk tijdens het sporten te eten en te

C

EP

T

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. a Bereken hoeveel gram glucose de wielrenner moet eten om het energieverlies 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.

90 Een marathonloper loopt de marathon in 2 uur en 10 minuten. De marathonloper

N C O

Figuur 51

levert daarbij een mechanisch vermogen van 35 W. a Bereken hoeveel arbeid de marathonloper geleverd heeft. b Hoeveel energie moet de hardloper na afloop aanvullen? c Hoeveel benzine zou een auto met een rendement van 15% verbruiken als deze dezelfde arbeid verricht?

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

b

T (°C)

mwater (g/m3)

-5

3,24

0

4,84

5

6,8

10

9,4

15

12,8

20

17,3

25

23

30

30,3

Figuur 52 De maximale hoeveelheid water die lucht kan bevatten afhankelijk van de temperatuur.

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.

92 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. 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 52 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.

39

A

e f g h i

Menselijk lichaam K4.5 Afsluiting

Bereken hoeveel warmte Jaco tijdens de race kwijtraakt door straling. Bereken hoeveel warmte Jaco is kwijtgeraakt door zijn ademhaling. Hoeveel liter bloed is er tijdens deze race door Jaco’s hart verpompt? Bereken het totale bloedvolume van Jaco. Bereken hoeveel keer zijn totale bloedvolume gemiddeld door zijn hart is verpompt tijdens de wedstrijd.

93 Tijdens de Tour de France moeten de wielrenners enkele etappes rijden in de

C O

N

C

EP

T

Alpen. Zij klagen dan over de nadelen die ze ondervinden van de ijle lucht. a Leg uit welke tegenwerkende krachten de spieren van de wielrenner moeten overwinnen. b Leg uit wat dat betekent voor de zuurstofbehoefte van de renner. 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 altijd op hoog gelegen wielerbanen. f Leg uit waardoor deze wielrenners van de lage luchtdruk meer voordeel dan nadeel ondervinden. Dat grotere voordeel geldt blijkbaar niet voor de renners in de Alpen. g Leg uit waardoor het nadeel voor deze renners groter is dan het voordeel.

Figuur 53

Antwoorden op rekenvragen

Antwoorden op rekenvragen K4

EP

T

78 a A = 1,7 m2 b P = 9,0 · 102 W d 20% e t = 11s 79 a Paul: A = 1,9 m2; Quinten: A = 1,8 m2 b 11% c 75% 80 a E = 4,0 · 102 J b Eper minuut = 8,6 · 102 J c 19% d 24% 81 11 min 89 a m = 1,5 · 103 g b Q = 9,4 MJ c m = 2,1 kg d V = 2,1 l 90 a E = 2,7 · 105 J b E = 1,1 MJ c V = 55 ml 91 a 10% 92 a W = 9,3 · 104 J b Wper tree = 1,2 · 102 J c P = 2,3 · 102 W d F = 63 N e E = 0,39 MJ f E = 1,9 · 102 J per ademhaling g V = 73 l h V = 5,5 l i 13x

C N

C O

6 a Fw,r = 6,7 · 102 N b Fw,l = 28 N c Fvw = 7,0 · 102 N 7 a P = 0,2 kW b P = 4,5 kW c Q = 2 MJ 27 a V = 5,6 l b V = 0,87 l c V = 2,8 tot 4,3 l d V = 13 l e t = 27 s f 1035x 29 a t = 15 ms 50 a ∆h = 16 cm b W = 1,3 · 102 J c W = 1,9 · 102 J 51 a E = 12 tot 15 MJ b m = 1,5 · 103 tot 1,8 · 103 g c m = 0,75 · 103 tot 0,90 · 103 g 52 a E = 3,4 · 105 J b E = 68 tot 85 kJ c h = 83 tot 1,1 · 102 m d 4,6 · 102 tot 6,0 · 102 treden 77 a E = 9,0 MJ b 57% d E = 3,9 MJ e F = 94 N

A

40

41

A

Register

Register

C centrale zenuwstelsel 10 D doping 25 E ECG (elektrocardiogram)

17

P P-top 17 Q QRS-complex 17 R receptor 8 reflex 12 relatieve vochtigheid 31 rendement 22

C O

N

C

G gehoordrempel 9

H hartcyclus 17 homeostase 11 hormonen 10

S sinusknoop 17 spieren 15 spiervezel 19 straling 6, 27 stroming 6, 27 T T-top 17 V verdamping 27, 31 vermogen 20 W warmtebalans 27

T

B bloedsomloop 10 bloedvolume 14

geleiding 6, 27 gevoeligheid 9 gevoelstemperatuur 35

EP

A actiepotentiaal 12 ademhalingsfrequentie 14 ademvolume 14 arbeid 19 av-knoop 17

Z zenuwen 10 zintuig 8

A Illustratieverantwoording Omslagbeeld Omslag: Arnold Bartman Fotografie, Haarlem Corbis: inzetfoto, achterzijde

Fotobeeld IStockPhoto: silhouet Shutterstock: Dirima, 4; Radu Razvan, 5, 39; Mark Winfrey, 7; Tatjana Romanova, 9(b); Piotr Krzeslak, 9(o); Lightspring, 11; Udaix, 14(b); Kaliva, 21(b); Maxisport, 21(o); Haru, 28 (b); Peter Bernik, 28 (o); Jaromir Chalabala, 29; Annekea, 30; Anna Grigorjeva, 33 (o); Dm_Cherry, 35; Jan de Wild, 38 TU Delft, 24

Illustraties Erik Eshuis, Groningen: 25, 26

T

Technisch tekenwerk Een Sterk Verhaal, Amersfoort

EP

Ontwerp, opmaak en beeldresearch

C O

N

C

Michelangela, Utrecht

42

43

A

Colofon Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff is dé educatieve mediaspecialist en levert educatieve oplossingen voor het Primair Onderwijs, Voortgezet Onderwijs, Middelbaar Beroepsonderwijs en Hoger Onderwijs. Deze oplossingen worden ontwikkeld in nauwe samenwerking met de onderwijsmarkt en dragen bij aan verbeterde leeropbrengsten en individuele talentontwikkeling. ThiemeMeulenhoff haalt het beste uit élke leerling. Meer informatie over ThiemeMeulenhoff en een overzicht van onze educatieve oplossingen: www.thiememeulenhoff.nl of via de Klantenservice 088 800 20 15

ISBN 978 9006 31280 5 Vierde druk, eerste oplage, 2014 © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2014

EP

T

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.

C

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.

N

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.

C O

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

T

EP

C

N

C O

Newt n

B B B B B B B

B B

Eindredactie Jan Flokstra Aart Groenewold

EP

B

C

B

Bas Blok Mark Dirken Jan Flokstra Aart Groenewold Kees Hooyman Carolien Kootwijk Koos Kortland Pieter Lukey Peter Over Michel Philippens Pier Siersma

N

B

C O

B

T

HET PLEZIER VAN ZELF ONTDEKKEN EN ONDERZOEKEN

www.newton-online.nl