Hoofdstuk 7
Het weer
§1 De druk §2 De luchtdruk §3 Wolken
§1 De druk
In dit hoofdstuk gaan we onze atmosfeer bestuderen. We gaan o.a. kijken naar de luchtdruk en de vorming van wolken. Om de luchtdruk te begrijpen, moeten we eerst het concept druk begrijpen. In deze paragraaf gaan we dit doen.
Als je met je vinger tegen een stuk karton drukt, dan gebeurt er niet zoveel. Als je echter even hard drukt met een punaise, dan prik je met gemak dwars door het karton heen. Hoe kan dit? Het antwoord is druk. De kracht in beide gevallen is gelijk, maar in het linker voorbeeld wordt de kracht verdeelt over een grote vingertop, terwijl bij rechts de volledige kracht wordt uitgeoefend op alleen het puntje van de punaise. De krachten zijn in beide gevallen gelijk, maar de punaise oefent een grotere druk uit.
Druk is dus gelijk aan de kracht per oppervlak. We rekenen de druk als volgt uit:
$$ p = \frac{F}{A} $$
|
De SI-eenheid van de druk is pascal (Pa) en dit is gelijk aan newton per vierkante meter (N/m2). Dit betekent dat je het oppervlak in vierkante meter (m2) moet invullen in de formule om het antwoord in pascal te krijgen. In veel gevallen gebruiken we voor de druk ook N/cm2. In dat geval vul je het oppervlak natuurlijk in in cm2.
Omdat we in een aantal gevallen de druk willen uitrekenen die de zwaartekracht (Fz) uitoefent, introduceren we ook een formule voor de zwaartekracht. Er geldt:
$$ F_{z} = m \times g $$
|
De massa moet in deze formule altijd gegeven worden in kilogram. De valversnelling (g) is op aarde altijd gelijk aan ongeveer 10.
Voorbeeld
|
|
Vraag: Een blok met een massa van 25 kg wordt op de grond gezet. De onderzijde van het blok heeft een oppervlak van 30 cm2. Bereken de druk die het blok op de grond uitoefent in Pa. Antwoord: m = 25 kg Eerst berekenen we de zwaartekracht: $$ F_z = mg $$ $$ F_z = 25 \times 10 = 250 \text{ N} $$Voor de druk moeten we het oppervlak van de onderzijde van de blok eerst omrekenen naar vierkante meter: A = 30 cm2 = 0,0030 m2 Nu kunnen we de druk berekenen: $$ p = \frac{F}{A} $$ $$ p = \frac{250}{0,0030} = 83333 \text{ Pa} $$De druk die het blok op de grond uitoefent is dus gelijk aan 8,3 × 104 Pa.
|
Laten we nog een paar toepassingen bespreken waarbij druk een rol speelt. Als je op ijs loopt en het ijs begint te scheuren, dan is het verstandig om op het ijs te gaan liggen en op je buik naar de kant te kruipen. Op deze manier wordt het oppervlak (A) in contact met de grond groter. Volgens de formule "p = F/A" wordt de druk (p) dan kleiner. Als gevolg heb je een kleinere kans dat je door het ijs zakt.
Nog een voorbeeld. Waarom snijdt een scherp mes zoveel beter dan een bot mes? Dit komt doordat bij een scherp mes het snijoppervlak kleiner is. Volgens de formule "p = F/A" wordt de druk (p) hierdoor juist groter. Als gevolg kan je met een scherp mes een veel grotere druk uitoefenen en dus kan je beter snijden.
Hieronder zien we nog twee voorbeelden. Links zien we rupsbanden om de wielen van een tank. Deze banden hebben een groot oppervlak. Dit verlaagt de druk die de tank op de grond uitoefent, waardoor de tank niet snel wegzakt in bijvoorbeeld modder. Rechts zien we rijplaten die worden neergelegd als een weg opgebroken wordt, maar de weg toch begaanbaar moet blijven voor fietsers. Fietsen over zand is niet handig. De dunne fietsbanden hebben namelijk een klein contactoppervlak en als gevolg daarvan oefenen ze een grote druk uit op het zand en zakker ze er in weg. Door rijplaten neer te leggen, wordt de zwaartekracht van de fiets en de bestuurder verdeeld over een veel groter oppervlak. Hierdoor wordt de druk kleiner en zak je dus niet meer weg.
(Afbeelding: DanielCD; CC BY-SA 3.0 / ...)
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§2 De luchtdruk (GEEN CE-STOF)
In deze paragraaf gaan we het concept druk uit de vorige paragraaf gebruiken om de luchtdruk te begrijpen.
Ook gassen oefenen druk uit. Het bekendste voorbeeld hiervan is de luchtdruk. De luchtdruk ontstaat door het botsen van de deeltjes waaruit de lucht bestaat. De luchtdruk is groter dan mensen vaak denken. Lucht heeft een kleine dichtheid, maar de volledige massa van alle lucht boven ons hoofd is behoorlijk groot. In de afbeelding hieronder zien we de lucht die zich boven één vierkante meter aardoppervlak bevindt. We noemen dit een luchtkolom. De massa van alle lucht in deze kolom is 10 130 kg!
Met deze gegevens kunnen we luchtdruk op zeeniveau uitrekenen. Eerst rekenen we de zwaartekracht van de lucht uit:
$$ F_z=mg $$ $$ F_z= 10 130 \times 10 = 101 300 \mathrm{\ N} $$En hiermee berekenen we de luchtdruk:
$$ p = FA $$ $$ p = 101 300 \times 1,0 = 101 300\ \mathrm{Pa} $$De luchtdruk is dus gelijk aan 101 300 Pa.
In het dagelijks leven merken we relatief weinig van de hoge luchtdruk. Dit komt doordat de luchtdruk zichzelf meestal in evenwicht houdt. De luchtdruk die bijvoorbeeld op de bovenkant van je arm werkt, is even groot als de luchtdruk die op de onderkant van je arm werkt.
De grootte van de luchtdruk wordt wel merkbaar in het volgende experiment. In de onderstaande linker afbeelding zien we twee halve bollen die losjes tegen elkaar aangelegd zijn. We noemen dit de Maagdenburger halve bollen. De lucht van buiten drukt de halve bollen tegen elkaar aan, maar de lucht aan de binnenkant biedt een even grote tegendruk. Als gevolg merk je ook hier niets van de luchtdruk en kunnen we de halve bollen moeiteloos weer van elkaar afhalen. Maar dan pompen we de lucht aan de binnenkant weg. Er ontstaat dan een zogenaamd vacuüm tussen de halve bollen. Als gevolg valt de tegendruk weg. De lucht drukt nu alleen nog vanaf buiten tegen de halve bollen (zie de rechter afbeelding). In dit geval krijgt zelfs de sterkste man op aarde de halve bollen niet uit elkaar getrokken!
Sterker nog, in de 17de eeuw is geprobeerd met zestien paarden de bollen uit elkaar te trekken, maar ook dit lukte niet!
Laten we nu de atmosfeer nader bestuderen. De atmosfeer is een relatief dun laagje lucht dat door de zwaartekracht bij de aarde wordt gehouden. Ongeveer driekwart van de massa van de atmosfeer bevindt zich binnen 15 km van het aardoppervlak. Hoe hoger je in de atmosfeer komt, hoe minder lucht er boven je bevindt en hoe lager de luchtdruk dus wordt. In het onderstaande diagram kan je zien hoe de luchtdruk verandert met de hoogte. Je kan dit diagram ook vinden in BINAS. De grafiek wordt op een slimme manier gebruikt in bijvoorbeeld een vliegtuig. Door de luchtdruk buiten het vliegtuig te meten, kan je met deze grafiek de hoogte van het vliegtuig bepalen.
Het verschil in druk kan je al meten als je een paar verdiepingen omhoog of omlaag gaat in een gebouw. We kunnen dit zien met behulp van een simpele barometer (zie de onderstaande afbeelding). We zien hier een erlenmeyer met daarin een laag water. In de erlenmeyer zit een rubberen dop met een gat erin waarin je een dun buisje kan steken. Op deze manier is de lucht binnen de erlenmeyer niet meer in aanraking met de lucht buiten de erlenmeyer. Als je met deze fles een paar verdiepingen omhoog gaat, dan zal de buitenluchtdruk lager worden. Als gevolg duwt de grotere luchtdruk in de fles het water een klein stukje omhoog door het buisje. Bij elke 10 meter dat je stijgt zie je bij dit experiment een stijging van het water van ongeveer een centimeter.
(Afbeelding: Tace; PD-modified)
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§3 Wolken (GEEN CE-STOF)
In deze paragraaf bespreken we de vorming van wolken.
Wolken bestaan uit kleine waterdruppels. Deze druppeltjes ontstaan als de waterdampmoleculen in de lucht aan elkaar beginnen te plakken. Als de temperatuur van de lucht te hoog is, dan bewegen de watermoleculen hier te snel voor, maar als de temperatuur onder het dauwpunt komt, dan lukt dit wel. We zien dit bijvoorbeeld bij de vorming van mist en wolken (zie de onderstaande afbeeldingen).
Bij hogere temperatuur kan de lucht dus meer waterdamp vasthouden zonder dat er druppels vormen. Koude lucht kan juist weinig waterdamp vasthouden en als gevolg vormen druppels hier al snel. Dit verklaart waarom mist en dauwdruppels vaak vormen in de ochtend, wanneer de lucht na de nacht flink is afgekoeld.
In het onderstaande diagram kan je zien hoeveel gram aan waterdamp een kubieke meter lucht kan vasthouden totdat het dauwpunt bereikt is. In het diagram lezen we bijvoorbeeld dat bij een temperatuur van 5 graden Celsius het dauwpunt al bereikt is als er iets meer dan 5 g/m3 waterdamp in de lucht zit. Bij 40 graden Celsius kan de lucht wel 48 g/m3 waterdamp vasthouden.
Het komt daarom geregeld voor dat er in een hete woestijn meer waterdamp in de lucht zit dan op een koude mistige winterdag in Nederland!
Met het dauwpunt kunnen we ook de luchtvochtigheid berekenen. De luchtvochtigheid geeft ons het percentage van de hoeveelheid waterdamp (in g/m3) in vergelijking met de maximale hoeveelheid waterdamp bij het dauwpunt. Als de temperatuur bijvoorbeeld 10 oC is, dan lezen we in het diagram af dat er bij het dauwpunt 8 g/m3 waterdamp in de lucht zit. Stel er zit 4 g/m3 waterdamp in de lucht, dan vinden we een luchtvochtigheid van:
$$ \text{luchtvochtigheid} = \frac{\text{g/m}^3 \text{ waterdamp in de lucht}}{\text{g/m}^3 \text{ waterdamp bij dauwpunt}} \times 100 $$ $$ \frac{4}{8} \times 100 = 50 \% $$Als het dauwpunt bereikt wordt of zelfs overschreven wordt, dan zeggen we dat de luchtvochtigheid 100% is.
Het dauwpunt van lucht kan ook bereikt worden als lucht een paar kilometer omhoog verplaatst. Eerder in dit hoofdstuk hebben we gelezen dat de luchtdruk kleiner is op grotere hoogte. De kleinere druk zorgt ervoor dat de lucht uitzet en als gevolg neemt de temperatuur af. Als de temperatuur hierbij onder het dauwpunt komt, dan ontstaan wolken. De hoogte waarbij dit gebeurt noemen we het condensatieniveau. Maar hoe krijgen we lucht zo ver omhoog? Dit gebeurt bijvoorbeeld als lucht een berg opwaait (zie de onderstaande afbeelding). Dit verklaart waarom we vaak wolken rond bergtoppen zien.
Nederland heeft dan wel geen bergen, maar wolken kunnen ook vormen als koude lucht richting warme lucht beweegt (zie de onderstaande afbeelding). De koudere lucht heeft een hogere dichtheid en als gevolg blijft het laag bij de grond. De warme lucht heeft een lage dichtheid en wordt door de koude lucht omhoog gedrukt. Bij het opstijgen koelt de warme lucht af. Als de temperatuur onder het dauwpunt komt, dan ontstaan er wolken.
Dit proces is vaak zichtbaar aan de kust. Op een zonnige dag waait er aan de kust een wind vanaf de zee richting de kust. Dit noemen we ook wel de zeebries. De zeebries ontstaat doordat het land sneller opwarmt dan de zee als het wordt beschenen met zonlicht. Vervolgens maakt de warme grond de lucht erboven warm. De lucht boven het land zet daardoor uit en stijgt hierdoor op. Op grote hoogte is de druk in de rechter kolom nu groter dan de druk in de linker kolom. Hierdoor begint lucht naar links te waaien. Als gevolg hiervan ontstaat een circulaire stroming van lucht (zie de onderstaande afbeelding). In het hoofdstuk "Warmte" hebben we gezien dat ditzelfde proces ook optreedt als we lucht in een kamer verwarmen met een verwarming. We spraken toen van warmtestroming.
Als laatste bespreken we onweerswolken. Zoals je in de rechter afbeelding kan zien, zijn dit extreem dikke wolken. Deze wolken ontstaan als de dichtheid van de wolk kleiner is dan de dichtheid van de omliggende lucht. In dat geval gaat de wolk opstijgen. De wolk stopt met stijgen wanneer de dichtheid van de wolk gelijk wordt aan de dichtheid van de omgeving.
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
| BINAS: | |
| 7-12 | Formules |
| 26 | Luchtdruk en hoogte |