Onderzoek naar kracht en beweging met je smartphone

Niveauaanduiding: VMBO-T, leerjaar 3 of 4 — passend bij het onderdeel Kracht en Beweging.

Inleiding

Wanneer u een winkelwagentje voortduwt, merkt u dat het wagentje sneller gaat naarmate u harder duwt. Een volle wagen vraagt bovendien meer kracht dan een lege. Deze ervaringen zijn de basis van een belangrijk natuurkundig idee: er is een verband tussen de kracht die ergens op werkt, de massa van het voorwerp en hoe snel het in beweging komt.

In dit practicum onderzoekt u dit verband op een eenvoudige manier. U gebruikt de versnellingssensor in een smartphone om te meten hoe sterk een wagentje versnelt onder verschillende omstandigheden.

Leerdoelen

Na afloop van dit practicum kunt u:

• uitleggen wat versnelling betekent in het dagelijks leven;
• beschrijven hoe een grotere kracht de versnelling van een voorwerp beïnvloedt;
• beschrijven hoe een grotere massa de versnelling van een voorwerp beïnvloedt;
• een eenvoudige meting uitvoeren met de versnellingssensor van een smartphone;
• een meetgrafiek aflezen en daaruit een conclusie trekken.

Achtergrondinformatie

Versnelling is de mate waarin de snelheid van een voorwerp verandert. Als een fietser sneller gaat trappen, neemt zijn snelheid toe: hij versnelt. Komt hij stil te staan voor een stoplicht, dan neemt zijn snelheid juist af: hij vertraagt. Vertragen is eigenlijk een negatieve versnelling.

De versnelling hangt af van twee dingen:

• De kracht die op het voorwerp werkt. Hoe groter de kracht, hoe sneller het voorwerp in beweging komt.
• De massa van het voorwerp. Hoe zwaarder het voorwerp, hoe langzamer het versnelt bij dezelfde kracht.

De smartphone bevat een ingebouwde versnellingssensor (accelerometer). Deze sensor wordt normaal gebruikt om te bepalen of u uw telefoon kantelt of niet. Met de Phyphox-app kunt u de waarden van deze sensor uitlezen en in een grafiek zetten.

Benodigde laboratoriumapparatuur

• smartphone met de gratis Phyphox-app geïnstalleerd;
• speelgoedauto, skateboard of klein wagentje waarop de telefoon kan worden vastgemaakt;
• 3 tot 5 identieke elastiekjes (om de kracht aan te brengen);
• meetlint of liniaal;
• plakband of klittenband om de telefoon vast te zetten;
• boeken of pakken (bijvoorbeeld pakken suiker) als extra gewicht;
• een gladde tafel of vlakke vloer van minimaal 1,5 meter lang.

Veiligheid

Dit practicum kent geen chemische of fysische gevaren. Wel is er een praktische voorzorg: zet de smartphone stevig vast op het wagentje, zodat hij niet eraf valt tijdens de proef. Voer de metingen uit boven een tafel of vloer waar het wagentje niet ver kan rollen, zodat de telefoon niet beschadigd raakt.

Werkwijze

Voorbereiding

1. Installeer Phyphox uit de App Store (iPhone) of Google Play (Android).
2. Open de app en kies bij de lijst experimenten voor Versnelling zonder g (Engels: Acceleration without g). Deze module meet de versnelling zonder dat de zwaartekracht meetelt.
3. Maak de telefoon stevig vast op het wagentje of de skateboard. Leg de telefoon plat met het scherm naar boven.

Deel 1 — Invloed van de kracht

1. Bevestig één elastiekje aan de voorkant van het wagentje.
2. Druk in de Phyphox-app op de startknop (driehoekje) om de meting te starten.
3. Trek met het elastiekje het wagentje vooruit. Rek het elastiekje steeds even ver uit (bijvoorbeeld 10 cm).
4. Stop de meting na ongeveer 2 seconden.
5. Lees de maximale waarde van de versnelling af in de grafiek (as: m/s²) en noteer deze.
6. Herhaal de proef met 2 elastiekjes naast elkaar en daarna met 3 elastiekjes. De uitrekking blijft steeds 10 cm.
7. Noteer de gemeten versnellingen in een tabel.

Deel 2 — Invloed van de massa

1. Gebruik nu steeds 1 elastiekje, weer uitgerekt over 10 cm.
2. Voer de meting uit met het lege wagentje en noteer de versnelling.
3. Leg één boek (of pak suiker) op het wagentje en herhaal de meting.
4. Voeg een tweede en daarna een derde boek toe en meet steeds de versnelling.
5. Noteer de waarden in een tweede tabel.

Verwerkingsvragen

1. Beschrijf in uw eigen woorden wat de versnellingssensor in de smartphone meet.
2. Wat gebeurt er met de versnelling als u meer elastiekjes gebruikt? Onderbouw uw antwoord met de meetwaarden uit Deel 1.
3. Wat gebeurt er met de versnelling als u het wagentje zwaarder maakt? Onderbouw uw antwoord met de meetwaarden uit Deel 2.
4. Stel: u wilt dat een voertuig snel optrekt. Wat zou u dan doen met de motor en wat met het gewicht van het voertuig? Leg uit waarom.
5. Noem twee oorzaken die uw meetresultaten minder nauwkeurig kunnen maken.

Uitwerkingen

1. Wat meet de versnellingssensor?
   De versnellingssensor meet hoe snel de snelheid van de telefoon verandert. Als de telefoon stilstaat of met een vaste snelheid beweegt, meet de sensor 0 m/s². Zodra de telefoon optrekt of afremt, geeft de sensor een waarde aan. De eenheid is meter per seconde per seconde (m/s²).
2. Invloed van het aantal elastiekjes:
   Hoe meer elastiekjes worden gebruikt, hoe groter de gemeten versnelling. Met twee elastiekjes is de versnelling ongeveer twee keer zo groot als met één. Een grotere kracht zorgt dus voor een grotere versnelling. De kracht en de versnelling zijn recht evenredig.
3. Invloed van de massa:
   Hoe meer boeken op het wagentje liggen, hoe kleiner de gemeten versnelling. Bij hetzelfde elastiekje (dezelfde kracht) versnelt een zwaar wagentje minder dan een licht wagentje. Een grotere massa zorgt dus voor een kleinere versnelling.
4. Snel optrekkend voertuig:
   Een voertuig versnelt sneller wanneer de motor een grotere kracht levert (sterkere motor) en wanneer het voertuig minder massa heeft (lichter ontwerp). Daarom hebben sportwagens vaak een sterke motor in combinatie met een lichte carrosserie.
5. Oorzaken van onnauwkeurigheid:
   Mogelijke oorzaken zijn onder andere: de wrijving tussen wagentje en ondergrond, de elastiekjes die niet altijd even ver uitgerekt zijn, het wagentje dat scheef wegrolt, of trillingen tijdens het optrekken die de sensor meet.

Achtergrond

De relatie die in dit practicum wordt onderzocht, is een van de drie wetten van de Engelse natuurkundige Isaac Newton (1643–1727). Hij ontdekte dat het verband tussen kracht, massa en versnelling vast ligt: kracht = massa × versnelling. In de bovenbouw van HAVO en VWO wordt deze wet kwantitatief uitgewerkt. Op VMBO-T volstaat het om te begrijpen welke richting de invloeden opgaan: meer kracht betekent meer versnelling, meer massa betekent minder versnelling.

De Phyphox-app is ontwikkeld aan de RWTH-universiteit in Aken (Duitsland) en wordt gratis ter beschikking gesteld voor onderwijsdoeleinden. De versnellingssensor in een moderne smartphone is een MEMS-sensor (Micro-Electro-Mechanical System): een chip met daarin een microscopisch klein massa-veersysteem dat de versnelling registreert.

Neem contact op voor advies of bekijk het assortiment in de webshop.