Kinetische energie

Alles dat beweegt heeft energie in zich: een rijdende auto, een vallende steen, een stromende rivier, jij. Al deze bewegingsenergie noemen we ook wel kinetische energie.

Formule

Isaac Newton (1642-1727) wordt gezien als de grondlegger van het idee van kinetische energie. Hij had drie wetten bedacht. De eerste stelde dat er kracht nodig is om een voorwerp te laten starten of stoppen. Een boek beweegt niet vanzelf. De tweede zegt eigenlijk dat de hoeveelheid kracht invloed heeft op het voorwerp. Hoe harder je de bal gooit, hoe verder hij vliegt. De laatste wet geeft aan dat iedere actie een even grote reactie geeft. Als jij tegen een muur duwt, duwt de muur even hard terug.

Niet iedereen was het altijd eens met wat Newton bedacht. De Duitser Gottfried Leibniz en de Zwitser Johann Bernouille gingen zelf aan het werk en kwamen met een uiteindelijke, algemene formule voor beweging:

Ek = 0,5 × m × v²

Bij deze formule heb je massa (m) en snelheid (v) nodig voor het berekenen van kinetische energie (Ek). Leibniz noemde dit vis viva (naar het Latijn voor levende kracht). De Nederlandse wetenschapper Willem 's Gravesande was een groot fan van Newton, maar ook een echte empirische wetenschapper. Oftewel, hij deed graag zelf experimenten om te kijken hoe dingen werkten. Hij ging aan het experimenteren en liet kogels met verschilende massa van verschillende hoogte in een bak klei vallen. Zo zag hij verschillen in hoe diep de kogels in de klei zakten. Hiermee kon hij aantonen dat Leibniz en Bernouille gelijk had.

Beweging

Iets dat stilligt, komt alleen in beweging door energie. Iemand die juf zou kunnen worden, is een potentiële juf. Iets dat zou kunnen gaan bewegen, heeft potentiële energie. Als een bal bovenaan een heuvel ligt, beweegt hij nog niet, dus is er geen kinetische energie. Zolang de bal vlakbij de rand ligt, bestaat wel de mogelijkheid dat hij gaat bewegen. Als je hem een klein beetje verschuift en de bal rolt naar beneden, is er plotseling wel kinetische energie, want de bal beweegt. Doordat de Aarde zwaartekracht uitoefent op de bal, zal deze naar beneden rollen. Zodra hij rolt, heeft hij dus kinetische energie. Als de bal dan een andere bal raakt, wordt een deel van de energie overgegeven aan de tweede bal, die ook gaat bewegen en nu dus kinetische energie heeft.

Als je met een hamer op een spijker wil slaan, houd je de hamer eerst omhoog. Daar heeft de hamer dus potentiële energy. Als je dan de hamer naar beneden slaat, verandert de potentiële energie in kinetische energie. Op het moment dat je de spijker raakt, wordt de energie uit de hamer overgebracht op de spijker die dan (hopelijk) netjes in je bouwwerk glijdt.

Wind- en watermolens werden vroeger vaak gebruikt om dingen in beweging te brengen. Water stroomt van het hoogste punt, naar het laagste en heeft hierdoor dus kinetische energie in zich. Het water brengt deze energie over op het rad, dat ook gaat bewegen. Hierdoor gaat de paal in het midden van het rad draaien. Met een serie van raderen werd uiteindelijk bijvoorbeeld een molensteen rondgedraaid, om graan te malen. Bij een windmolen is het de beweging van de wind die de wieken laat bewegen en hiermee het mechaniek van de molen laat draaien. Toen er nog geen elektriciteit was, was dit een heel handige manier om vanalles te laten bewegen.

Opvallend

Deze Newtonpendel verliest weinig kinetisache energie en kan daardoor lange tijd blijven bewegen.

Newtonpendel

Een pendel is iets dat heen en weer beweegt, zoals een schommel. Bij een Newtonpendel kan je goed zien dat kinetische energie en potentële energie samenwerken. Als je de eerste bal optilt, geef je de bal potentiële energie. Bij het loslaten wordt dit kinetische energie. Als de bal tegen de tweede bal aankomt, gaat de energie daarin over. Maar de tweede bal kan nergens heen en geeft de energie over naar de derde en dan naar de vierde. De vijfde kan wel omhoog en deze begint dan ook te bewegen, terwijl de middelste drie stil blijven hangen. Als de vijfde bal weer tegen de vierde aankomt, gaat de energie terug naar de eerste bal.

Het is toch niet nodig om een papegaai eten te geven en een vuurpijl af te steken voordat je je servet kan gebruiken?

Rube Goldbergmachine

Rube Goldberg was een Amerikaanse tekenaar die verhalen tekende over een professor die overdreven ingewikkelde uitvindingen deed om simpele dingen mee te doen. Een Rube Goldbergmachine is dan ook een machine met heel veel onnodige onderdelen. Deze zijn vaak wel heel erg gaaf. Met allerlei huishoudspullen wordt een kettingreactie gebouwd. Vaak zet een mens de machine in gang, maar daarna blijft alles in beweging door op verschillende manieren kinetische energie door te geven.

Perpetuum mobile

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet zomaar ontstaat of verdwijnt, maar wel kan veranderen. Als de energie altijd evenveel zou blijven, zou dat betekenen dat de Newtonpendel hierboven nooit zou stoppen. Als je er wel eens een in het echt gezien hebt, weet je misschien dat het even duurt, maar dat ze wel stoppen. Dit komt doordat er kinetische energie wordt omgezet in warmte in plaats van beweging. Dit gebeurt bijvoorbeeld waar de touwtjes tegen de houder schuren en zelfs waar de bal en de touwtjes de lucht raken. Zo gaan de balletjes steeds langzamer. Een perpetuum mobile is een machine die wel eeuwig doorgaat. Dat zou betekenen dat we energie kunnen maken zonder afvalstoffen, wat natuurlijk veel beter voor het milieu zou zijn. Volgens alles dat we nu weten over natuurkunde is dit onmogelijk, maar mensen blijven het natuurlijk proberen.

Zelf doen

Een Rube Goldbergmachine is ook heel leuk om zelf te maken! Er zijn op internet veel voorbeelden te vinden en eigenlijk kan je alles gebruiken dat je in huis of op school kan vinden. Als het eenmaal in beweging is gezet, moet de machine verder alles zelf doen. NEMO Science Museum in Amsterdam heeft ook een soort Goldbergmachine. Er loopt een enorme kettingreactie door één van de zalen.

Kijk ook eens naar de exploding sticks Cobra Weave. Dit is een vlechtwerk van ijsstokjes dat je zo lang kan maken als je wil, maar als je het loslaat, ontploft het! Ook hier zie je natuurlijk potentiële en kinetische energie in terug.

Bronnen

• https://www.rubegoldberg.com/the-man-behind-the-machine/
• https://www.nemosciencemuseum.nl/nl/wat-is-er-te-doen/activiteiten/kettingreactie/
• https://www.kb.nl/themas/filosofie/willem-jacob-s-gravesande
• https://www.ensie.nl/redactie-ensie/kinetische-energie
• https://www.delta.tudelft.nl/article/kogels-een-bak-klei
• Iltis, C. Leibniz and the vis viva controversy. Isis, vol. 62, nr. 1 (1971), pp. 21–35. http://www.jstor.org/stable/228997
• Stephan, K. Warme- und Stoffubertragung (1975) 8: 1. https://doi.org/10.1007/BF02568592
• Wiegand, B.P. Newton’s second law and kinetic energy, an excerpt from an unpublished paper intended to be presented at the 74th annual international conference of the society of allied weight engineers, inc. May 2015. https://www.academia.edu/9544122/NEWTONS_SECOND_LAW_and_KINETIC_ENERGY