NATUURWETENSCHAPPEN BINNEN PAV
Energie en omzettingen
Leander Vertenten
Inhoud
6.3. Energieomzettingen ... 2
Inleiding ... 2
6.3.1. Wat is energie? ... 2
Energievormen: ... 2
6.3.2 Energiebronnen ... 4
Directe en indirecte energiebronnen: ... 4
Duurzame energie: ... 4
Energie efficiëntie ... 4
6.3.3. Energieomzettingen ... 5
6.4 Bewegings- en overbrengingsprincipe ... 6
6.4.1 Overbrengingen ... 6
6.4.2 van een rechtlijnige naar een rechtlijnige beweging. ... 6
Hefbomen ... 6
Hydraulische en pneumatische systemen ... 8
Katrollen ... 8
6.4.3 Van een ronddraaiende naar een ronddraaiende beweging ... 8
Tandwielen ... 8
Draairichting ... 9
Draaisnelheid ... 9
6.4.4. Van een ronddraaiende naar een rechtlijnige beweging ... 9
6.4.5. Van een rechtlijnige naar een ronddraaiende beweging... 9
Functionele situaties ... 10
Beeldmateriaal ... 11
Energiebronnen: ... 11
Energieomzettingen: ... 11
Bewegings- en overbrengingsprincipes: ... 11
Proefjes voor in de klas ... 12
Proef 1: ... 12
Proef 2: ... 12
Proef 3: ... 12
Proef 4: ... 12
Proef 5: ... 12
6.3. Energieomzettingen
Inleiding
Waarover gaat het hier?
Langs de ene kant gaat het hier over het woord “energie” en langs de andere kant gaat het over het woord “omzetten”.
Eerst wordt het begrip energie verklaard en vervolgens worden verschillende energiebronnen toegelicht.
Naar het einde toe worden er een hele reeks energieomzettingen voorgesteld.
6.3.1. Wat is energie?
Energie is de capaciteit of de mogelijkheid om arbeid te verrichten.
Wat bedoelt men hiermee?
We hebben steeds energie nodig om iets te doen werken of om een inspanning te leveren.
Wanneer er een arbeid wordt verricht, dan wordt er energie verbruikt. Bij het begrip arbeid bedoelen we niet naar je werk gaan en je job uitvoeren. In deze context bedoelen we hiermee dat wanneer je fietst, moet je duwen op je trappers om voorwaarts te gaan. Dit bedoelen ze met arbeid.
In het dagelijkse leven heeft dit een volledige andere betekenis.
➢ Net zoals je gsm elektrische energie verbruikt om te werken.
Wat men eigenlijk wilt zeggen, is dat wanneer er een arbeid wordt verricht de energie van de ene vorm in de andere vorm wordt omgezet.
➢ Wanneer je je gsm gebruikt dan wordt de energie in de batterij van je gsm verbruikt om je gsm te laten werken.
Het woord verbruikt is niet helemaal correct. Het suggereert dat de opgewekte energie helemaal verdwijnt. Maar dit is niet correct. De energie wordt enkel omgezet naar een andere energievorm en hierbij soms overgedragen naar een andere energiebron.
Energievormen:
Er zijn heel wat energievormen: warmte-, elektrische-, bewegings-, geluids- en lichtenergie.
We moeten onderscheid maken tussen energie die aan energiebronnen toegewezen kan worden zoals potentiële en kinetische energie. Er bestaan ook energievormen die enkel bestaan bij energieomzettingen tussen energiebronnen, zoals licht en warmte.
Hierbij komen nog twee andere energievormen die in dit deel worden besproken namelijk:
➢ Chemische energie: De energie die opgeslagen is in fossiele brandstof of kaarsvet. Deze wordt aangewend door een chemische reactie en op deze manier komt de inwendige energie vrij.
➢ Potentiële energie: De energie die potentieel later kan vrijkomen.
Potentiële energie is de energie die een energiebron bezit ten gevolge van haar positie in een krachtveld.
Elektrische energie, gravitatie energie, elastische energie, kernenergie en magnetische energie zijn dus voorbeelden van potentiële energie.
Weetje
Ook enkele dieren zijn in staat om elektrische energie op te wekken; kijk maar eens naar het voorbeeld van de sidderaal die door elektrische schokken een alligator kan lam krijgen:
https://www.youtube.com/watch?v=zbccKVwDT44
Laten we teruggaan naar onze gsm. Wanneer de batterij van onze gsm plat is dan werkt onze gsm niet meer. Dus de aanwezige energie is volledig omgezet naar lichtenergie om het beeldscherm te doen werken.
We hebben dus een energiebron nodig om steeds opnieuw onze batterij op te laden.
6.3.2 Energiebronnen Wet van behoud van energie
De wet van behoud van energie is een natuurwet dat zegt dat de totale hoeveelheid energie in een geïsoleerd systeem constant blijft. Een gevolg hiervan is dat de energie niet kan worden vernietigd of gecreëerd kan worden. Het kan alleen worden omgezet van de ene in de andere vorm, bijvoorbeeld van chemische energie naar kinetische energie.
Directe en indirecte energiebronnen:
De zon is een hele belangrijke energiebron en levert direct energie in de vorm van warmte en licht.
Energie uit wind en waterkracht komt uiteindelijk indirect van de zon. De stromingen en de bewegingen van de wind komen voort uit de warmte van de zon.
Elektriciteit is zeer belangrijk voor ons. Dit door de vele voordelen die het heeft. Het kan op zijn beurt dan weer gemakkelijk omgezet worden naar andere vormen van energie zoals licht en warmte, opgewekt worden in elektriciteitscentrales of getransporteerd
worden via het elektriciteitsnet maar het is geen energiebron.
Energiebronnen zijn hoeveelheden materie die massa bezitten en die energie bevatten.
Duurzame energie:
Fossiele brandstoffen zijn gemakkelijke en energierijke brandstoffen maar zijn echter geen duurzame energiebronnen. Over ongeveer 250 jaar zullen deze opgebruikt zijn. Dit is ook zeer vervuilend voor het milieu.
➢ Bij steenkool: de verbrandingsgassen bevatten koolstofdioxide en houden de zonnewarmte tegen.
➢ Verbrandingsmotoren: De uitlaatgassen bevatten stikstofoxide die in combinatie met waterdamp salpeterzuur vormen. Wat leidt tot zure regen.
➢ Kernenergie: Opslag van radioactief afval.
Enkele duurzame energievormen zijn zoals wind, water en zonne-energie.
Hieronder een video rond het ontstaan van kernenergie:
https://www.youtube.com/watch?v=VhyC0mlbF60
Energie efficiëntie
Dit speelt een belangrijke rol. Hoe minder energie bij de omzetting van de ene energievorm naar de andere verloren gaat, hoe efficiënter er wordt omgegaan met de energiebron.
➢ Door het verbruik te beperken
➢ Door machines efficiënter te laten werken met minder verliezen.
Wrijvingsverliezen en geluidenergie is een verlies.
6.3.3. Energieomzettingen
Voor de uitvinding van de stoommachine werden apparaten en machines vooral aangedreven door spierkracht van mensen en dieren. De hoeveelheid kracht die de spieren kunnen uitoefenen is echter beperkt en deze raken snel vermoeid. In het begin werd de stoommachine gebruikt om de spierkracht van mens en dier te vervangen maar later werd deze gebruikt om elektriciteit op te wekken. Op deze manier kon men gemakkelijk elektriciteit omzetten naar andere
energievormen.
Drie belangrijke energievormen:
➢ Warmte
o Waterkoker: elektriciteit naar warmte o Hout: Chemische energie naar warmte
o Wrijving: Beweging van onderdelen van machines geeft wrijvingswarmte dit is helaas niet bruikbaar.
➢ Licht
o Lampen: Elektrische energie naar licht o Houtvuur: Chemische energie naar licht o Fietslicht: Bewegingsenergie naar licht
➢ Bewegingsenergie of kinetische energie
o Elektrische motor: Elektrische energie naar beweging
o Brommer: Chemische energie via verbrandingsmotor naar beweging o Waterrad: Omzetting van beweging van water naar een bewegend wiel
Rendement
Wat belangrijk is bij deze omzettingen is het rendement. Dit is de verhouding tussen de uitgaande nuttige energie en de energie die erin gaat. De meeste omzettingen zijn niet volmaakt. Enkel bij de omzetting naar warmte wordt een rendement van 100% bereikt. Bij andere omzetting treden verliezen op. Bijvoorbeeld bij een verbrandingsmotor wordt maar ongeveer 25% van de energie die in de brandstof aanwezig is in bewegingsenergie omgezet, de rest wordt via het koelsysteem afgevoerd.
6.4 Bewegings- en overbrengingsprincipe
6.4.1 Overbrengingen
In een apparaat brengt een overbrenging een beweging over van het ene onderdeel op het andere.
De aard van de beweging kan hierbij veranderen, namelijk van een rechtlijnige beweging naar een ronddraaiende beweging of omgekeerd.
Dit principe zie je terug bij alle apparaten en voorwerpen met bewegende onderdelen.
➢ Elk apparaat heeft een energiebron nodig
➢ De energiebron wordt omgezet in bruikbare bewegingsenergie
➢ De bewegende onderdelen die met elkaar verbonden zijn, zorgen ervoor dat de bewegingsenergie wordt overgebracht naar de juiste plaats.
Er zijn verschillende onderdelen die voor de overbrenging van bewegingsenergie kunnen zorgen, zoals hefbomen, katrollen en tandwielen.
Er zijn twee soorten bewegingen om bewegingsenergie over te brengen:
➢ Ronddraaiende beweging (rotatie)
➢ Rechtlijnige beweging (translatie)
6.4.2 van een rechtlijnige naar een rechtlijnige beweging.
Hefbomen
Hefbomen zijn verwerkt in talloze voorwerpen en apparaten. Deze lange staven of stangen kun je gebruiken om met een relatief geringe inspanning een voorwerp met een groot gewicht op te tillen of een weerstand kan overwinnen. Een hefboom kan ook gebruikt worden om een afstand te verlengen of zaken nauwkeuriger uit te voeren.
Wat is weerstand? Dit is het verzet of een bepaalde kracht die een ander kracht tegenwerkt.
Alle hefbomen hebben een bepaalde draai- of steunpunt waar de staaf draai of scharniert.
Er bestaan drie typen hefbomen:
➢ Primaire hefbomen
➢ Secundaire hefbomen
➢ Tertiaire hefbomen.
Het type wordt bepaald door de plaats van het draaipunt, de plek waar de kracht wordt uitgeoefend en de plek waar een weerstand moet worden overwonnen.
Primaire hefbomen
Hierbij zit het draaipunt tussen de kracht en de weerstand. (wip) Secundaire hefbomen
Hierbij zit de te overwinnen weerstand in het midden. (Kruiwagen) Tertiaire hefbomen
Hierbij bevindt de uitgeoefende kracht tussen het draaipunt en de weerstand. (pincet)
Hydraulische en pneumatische systemen
In een pneumatisch systeem wordt de kracht van samengeperste lucht gebruikt om iets te laten bewegen. De samengeperste lucht wordt via leidingen naar een cilinder geleid. In deze cilinder drukt de lucht een zuiger omhoog.
➢ Denk maar aan een bureaustoel
➢ Het openen en sluiten van bus en treindeuren
Wanneer het leidingensysteem gevuld is met een vloeistof dan spreken we over een
hydraulisch systeem. In dit systeem is de lucht vervangen door een vloeistof namelijk olie die onder hoge druk staat.
➢ Kranen en graafmachines bevatten veel hydraulische systemen.
Katrollen
Bij een katrol wordt gebruik gemaakt van een touw om gewichten of zware lasten naar boven of beneden te hijsen of te laten zakken. Dit is een veelgebruikte overbrenging die de ene rechtlijnige beweging (het naar beneden trekken van het touw) overbrengt op een andere rechtlijnige beweging (het ophijsen van een bepaalde last).
Enkelvoudige katrollen
Een enkelvoudige katrol verandert alleen de richting waarin een kracht wordt uitgeoefend. Het is niet dat het nu minder inspanning kost om de last omhoog te hijsen.
Meervoudige katrollen
Hierbij wordt de te leveren inspanning verdeeld waardoor het minder inspanning vergt. Met twee katrollen in een takel heb je maar de helft van de inspanning nodig. Bij drie katrollen is dit één derde, ….
6.4.3 Van een ronddraaiende naar een ronddraaiende beweging Tandwielen
Het eerste bewegende tandwiel noemen we het aandrijfwiel en het tandwiel of de tandwielen dat hierdoor in beweging wordt gebracht, noemen we het volgwiel.
Er bestaan twee soorten overbrengingen:
➢ Directe overbrenging
o Bij een blikopener zitten de tandwielen direct tegen elkaar.
➢ Indirecte overbrenging
o Bij de ketting van je fiets. De afstand tussen je trappers en het achterwiel wordt overbrugd doormiddel van een ketting die de energie overbrengt naar het achterwiel.
Draairichting
Als je fiets gaan de beide tandwielen verbonden door een ketting in dezelfde richting draaien. Bij een blikopener drijven de tandwielen elkaar rechtstreeks aan. Als je het ene tandwiel door middel van de draaihendel rechtsom draait, draait het andere tandwiel linksom. Dus als tandwielen elkaar grijpen verandert de draairichting.
Draaisnelheid
Het tandwiel bij je trappers is een stuk groter als het tandwiel bij je achteras. Het voorste tandwiel heeft ongeveer viermaal zoveel tanden als het achterste. Dit wilt dus zeggen dat als het voorste tandwiel één keer ronddraait, het achterste tandwiel ongeveer viermaal zal moeten ronddraaien.
Tandwielen kunnen de snelheid van een draaiende beweging vergroten of verkleinen.
6.4.4. Van een ronddraaiende naar een rechtlijnige beweging
Deze overbrenging zorgen wij zelf voor de ronddraaiende beweging, die daarna resulteert in een rechtlijnige beweging.
➢ Een lijmstift
➢ Het raampje van een auto
➢ Waterput
6.4.5. Van een rechtlijnige naar een ronddraaiende beweging
Deze overbrengingen zijn het tegenovergestelde van het vorige deel. Hierbij zorgen wij zelf voor de rechtlijnige beweging, die omgezet wordt in een ronddraaiende beweging.
➢ Fietsbel
➢ Klok
Functionele situaties
6.3.2. Energiebronnen.
1. De zon → licht en warmte
2. Elektriciteit → licht, warmte, elektrische apparaten zoals opladers van GSM’s en laptops,…
6.3.3. Energieomzettingen.
1. Warmte
o Waterkoker: elektriciteit naar warmte o Kaarsen: chemische energie naar warmte
o Wrijving: wanneer je koude handen tegen elkaar wrijft, ontstaat er warmte 2. Licht
o Lampen: elektrische energie in licht o Kaarsen: chemische energie in (kaars)licht
o Fietslamp: bewegingsenergie via fietsdynamo naar elektrische energie naar licht 3. Beweging
o Elektrische motor: Elektrische energie naar beweging (draaiende as) → elektrische toestellen zoals een mixer, een blender,…
o Automotor: Chemische energie via de verbrandingsmotor naar beweging (rijden)
6.4.2. Van een rechtlijnige naar een rechtlijnige beweging.
1. Hefbomen o Schaar o Pincet o Wipplank
o Knijptang (en ander gereedschap) o Kruiwagen
2. Hydraulische en pneumatische systemen o Bureaustoel
6.4.3. Van een ronddraaiende naar een ronddraaiende beweging
1. Fiets (indirecte overbrenging via ketting over tandwielen) 2. Blikopener (directe overbrenging tussen tandwielen)6.4.4. Van een ronddraaiende naar een rechtlijnige beweging
1. Lijmstift (onderaan draaien en stift komt naar boven) 2. Een tuinslang op een windas
3. Een bankschroef
6.4.5. Van een rechtlijnige naar een ronddraaiende beweging
1. FietsbelBeeldmateriaal
Energiebronnen:
https://www.schooltv.nl/video/vormen-van-energie-calorieen-elektriciteit-en-kernenergie/
Dit filmpje legt uit wat eigenlijk energie is en de verschillende soorten energie. Ideaal om de les mee te beginnen.
Energieomzettingen:
https://www.schooltv.nl/video/windenergie-hoe-maken-ze-van-wind-elektriciteit/
Dit filmpje legt uit hoe men energie uit wind kan halen en hoe dus een windmolen werkt. Zeer interessant wanneer je duurzame energie iets verder wilt uitdiepen en de werking van bepaalde duurzame energie wilt bespreken.
https://www.youtube.com/watch?v=0ndWyQoBxAM
In dit filmpje legt men uit hoe een dynamo werkt. Dit kan gebruikt worden bij de omzetting van fysieke beweging of kracht naar bewegingsenergie.
Bewegings- en overbrengingsprincipes:
https://www.youtube.com/watch?v=N1cDUHgBkCw&gl=BE
Het is een voorbeeld van een grote kettingreactie waar verschillende omzettingen gebeuren van rechtlijnige naar rechtlijnige bewegingen en van ronddraaiende naar rechtlijnige bewegingen. Dit kan ideaal zijn als inleiding of als voorbeeld om de leerlingen zelf uit te dagen om een kettingreactie te maken.
https://www.schooltv.nl/video/tandwielen-hoe-werken-ze/
In dit filmpje wordt uitgelegd hoe tandwielen werken. Het goede aan dit filmpje is ook dat de draaisnelheid en de draairichting wordt uitgelegd.
Proefjes voor in de klas
Proef 1:
Probleemstelling: Wat is een kettingreactie?
Onderzoeksvraag: op welke manier kan ik een bepaald soort energie omzetten naar een andere soort energie via verschillende overbrengingen?
De leerlingen krijgen een hele hoop materiaal ter beschikking om een eigen kettingreactie te maken waarin ze verschillende overbrengingen moeten verwerken.
Proef 2:
Probleemstelling: Kan een citroen een energiebron zijn?
Onderzoeksvraag: Kan men elektrische energie opwekken aan de hand van een citroen?
De leerkracht kan het proefje van onderstaande link zelfstandig laten uitvoeren door de leerlingen waarbij ze verschillende stappen zetten om zo via een citroen elektriciteit op te wekken. Dit bewijst dat zelf een citroen een chemische energiebron is die via allerlei omwegen elektriciteit kan
opwekken.
Link: https://www.proefjes.nl/proefje/231
Proef 3:
Probleemstelling: Waarom kan ik een heuvel gemakkelijker met de fiets oprijden in een lage versnelling dan in een hoge versnelling?
Onderzoeksvraag: Hoe werkt een fietsversnelling?
Dit proefje kan je gebruiken om 2 delen uit te leggen namelijk de draairichting van tandwielen en de draaisnelheid. Aan de hand van de fiets wordt het visueel voorgesteld hoe de verschillende
tandwielen draaien en hoe de snelheden verschillen in vergelijking met het aandrijfwiel.
Link: https://www.proefjes.nl/proefje/112
Proef 4:
Probleemstelling: Welke overbrengingen zijn er in bepaalde voorwerpen aanwezig?
Onderzoeksvraag: Welke overbrengingen zijn er aanwezig in ….?
De leerlingen kunnen zelf voorwerpen opsommen en deze meebrengen. De leerlingen testende verschillende voorwerpen uit individueel of in groep. Op deze manier achterhalen ze welke overbrengingen er zijn. Ook kunnen ze aanduiden waar de weerstand, de kracht en het draai- of steunpunt zich bevindt.
Proef 5:
Probleemstelling: hoe kan ik een groot gewicht verplaatsen?
Onderzoeksvraag: Wat gebeurt er wanneer ik een hefboom onder het gewicht plaats?
De leerlingen testen verschillende soorten hefbomen uit en proberen op die manier een zwaar gewicht te verplaatsen.
Proef 6:
Chemische energie
Je vindt onderaan weer een filmpje over de verbranding van magnesium. Er gebeurt een chemische reactie; dit wil zeggen dat verschillende stoffen samen gaan reageren waardoor er een reactie optreedt. Hierbij komt chemische energie vrij.
Chemische energie is dus eigenlijk de energie die opgeslagen zit in de moleculen van een stof.
Link:
https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=A8vaTzE5qC4
Nog enkele tips:
• LEGO Education Machines and Mechanisms (beschikbaar op de campus)
• Maak je eigen perpetuum mobile
• Rradiometer van Crookes
