Explore Lesbrief 3, 2009
Bastienne Wentzel

30 april 2009, Explore

2009 is het internationale Darwin-jaar. Een mooie gelegenheid dus om niet alleen evolutie nader te belichten, maar ook de veranderingen die op de aarde plaatsvinden met alle gevolgen voor flora en fauna van dien. Een sterk natuurkundig karakter hebben de opdrachten over gewichtloosheid. Aanleiding is het Explore-artikel over het internationale ruimtestation ISS, waarin de intrigerende vraag wordt gesteld: hoe weeg je eigenlijk iets in de ruimte? Aanleiding om eens te onderzoeken wat gewichtloosheid is. Ten slotte willen we de Eco-marathon niet onopgemerkt voorbij laten gaan. Een groot aantal Nederlandse scholieren doet zijn best om de zuinigste auto ter wereld te bouwen. Hoe doen ze dat?

VRAGEN EN OPDRACHTEN
Darwin achterna
1            
a.Noem drie plaatsen die Charles Darwin met de Beagle heeft bezocht.
b.Probeer ze eerst te vinden op een blinde landkaart. Op welk continent ga je zoeken? Noord of zuid van de evenaar? Welk land? Waar ligt dat? Zoek daarna op waar ze precies liggen.
c.Hoe zagen die plaatsen er in Darwin’s tijd, de negentiende eeuw, uit? En nu?
d.Wat zouden de verschillen tussen toen en nu voor gevolgen kunnen hebben voor de planten en dieren in die plaatsen?

Evolutie
2            
a.Wat houdt Darwin’s evolutietheorie in?
b.Wat is ‘survival of the fittest’ volgens de theorie van Darwin?
c.Wat is een Darwinvink? Wat heeft die met evolutie te maken?
d.Wat is er zo bijzonder aan de Galápagoseilanden en de fauna daar?
e.Wat zijn de verschillen tussen de soorten Darwinvinken? Teken ze zo goed mogelijk.
f.Waarom denk je dat deze verschillen zijn ontstaan, met andere woorden wat kan de ene soort met zijn specifieke eigenschap beter dan de andere en andersom?
g.Leg uit hoe de evolutie van de Darwinvinken op de Galapagoseilanden is gegaan (zie bijv. http://www.scholieren.com/werkstukken/25940)

Doe-opdracht
De reis van de moderne Beagle wordt vastgelegd en via diverse media uitgezonden. De deelnemers, ook wel ‘Beagles’ genoemd, houden alles wat ze meemaken bij via blogs, foto’s, video’s, Google maps, chats en webcams. Eindredacteur Lex Runderkamp zegtin het artikel: “Thuis kan iedereen met ons praten en meedenken. Dus als je nog een mooi idee hebt, kom maar op!”
Bedenk een origineel onderwerp dat je zou willen vastleggen. Werk uit hoe je dat wil doen als je zelf ter plekke zou zijn, met welke media en wat je ermee wilt vertellen.

Natuurkunde zonder gewicht
3            
a. Gewichtloosheid – wat betekent dat?
b. Wat is het verschil tussen massa en gewicht?
c. Een ruimtevaartuig in een baan om de aarde, zoals de ISS, vliegt op zo’n 100 km hoogte. Daar is de zwaartekracht van de aarde niet veel minder dan op het oppervlak. Waarom zijn de astronauten daar dan toch gewichtloos?
d.Laat je liever op de maan of op de aarde een kogel van vijf kilo op je tenen vallen? En waar houd je het liefst je vingers tussen twee van deze tegen elkaar botsende kogels?

Wegen in de ruimte
4 “Een mooie huiskamervraag: hoe weeg je iemand in de ruimte? Door de gewichtloosheid is een gewone weegschaal immers onbruikbaar. Hier een weegtoestel in het ISS.”
a. Hoe werkt een ruimte-weegtoestel?
b. Teken een schema voor het weegtoestel.
c.  Welke grootheid wordt gemeten? Hoe bepaal je vervolgens daaruit de massa?

Eco-auto’s
5  
a. De auto’s in de Eco-marathon rijden extreem zuinig. Een van de Nederlandse auto’s rijdt 1 op 84. Wat betekent dat? Hoeveel liter brandstof heb je dan nodig voor 100 km?
b.  Noem een paar manieren waarop de deelnemers hun auto zuiniger hebben gemaakt.
c. Hoe kun je zelf op je brommer of in de auto zuiniger rijden?
d. De auto’s in de Eco-marathon rijden op allerlei verschillende brandstoffen. Kun je ze dan nog wel met elkaar vergelijken? Leg uit hoe jij ze zou vergelijken.

ANTWOORDEN

Darwin achterna
1
a.Bekendste plaats: Galápagos-eilanden (Ecuador). Verder: Vuurland (Argentinië), Falklandeilanden, maar ook: Tahiti, Nieuw Zeeland en Tasmanië. Een aardige engelstalige site is: http://www.aboutdarwin.com/voyage/voyage09.html
b.De Galápagos-eilanden liggen in Zuid-Amerika ten westen van de kust van Ecuador, zo ongeveer op de evenaar.
c.Zoek op of, hoeveel en wat voor mensen er leefden, hoe groot de huidige steden waren, wat voor bebouwing er was. Een idee is om de plaatsen onder de leerlingen te verdelen.
d.Grootste verandering: hoeveelheid bebouwing. In het geval van Galapagos is ook toerisme van grote invloed. Men probeert dat te beperken o.a. door quota te stellen.

Evolutie

a.Uit Wikipedia: Het beschrijft het proces waarbij erfelijke eigenschappen binnen een populatie van organismen veranderen in de loop van de generaties als gevolg van genetische variatie, voortplanting en natuurlijk selectie.

b.Natuurlijke selectie is de drijvende kracht achter evolutie. Het wil niet zeggen dat de sterkste overleeft, maar juist degene met de (erfelijke) eigenschappen die het organisme het best aan zijn omgeving aanpassen. Deze krijgt de meeste nakomelingen en geeft zijn goede genen het vaakst door. De term is overigens niet van Darwin maar van Herbert Spencer, een negentiende-eeuwse Britse filosoof en socioloog.
c. Uit Wikipedia: Op de Galápagoseilanden komen 13 soorten Darwinvinken voor. Deze vinken lijken veel op elkaar, maar hebben grote verschillen in de vorm van hun bek, afhankelijk van het type voedsel dat ze eten. Dit kan verklaard worden met behulp van natuurlijke selectie.
d. De eilandengroep is bijna geheel geïsoleerd van de buitenwereld. Daardoor zijn er vrijwel geen dieren van het vasteland op terecht gekomen en konden de dieren die er waren onafhankelijk van hun soortgenoten op het vasteland evolueren. Verder ontbreken er roofdieren. Sommige vogels verloren bijvoorbeeld het vermogen tot vliegen.
e. Behalve op Wikipedia is bijvoorbeeld op deze site beeldmateriaal te vinden: http://www.natuurinformatie.nl/nnm.dossiers/
natuurdatabase.nl/i001944.html
f. De vorm van de snavel verschilt aanzienlijk. Die heeft zich aangepast aan het soort voedsel dat in het leefgebied van de soort beschikbaar is. Zo is er een soort die voornamelijk insecten eet met een spitse snavel, een die voornamelijk planten eet en een gemengde soort. Een soort met een sterke, stompe snavel eet veel harde zaden.

Doe-opdracht
De klas kan stemmen over alle ideeen. De beste drie of vijf kunnen worden opgestuurd naar de VPRO.

Natuurkunde zonder gewicht
3
a. In natuurkundige zin: dat alle krachten op een persoon of object van alle kanten gelijk zijn. Op het aardoppervlak is de zwaartekracht sterker dan de middelpuntvliedende kracht van de draaiende aarde dus ben je daar niet gewichtloos.
b. Massa kun je omschrijven als ‘een hoeveelheid materie’ uitgedrukt in (kilo)grammen. Het gewicht van een voorwerp is de kracht die de aarde op die hoeveelheid materie uitoefent, de zwaartekracht. Het gewicht op de maan van diezelfde massa is de kracht die de maan erop uitoefent. Voor eenzelfde massa is het gewicht op de maan een stuk minder omdat de zwaartekracht daar minder is.
c. Gewichtloosheid is een situatie die onder andere ontstaat bij een vrije val. Een object in een stationaire baan om de aarde is eigenlijk continu bezig naar de aarde te vallen. Die val wordt in evenwicht gehouden door de snelheid van het object die een middelpuntvliedende kracht (naar buiten) genereert.
d. Op aarde wordt de kogel bij het vallen meer versneld en komt dus harder aan. Als je je vingers houdt tussen twee kogels die horizontaal tegen elkaar rollen, maakt het echter niets uit of je dat op de maan doet of op aarde: in beide gevallen gaat het om de traagheid van de massa en de impuls van de rollende beweging. Die hangen niet van het plaatselijke gewicht af.

Wegen in de ruimte
4

a. Van de ESA-site (http://www.esa.int/esaCP/
ESANCRZPD4D_Netherlands_0.html en http://www.newton-online.nl/assets/newton/opg-ruimteweegschl.doc): In de ruimte ligt het anders, want daar heb je geen gewicht en kun je dus ook niet wegen. (NB: Een personenweegschaal op aarde werkt doordat de gewichtskracht van de persoon zorgt voor het indrukken van een veer. Onder gewichtloze omstandigheden is deze gewichtskracht afwezig.) Hoe bepaal je dan de massa? Een team studenten van de TU Delft bedacht dat je een object tussen twee veren kunt zetten en dan kunt meten hoe het object reageert op een opgelegde trilling. Aangezien dat afhankelijk is van de massa van het object, en dat je dus zo op een alternatieve manier in gewichtloosheid toch kunt “wegen”. Deze methode wordt in de ruimtevaart vaak gebruikt voor massabepaling.

b.       
k = de veercontstante van de veren, m = de massa van het object, u is de verplaatsing van de massa. Het geheel moet ergens aan vast zitten, meestal een kooiconstructie, om de beweging in gang te kunnen zetten en te kunnen meten. Van de ‘wielen’ onder de massa wordt aangenomen dat ze wrijvingsloos lopen.

Uit: http://leeghwater.nl/index.php?option=com_vfm&Itemid=112&do=download&file=
2e+jaars+tentamens%7CWb1206+Dynamica+2%7CWb1211-+
Dynamica+2.1%7Cdyn2.1+2003-08+opg%2Buitw.pdf

c.Voor de trilling van een massa aan een veer geldt: T = 2p×Ö(m/k). Bij een bekende waarde van de veerconstante k levert een meting van de trillingstijd T dus de massa m van de astronaut: m = T2×k/(4p2).

Eco-auto’s
5
a.Met 1 liter brandstof kun je 84 kilometer rijden. Ofwel 100/84 liter voor 100 km.
b.Luchtweerstand, wrijving (wielen), lager gewicht (koolstofvezel)
c.Het Nieuwe Rijden: in versnelling uit laten rollen, snel opschakelen, niet te veel optrekken en remmen, niet heel hard rijden. Ramen open of de airco aan kost ook veel brandstof.
d. Verschillende brandstoffen hebben verschillende energie-inhoud. Ethanol heeft bijvoorbeeld een veel kleinere energie-inhoud dan diesel en benzine (zo’n 46 MJ per kg vs 30 MJ per kg, zie http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density). Maar vergelijk je per liter of per kilo? Een kilo van de ene stof kan meer plaats innemen dan van de andere. Wat is belangrijker, ruimte of hoeveelheid kilometers die je kunt rijden? De pasklare oplossing is niet voorhanden. Je kunt bijvoorbeeld een grafiek maken die de energie-inhoud (energy density) in joules per kg uitzet tegen joules per liter.

(NB de Shell Eco-marathon vergelijkt op de volgende manier http://www.shell.com/static/eco-marathon-en/downloads/pdf/sem_rules_2009.pdf: “Regardless of the fuel used, the ranking will be determined from this equivalent consumption of Shell Unleaded 95 (EU) / Shell Plus 89 (US) Petrol/Gasoline. This calculation will be performed using the net calorific value (NCV), which represents the quantity of energy released per unit mass or volume o

Deze lesbrief hoort bij Explore jaargang 36, no. 3, mei 2009. U kunt de lesbrief hier ook downloaden in pdf-formaat.