Proef 3M 3.5b De stabiliteit van drie blokken

7 mei • Valk, Ton van der

Doel van de proef is dat leerlingen ervaren dat de stabiliteit van een voorwerp afhangt van de hoogte van het zwaartepunt boven het steunvlak en van de grootte van het steunvlak.

Benodigheden:

  • Uit de lestrolley: drie blokken met verschillend volume maar gelijke massa
  • Drie afgesloten vierkante melk- of vruchtensappakken, de een vol water (of sap), de tweede half vol en de derde leeg.
  • Rechthoekig stuk stevig karton of triplex
  • Schietlood (kraal of schroef aan een touwtje)

Voorbereiding:

Zet een lijn op de plank. Zet de drie blokken op die lijn (zie foto). Maak een kleine barrière langs die lijn, die ervoor zorgt dat de blokken niet gaan schuiven als de plank schuin gehouden wordt. Dat kan bijv. door een stukje plakband met een hobbel langs de lijn de plakken.

Zie hier voor een mogelijke uitvoering van de proef.

1. Toon de plank met de drie blokken aan de leerlingen. Benadruk wat er hetzelfde is aan de drie blokken: hun massa (dus de zwaartekracht erop); hun grondoppervlak (lengte en breedte). Alleen hun hoogte is verschillende (door het verschil in materiaal: ijzer, aluminium, plastic).

Stel de vraag: welke van de drie blokken zal bij de kleinste hoek omvallen? Ongetwijfeld zullen de leerlingen zeggen: het langste blok valt het eerste om en het kortste het laatste. Doe de proef en het zal blijken dat ze gelijk hebben. Stel dan de vraag ‘waarom valt de langste om blij de kleinste hellingshoek?’ Leerlingen zullen iets zeggen als: ‘omdat hij de langste is’ of ‘door zijn lengte’.

2. ‘Dan zullen we eens kijken of twee even lange voorwerpen gelijk omvallen’. Zet het volle en half volle sappak op de plank en stel weer de vraag welke bij de kleinste hellingshoek zal omvallen. Sommige leerlingen zullen uit ervaring weten dat dat het volle pak is. Bij de vraag waarom die het eerste omvalt, zullen ze zeggen: ‘omdat het volle pak het zwaarste is’. Wellicht is er ook een leerling die zegt: ‘omdat al het water bij het half volle pak onderin zit’.

3. ‘We zullen (eerst) eens kijken of de zwaarte van het pak er toe doet.’ Zet de volle, halfvolle en lege sappakken naast elkaar en vraag weer: welk pak zal nu het eerste omvallen als je  de hellingshoek vergroot?’ Zie hier een filmpje met een mogelijke uitvoering van deze proef.

Het blijkt dat het volle en het lege pak bij vrijwel dezelfde hellingshoek omvallen. Conclusie: het gaat om de verdeling van het gewicht over de lengte. Ofwel: het gaat om de ligging van het zwaartepunt.

4. Maar ook het grondoppervlak, de basis, doet er toe: als ik de basis vergroot door een rechthoekig stuk stevig karton (of een stuk triplex onder het lege pak te plakken, dat groter is dan het grondoppervlak van het pak, zal die minder snel omvallen.

5. Hoe zit het precies? Om dat na te gaan Bepaal ik eerste waar het zwaartepunt van het volle pak ligt: op de helft van de lengte, in het midden van het pak. Ik plak een draadje met een schroefje (‘een schietlood’) te hoogte van het zwaartepunt op het midden van de zijkant van het pak. Nu zet ik het pak weer op de plank, bij de lijn. Ik laat de hellingshoek weer toenemen. Kijk naar het schietlood: dat beweegt naarr de lijn toe. Als dat precies loodrecht boven de lijn hangt, staat het pak op het punt van kantelen. Gaat die over de lijn heen, dan kantelt het. De lijn is dan het draaipunt, rond welke het pak kantelt.

 

Conclusie: een voorwerp staat stabiel:

  1. Als het zwaartepunt zich laag in het voorwerp bevindt
  2. Als het voorwerp een brede basis heeft (de arm van Fz, dat is de afstand van de werklijn van de zwaartekracht tot de draailijn, is groot)

Leswerk