Proef 3M 4.1a Voorbeelden van arbeid

22 mei • Ton van der Valk

Doel van de proef: de leerlingen kennen het verschil tussen ‘menselijke arbeid’ en arbeid in de natuurkundige zin.

De leerlingen weten dat een kracht (natuurkundige) arbeid verricht als

  1. het 3aangrijpingspunt van de kracht wordt verplaatst in de richting van de kracht
  2. als die verplaatsing (gedeeltelijk) in de richting is van de weg of in de tegengestelde richting.

En ze weten dat de kracht geen arbeid verricht als de verplaatsing van het aangrijpingspunt loodrecht staat op de kracht.

Benodigdheden:

  • steen
  • knikker

Introductie: leg uit dat arbeid in het dagelijkse leven iets anders is dan arbeid in de natuurkunde. In het dagelijks leven kun jezelf arbeid verrichten (meestal is er dan sprake van werk waarvoor je betaald wordt of zou kunnen worden). In de natuurkunde is er sprake van arbeid als er een kracht is waarvan het aangrijpingspunt wordt verplaatst. De kracht en de weg moeten dezelfde richting hebben. Dan zeggen we: de kracht verricht arbeid.

Leg er bij het behandelen van arbeid de nadruk op dat er iets gebeurt, dat er iets verandert. Arbeid gaat over een proces. (Dit in tegenstelling tot energie: dat beschrijft een toestand. Als de toestand verandert, is er sprake van energieverandering en ook van arbeid.)

Geef voorbeelden van arbeid door de zwaartekracht, zoals de hier volgende.

 

Voorbeeld 1: een steen valt: geen menselijke, maar wel natuurkundige arbeid

Neem een steen en laat die vallen. Geef aan dat alleen naar het vallen wordt gekeken, het loslaten wordt buiten beschouwing gelaten. Tijdens het vallen hoeft een mens niets te doen: er is geen menselijke arbeid.

Laat zien dat het aangrijpingspunt van de zwaartekracht op de steen verplaatst wordt over de valafstand. Laat ook de richting van de zwaartekracht en de afgelegde weg zien: allebei naar beneden.

Conclusie: de zwaartekracht verricht (natuurkundige) arbeid.

 

Voorbeeld 2: een steen wordt opgeraapt: zowel menselijke als natuurkundige arbeid

Een steen ligt op de grond en een leerling raapt die op en legt hem op een tafel. Dat kost moeite dus de leerling heeft menselijke arbeid verricht.

Tijdens het oprapen werken er op de steen twee krachten: de zwaartekracht naar beneden en de spierkracht van de leerling omhoog. De aangrijpingspunten van beide krachten worden omhoog verplaatst.

De spierkracht in de afgelegde weg zijn beide omhoog gericht: daardoor verricht de spierkracht positieve arbeid.

De zwaartekracht op het voorwerp en de afgelegde weg omhoog zijn tegengesteld gericht. Daarom verricht de zwaartekracht negatieve arbeid.

 

Voorbeeld 3: een knikker rolt over de vloer: geen menselijke en geen natuurkundige arbeid

Een leerling laat een knikker over de vloer rollen. We nemen aan dat de vloer horizontaal loopt en dat de knikker geen wrijvingskracht ondervindt. We bekijken de beweging nadat de knikker op gang is gebracht. De leerling hoeft dan niets te doen: die hoeft dan geen (menselijke) arbeid te verrichten.

Op de knikker werkt een zwaartekracht omlaag. De knikker gaat echter niet omlaag of omhoog. De zwaartekracht op de knikker wordt dus wel verplaatst, maar niet omhoog of omlaag. Die zwaartekracht verricht dan geen arbeid. Want de kracht en de weg staan loodrecht op elkaar. Hetzelfde geldt tijdens het rollen voor de normaalkracht op de knikker, die omhoog gericht is.

 

Voorbeeld 4: een zwaar ding sjouwen: menselijke arbeid, maar geen natuurkundige arbeid

Een leerling sjouwt een zwaar ding door de klas. De leerling wordt er duidelijk moe van, er is dus sprake van menselijke arbeid.

Maar de zwaartekracht op het voorwerp, naar beneden gericht, wordt niet omhoog of omlaag bewogen. Die kracht verricht dus geen arbeid.

En de spierkracht op het voorwerp is omhoog gericht en even groot als de zwaartekracht. Ook die wordt niet omhoog of naar beneden verplaatst en verricht dus geen arbeid.

Hoe kan het dan dat de leerling toch moeite moet doen? De leerling moet zich inspannen om zijn spieren gespannen te houden.

Leswerk