Educatieve proeven

Tijdens zijn vlucht zal astronaut Frank De Winne twee educatieve experimenten uitvoeren. Deze experimenten zijn door middelbare scholen voorgesteld in het kader van het project "Take your classroom into space". Eén van de grote winnaars was het Rozenberg SO in Mol, met een experiment in verband met capillariteit in gewichtloosheid.

Capillariteit bestuderen

Als je een rietje in een glas frisdrank zet, dan zie je de vloeistof in het rietje iets hoger staat dan in het glas. Dit fenomeen is in de fysica bekend als capillariteit. De capillariteit is afhankelijk van de cohesie, adhesie en de gravitatiekracht. "Grote vraag was dus wat er zou gebeuren als één van deze krachten zou wegvallen," vertelt Jef Luyten, één van de ruimteleerkrachten. "Een gemotiveerd voorstel werd eind april 2008 ingezonden bij ESA en half juni van dat jaar kregen we de melding dat ons experiment als tweede gekozen was om door Frank in het ISS uitgevoerd te worden in september of oktober van dit jaar. Wat onschuldig begon is uiteindelijk een heel avontuur geworden..."

 

De spuit linksonder wordt ingedrukt om de vloeistof tussen twee wigvormig geplaatste glazen platen te spuiten.(c) Verhaert Space

Het experiment werd door de firma Verhaert Space uit Kruibeke gebouwd. Om praktische redenen kozen ze voor een andere opstelling dan een glas en een rietje. De opstijgende vloeistof kan immers in andere apparatuur terecht komen en zo een gevaar vormen voor de astronauten. Je kunt capillariteit echter ook demonstreren door twee glasplaten in een wig tegen elkaar te plaatsen in een bakje water. Daar waar de platen het dichtst tegen elkaar staan, zal de vloeistof het hoogst stijgen. Op aarde zal de vloeistof de vorm van een hyperbool aannemen. "In de ruimte is het echter niet duidelijk wat er zal gebeuren," vertelt Kyun Thibaut, projectverantwoordelijke bij Verhaert Space. "Wetenschappers zijn er zelf nog niet goed uit, maar waarschijnlijk zal heel de ruimte tussen de twee platen zich na verloop van tijd opvullen met de vloeistof."

Adhesie en cohesie - oppervlaktespanning

Heb je je al afgevraagd waarom waterdruppels niet uit elkaar vallen in de lucht? Wel, de watermoleculen worden bij elkaar gehouden door een kracht die de cohesie genoemd wordt. De cohesiekracht werkt tussen moleculen van dezelfde stof. Als die druppel daarna op een venster valt, dan blijft die daar even "plakken". Dit wordt door de adhesiekracht veroorzaakt, de kracht die werkt tussen moleculen van een verschillende stof. Als je een glas tot de rand vult met water, dan zie je mooi het samenspel van cohesie- en adhesiekracht. Aangezien het water net iets sterker door het glas dan door andere watermoleculen wordt aangetrokken, zal het water een beetje hol staan in het glas. Nog een gevolg van de cohesie- en adhesiekracht is dat er een dun vliesje op een wateroppervlak ontstaan. Een schaatsenrijder maakt hiervan dankbaar gebruik om over het water te lopen.



De schaatsenrijder ((c) Jeff Delonge, Creative Commons - bron: Wikipedia)

Hebben objecten gewicht in de ruimte?

In de natuurkunde is er een duidelijk verschil tussen gewicht en massa. De massa van een object wordt bepaald door de hoeveelheid en aard van de materie. Het gewicht is het product van de massa met de valversnelling. Op de maan is de valversnelling zes keer kleiner dan op aarde. Hierdoor is jouw gewicht op de maan zes keer kleiner dan op de aarde.

 

Als het gewichtje opzij getrokken wordt, dan gaat het te oscilleren. Het aantal oscillaties per minuut is een maat voor de massa.(c) Verhaert Space

Het Internationaal Ruimtestation ISS is constant in vrije val, waardoor objecten aan boord van het ISS geen gewicht hebben. Een gewone weegschaal, die het gewicht meet en niet de massa, werkt dus niet in de ruimte. Daarom heeft een middelbare school uit Griekenland voorgesteld om een gewichtje op te hangen tussen twee veren. Als het gewichtje naar één kant getrokken wordt, dan zal het oscilleren (over-en-weer bewegen). Het aantal oscillaties per minuut is afhankelijk van de massa van het gewichtje. Hoe zwaarder het gewichtje, hoe sneller de oscillatie.

Hoe werkt een weegschaal?

Een moderne weegschaal zit vol elektronica, maar laat ons even kijken naar een oude weegschaal met een wijzerplaat. In zulke weegschaal zit een veer die samengedrukt wordt als we erop gaan staan. Hoe zwaarder we zijn, hoe verder de veer in elkaar gedrukt wordt. In de ruimte kan een weegschaal echter niet werken, omdat de astronauten zweven. De veer wordt dan niet samengedrukt, en de wijzer van de weegschaal blijft op nul staan. Trouwens, op de maan zou zo een weegschaal schijnbaar wel werken,maar we zouden zes keer zo weinig wegen. Dit komt omdat de aantrekkingskracht van de maan zes keer kleiner is dan op de aarde. Met andere woorden: afhankelijk van waar we zijn (op aarde, op de maan of in het Internationaal Ruimtestation), is ons gewicht verschillend. Onze massa, die afhankelijk is van de hoeveelheid deeltjes in ons lichaam, blijft echter overal hetzelfde. Zouden we dan een weegschaal kunnen ontwerpen die onze massa meet en niet ons gewicht weegt?

Oscillerende veren


Een oscillerende veer (Oleg Alexandrov, public domain)

De Britse natuurkundige Robert Hooke schreef in 1676 het volgende neer: "zo de uitrekking, zo de kracht" (hij schreef dit overigens niet in het Nederlands of het Engels, wel in de wetenschappelijke taal van toen, het Latijn). Met andere woorden: hij vond een verband tussen de kracht waarmee aan een veer getrokken wordt en de uitrekking ervan, namelijk F = -k . x (kracht is de veerconstante maal de uitrekking). Enkele jaren later formuleerde een ander Brits natuurkundige, Newton (die van de vallende appel), zijn drie beroemde wetten. De tweede wet beschrijft dat de beweging van een voorwerp verandert als er een kracht op inwerkt. Dit formuleren we als F = m . a of kracht is massa maal versnelling. Een oscillerende veer is een samenspel van deze twee krachten. Na wat rekenen (of experimenten met verschillende veren) blijkt dat het aantal oscillaties per minuut niet afhankelijk is van de uitrekking van veer, maar wel van de veerconstante en de massa van het voorwerp dat aan de veer hangt. Aangezien in dit verhaal nergens de zwaartekracht voorkomt, werkt dit ook in de ruimte; dé ideale weegschaal voor astronauten!

Leven aan boord van het ISS

Naast de twee experimenten voor het middelbaar onderwijs, zal Frank De Winne ook een video opnemen voor het lager onderwijs. Deze video bespreekt het leven aan boord van het ISS, met speciale aandacht voor de eigenaardige eigenschappen van vloeistoffen in de ruimte. Het Planetarium van de Koninklijke Sterrenwacht in Brussel zal instaan voor de distributie van het videomateriaal aan de geïnteresseerde scholen. Het materiaal is bedoeld voor leerlingen van 10 tot 12 jaar en hun leerkrachten.

Is er iets onduidelijk? Heb je een fout gevonden? Mail ons!