Experimenten

Nóg meer experimenten voor de zaterdagochtend

In mijn boek Praktisch planeetonderzoek voor de zaterdagochtend zijn een tiental experimenten opgenomen om de planeten en processen in het landschap dichter bij huis te brengen. Er talloze experimenten te bedenken die je iets kunnen laten zien van de werking of effecten van processen op de planeten. Soms moet je daarvoor een bestaat experiment in een ander jasje gieten óf het in een andere context gebruiken. Een beetje tinkeren aan de koffietafel dus! Hieronder een overzicht met de beschrijvingen en zelfgemaakte illustraties van de experimenten die ik gebouwd heb voor lezingen, publieksactiviteiten en zelfs veldexperimenten voor geologische reizen.


Pluto’s gletsjers in een regengoot

De dwergplaneet Pluto is een fascinerende ijswereld. Net als op aarde vind je er gletsjers die tussen de bergen stromen. Gletsjers zijn in feite rivieren van ijs die door bergdalen naar lager gelegen gebieden stromen. Een eigenschap van het ijs is dat het stroomt als een vloeistof op lange tijdschalen, terwijl het breekbaar is op korte tijdschalen. Bedenk maar wat er gebeurt als je met een hamer op een stuk ijs slaat; het versplinteren van het ijs staat in schril contrast met de souplesse waarmee een gletsjer door bergen stroomt. Om een gletsjers dus goed na te kunnen bootsen, heb je een materiaal nodig dat zich op een vergelijkbare manier gedraagt. Dat ‘nepijs’ maak je met witte lijm, zoals houtlijm, dat je mengt met schoonmaakvloeistof voor harde lenzen (op de ingrediëntenlijst moet ‘borax’ en/of ‘boric acid buffer’ staan). Bekijk de instructievideo van Zapplive waar ik het maken van het nepijs uitleg. Als je het ijs hebt gemaakt, dan heb je alleen nog een vallei nodig waardoor het ijs kan laten stromen. Voor een grote gletsjergoot kun je een stuk regengoot gebruiken, waarvoor je al snel een halve tot een hele liter ‘nepijs’ nodig. Met je gletsjergoot en nepijs kun je nu gaan experimenteren om te ontdekken waar gletsjers het snelste stromen, of  je kunt experimenteren met de hellingshoek waaronder een gletsjer stroomt.


Hoe vliegt een frisbee op Mars?

Mars heeft een ijle atmosfeer. De luchtdruk aan het oppervlak is ruwweg 1% van wat we hier aan het oppervlak op aarde ervaren. Wat voor gevolgen heeft dit voor processen waarin de atmosfeer en de wind op Mars een rol spelen? Met een simpel gedachte-experiment met een frisbee kun je er achter komen. Dankzij de lagere zwaartekracht op Mars zou je een frisbee verder kunnen werpen dan op aarde. De frisbee valt immers minder snel en daarom vliegt de werpschijf een stuk verder. Echter, dat voordeel van de zwaartekracht wordt teniet gedaan door de ijle lucht. De luchtstroming over de frisbee produceert hierdoor veel minder lift en vliegt dus veel slechter. Werp je dus een frisbee op Mars, dan valt deze praktisch direct uit de lucht. Je kunt het effect hier op aarde nabootsen door een frisbee ruwweg 30 keer zwaarder te maken. Als je deze zware frisbee werpt, dan vliegt deze door de lucht zoals een normale frisbee (dus zonder verzwaring) dat op Mars zou doen. Tijdens het werpen krijg je dus een gevoel voor de aerodynamische eigenschappen van een frisbee in de ijle Marsatmosfeer. En dat heeft natuurlijk óók gevolgen voor andere processen aan het oppervlak, zand verstuift veel moeilijker in de ijle lucht van Mars dan hier op aarde.

illustratie volgt later


De werking van een geyser

Wie in IJsland in de Golden Circle reist en langs de geysers Strokkur en Geysir komt, ziet bij het uitbarsten slechts een meest zichtbare proces van een geyser. Wat er onder de grond gebeurt blijft logischerwijs uit zicht. Om die reden hebt ik een demonstratie-experiment van het Exploratorium omgebouwd tot een robuustere reisversie. Zo kan ik tijdens mijn geologische reizen door IJsland in plaats van een plaatje, met dit experiment laten zien wat er onder de grond gebeurt. Mijn versie van de opstelling bestaat uit een 250 ml labfles; een 50 cm lange buis die met knelkoppelingen aan de ene kant aan de dop van de labfles is bevestigd en aan de andere kant aan een schaaltje. De warmtebron is een normale campingsgaspitje. Lees ook de ‘snack’ van het Exploratorium voor meer uitleg over het experiment en de variant met normaal glaswerk.

Geyser experiment
Hoe werkt een geyser? Met dit experiment krijg je een beeld van de ritmiek van een uitbarstende geyser. Wie het experiment verhit op een gaspit of kookplaat zal ontdekken dat het water op het kookpunt verkeert bij een uitbarsting, maar dat het na de uitbarsting weer opnieuw het kookpunt moet bereiken om (middels het ontstaan van stoom) weer tot een nieuwe uitbarsting te komen. Illustratie (c) S.J. de Vet

Vallende voorwerpen op de planeet Mercurius

De Britse wiskundige George Atwood bedacht in de achttiende eeuw een systeem met twee ongelijke gewichten en katrollen om de bewegingswetten van Newton te onderzoeken. Sindsdien noemen we een dergelijke opstelling een Atwood. Je kunt een Atwood echter ook op een ander manier gebruiken. Als je de twee gewichten in de juiste verhouding op elkaar afstemt, dan kun je de zwaarste massa laten vallen alsof het zich aan het oppervlak van planeet Mercurius bevindt. Het tegengewicht remt de val als het ware af zodat je kunt zien hoe langzaam die massa op Mercurius valt. Laat je tegelijkertijd eenzelfde mass vallen onder de aardse zwaartekracht (zonder de compensatie van een tegengewicht), dan zie je dat objecten op aarde korter over hun val doen doordat de zwaartekracht sterker is dan op kleinere planeten zoals Mercurius. Om te kijken of de valtijden in de Atwood kloppen (ivm weerstand van de katrollen), kun je de verhouding van de valtijd op Mercurius en de aarde vergelijken met de verhouding van de valtijden van de Atwood. Zie de opstelling in actie bij Zapplive.

Bouw je eigen Mercurus-Atwood
Bouw je eigen Mercurius-Atwood. Boven zie je het idee van mijn Atwood om het zichtbare effect van vallende voorwerpen op twee planeten te illustreren. Links de massa die met aardse snelheid valt, terwijl de rechter door de compensatie van het extra gewicht langzamer valt en zo een vallend voorwerp onder de zwaartekracht van bijvoorbeeld Mercurius benaderd. Lees meer over deze achtergrond van deze opstelling op deze website. Illustratie (c) S.J. de Vet

Spring een gat in de lucht op Mercurius

Wie wilt er nou niet een wandeling op een andere planeet maken? Met wat timmerwerk, een klimuitrusting en wat touwen kun je zelf een wandelingetje maken onder de zwaartekracht van een andere planeet. Ter gelegenheid van de Mercuriusovergang op 9 mei 2016 hebben we op sterrenwacht Sonnenborgh een ‘Mercuriuswandeling’ mogelijk gemaakt. Het idee erachter is eenvoudig. Doordat je aan en touw hangt en tegen een hellend oppervlak staat, ondervind je maar een fractie van de aardse zwaartekracht. Door de helling van het vlak waar je tegenaan staat en de lengte van het touw waar je aan hangt op elkaar af te stemmen, kun je dus de zwaartekracht van een ander hemellichaan nabootsen. Met een verhouding van 1:3 ervaar je de kracht die je nodig hebt om een sprongetje te maken aan het oppervlak van Mercurius. Of Mars. De twee rotsplaneten hebben ondanks hun andere inwendige opbouw eenzelfde zwaartekracht aan het oppervlak.  Je kunt deze aanpak natuurlijk ook gebruiken om de zwaartekracht op andere hemellichamen te ervaren. Met wat rekenwerk kun je ook de verhoudingen vinden waarbij je zwaartekracht op de maan kunt nabootsen (17% van de aardse zwaartekracht), dat op de dwergplaneet Pluto (8%) of zelfs van een grote rotsplanetoïde zoals Vesta (2,5%).

Zwaartekrachtwandeling
Ervaar zelf eens de sterkte van Mercurius’ zwaartekracht. De zwaartekracht op Mercurius is slechts 38% van dat op aarde. Voor het gemak gaan we hier uit van een derde (33%), zodat de verhoudingen van de het hellende oppervlak en dat tussen het bevestigingspunt aan de muur en de afstand uit de muur 1:3 bedragen. Het statische klimtouw (een touwsoort die geen rek heeft) compenseert een deel van de aardse zwaartekracht, zodat je met een fractie van die zwaartekracht tegen het hellende oppervlak wordt getrokken. Die kracht noemen we de normaalkracht en die is in deze opstelling vergelijkbaar met de zwaartekracht op Mercurius. Als je afzet met je benen, dan voel je dus hoeveel spierkracht je nodig hebt om met een sprongetje los te komen van het Mercuriusoppervlak. Naar het concept van Paul Doherty. Illustratie (c) S.J. de Vet

Gekantelde planeetbanen en planeetovergangen

Met een tweetal hoepels en twee bolletjes kun je laten zien dat door de kanteling van de planeetbanen verantwoordelijk is voor de relatieve zeldzaamheid van een planeetonvergang. Tidjens dat fenomeen zie je een planeet precies voor de zon langsbewegen als een klein zwart stipje voor het oppervlak van de zon. Vanaf de aarde kunnen we alleen de planeetovergang van de planeten Venus en Mercurius waarnemen. Door de kanteling van hun baan ten opzicht van die van de aarde zien we ze alleen vaker onderlangs of bovenlangs de zon passeren, zonder dat ze precies voor de zon langsbewegen. Alleen als de planeet door de knoop beweegt (en dus de lijn zon-aarde doorkruist), dan kun je een planeetovergang zien. In onderstaande illustratie zie je hoe je in een handomdraai de twee situaties kunt laten zien. De zon staat uiteraard in het midden van de hoepels, maar is in de illustratie niet weergegeven.

Planeetovergangen, het belang van de baankanteling
Hoepels voor de banen. Het planeetbanenmodel is opgebouws uit twee hoepels waarvan de een kleiner is dan de de ander. Alleen als beide planeten precies op de knooppunten elkaar passeren, dan zien we ze op één lijn staan en vind er een planeetovergang plaats. Illustratie (c) S.J. de Vet

Bouw een ‘torsiebalans’ en zie de zwaartekracht in actie

De Britse onderzoekers Henry Cavendish ontwikkelde een ’torsiebalans’ waarmee hij de onderlinge zwaartekracht tussen vier loden bollen kon meten. Hij gebruikte het experiment in 1798 om de dichtheid van de aarde de bepalen (en dus niet om de universele zwaartekrachtsconstante G te meten, zoals vaak wordt beweerd). In het experiment hangen twee gewichten in de vorm van een halter aan een dunne draad tussen twee grotere loden bollen. De halter hangt in balans zodat de zwaartekracht van de aarde geen beweging bewerkstelligt. De enige kracht die deze halter in beweging kan zetten is de zwaartekracht die de bollen onderling op elkaar uitoefenen. Hierdoor ontstaat er een kleine en langzame verdraaiing van de halter. Je kunt zelf het Cavendish-experiment uitvoeren met behulp van twee petanque ballen en twee stuks wraklood van de hengelsportzaak. Hieronder zie je een simpele opstelling, maar dat neemt niet weg dat dit een erg technisch experiment is. Dat maakte de prestatie van Cavendish ook erg bijzonder, hij bepaalde de dichtheid van de aarde op enkele honderdsten van hedendaagse meetmethoden. Dat zichtbare effect is klein, dus je hebt een fotocamera is nodig om een timelapse te maken om de verdraaiing te zien. Ik werk momenteel aan een nieuwe versie die nog illustratiever is.

Cavendish op de keukentafel.
Cavendish op de keukentafel. Een simpele versie met materialen uit de bouwmarkt en hengelsportzaak waarmee je thuis de zwaartekracht in werking kunt zien als je er een timelapse van maakt. Je ziet de halter dan heen en weer slingeren (draaien) doordat de onderlinge zwaartekracht de halter in beweging zet en de stijfheid van de draad deze beweging tegengaat. De opstelling moet trillingsvrij en windstil gebruikt worden. Met deze afmetingen past de opstelling in een vak van de IKEA Kallax kast, maar idealiter maak je de opstelling hoger zodat de draad langer wordt en de verdraaiing beter te zien is. Het effect is subtiel (zodoende de noodzaak voor een timelaspe) en je moet net als Henry Cavendish zorgvuldig werken om de verstoringen te voorkomen. Illustratie (c) S.J. de Vet

Aardbevingen in een breukzone met spaghetti

Tektonische breuken die horizontaal langs elkaar bewegen (zogenaamde strike-slip breuken) doen dat nooit in een vloeiende beweging. Vaak zijn er contactpunten waar de breukdelen op blijven hangen. Hierdoor bouwt er spanning op die in de vorm van aardbevingen vrijkomt. Dit demonstratiemodel illustreert dat proces en is gebaseerd op een vergelijkbaar concept van het aardbevingsinstituut IRIS in de VS. In de balkjes zitten groeven waarin de ongekookte spaghettislierten worden geplaatst. Met een lijmklem worden de twee L-vormige delen ten opzichte van elkaar verschoven door de lijmklem aan te draaien; dit stelt de spanning voor die zicht opbouwt in een breukzone. Net als de contactpunten in het echt, bieden de spaghettislierten weerstand aan die opbouwende spanning. Naarmate het krachtenspel toeneemt, zullen eerst enkele spaghettislierten breken. Deze ‘voorschokken’ zijn de voorbode op het algehele falen van het breuksysteem en luiden vaak een grote aardbeving in. Die beving ontstaat als de overgebleven contactpunten massaal verbroken worden zodat de twee delen van het breuksysteem (in het experiment de houtblokken) langs elkaar schuiven.

Aardbevingsbalk om het effect van een aarbeving te illustreren. In de gleufjes worden ongekookte spaghettisliertjes gelegt. Met de hand wordt rustig de lijmklem aangedraaid, zodat er een kracht opbouwt.Zo zul je eerst een enkel speghettisliertje zien knappen, voordat de rest dat tegelijk doet. Het is synoniem voor wat er in een breukzone gebeurt, de kracht wordt zo groot dat er een kettingreactie optreed, contactpunten verbroken worden en een aardbeving ontstaat. Tekening: S.J. de Vet
Aardbevingsbalk om de werking van een aardbeving te illustreren. In de gleufjes worden ongekookte spaghettisliertjes gelegd. Met de hand wordt rustig de lijmklem aangedraaid, zodat er een kracht opbouwt. Zo kun je eerst een enkele spaghettisliert zien knappen, voordat de rest dat tegelijk doet. Het is synoniem voor wat er in een breukzone gebeurt als er een aardbeving plaatsvindt. Illustratie (c) S.J. de Vet

Op zoek naar meer inspiratie?

Gelukkig hoef je niet altijd het wiel opnieuw uit te vinden wanneer je voor een college, lezing of activiteit een experiment zoekt om je verhaal te verduidelijken. Op het internet vind je veel handige pagina’s waar demonstratie-experimenten beschreven zijn, al moet je soms wat grasduinen om een geschikte variant te vinden. Hieronder enkele websites. Tips voor andere websites zijn altijd welkom!