Toepassingen, experimenten en atoommodellen biofysica
Hoofdstuk 2 - Beweging, kinematica in 1 dimensie
Experiment van Galileo
Galileo liet twee voorwerpen van verschillende massa tegelijk vallen van de scheve toren van Pisa en toonde aan dat ze — bij
afwezigheid van luchtweerstand - tegelijk de grond raken, omdat ze met dezelfde constante versnelling vallen: de valversnelling g.
Daarmee weerlegde hij het idee dat zwaardere objecten sneller vallen dan lichtere.
Hoofdstuk 4 - Dynamica, bewegingswetten van newton
Raketten
Raketmotoren verbranden brandstof en stoten hete gassen met hoge snelheid uit (actie). Volgens de derde wet van Newton oefent
deze uitstoot een gelijke en tegengestelde kracht uit op de raket (reactie), waardoor de raket omhoog beweegt en versnelt.
Fgr = -Frg (de gracht die de raket op de gassen uitoefent is tegenovergesteld aan de kracht die de gassen op de raket uitoefenen).
De raket versnelt niet doordat de uitgestoten gassen zich tegen de aarde afstoten.
4 fundamentele krachten
1. Sterke kernkracht
Werkt op de schaal van de atoomkern (~10⁻¹⁵ m).
Houdt protonen en neutronen stevig samen in de kern.
→ Sterkste kracht, maar zeer korte reikwijdte.
2. Elektromagnetische kracht
Werkt tussen geladen deeltjes via fotonen.
Reikwijdte is oneindig, maar neemt af met afstand.
→ Verantwoordelijk voor elektriciteit, magnetisme en licht.
3. Zwakke kernkracht
Werkt op subatomaire schaal (~10⁻¹⁸ m).
Zorgt voor radioactief verval en neutrino-interacties.
→ Zeer zwak en zeer kort bereik, maar essentieel voor kernprocessen.
4. Zwaartekracht
Werkt tussen alle massa’s, met oneindige reikwijdte.
Zwakste kracht, maar dominant op grote schaal (planeten, sterren).
→ Bepaalt de structuur van het heelal.
Higgsdeeltje
Het Higgsdeeltje (Higgsboson) is een elementair deeltje dat hoort bij het Higgsveld (een soort onzichtbaar energieveld dat
overal in het heelal aanwezig is).
Waar zorgt het Higgsdeeltje voor?
- Geeft massa aan deeltjes zoals elektronen, quarks, W- en Z-bosonen.
- Maakt het standaardmodel van de deeltjesfysica compleet.
- Zonder Higgsveld zouden deeltjes met lichtsnelheid bewegen en geen atomen kunnen vormen.
Hoofdstuk 5 - Wrijving, cirkelvormige beweging, weerstandskrachten
Microscopische studies naar de oorsprong van wrijving (tribologie)
Ze gebruiken hier een Atomic force microscope (AFM) voor. Met een ultrascherpe tip
wordt een oppervlak aangetast, waarbij pieken en dalen worden gemeten met
behulp van een lasersysteem. Deze metingen creëren een afbeelding van het
oppervlak. Wrijving ontstaat doordat de pieken en dalen van twee oppervlakken in
elkaar haken.
Wrijvingskrachten in lichaam
In gewrichten zit synodale vloeistof, die de wrijving tussen botoppervlakken vermindert, wat soepele en pijnloze bewegingen
mogelijk maakt. (Hun kinetische en statische wrijvingscoëfficiënt is daardoor zeer klein.)
Wrijving: lucht als smeermiddel Maglev trein
Een Maglev-trein zweeft boven de rails dankzij magnetische krachten. Magneten in de trein en de baan stoten elkaar af →
de trein zweeft. Geen contact met de rails → geen rolwrijving. Magneten zorgen ook voor aandrijving (versnellen en
remmen).
Fysisch principe:
De trein wordt omhoog gehouden door Lorentzkrachten tussen elektromagneten. Geen contact betekent: Fwr≈0.
,Belang:
- Extreem hoge snelheden (tot 600 km/u)
- Stil, efficiënt en weinig onderhoud
- Toekomst van duurzaam transport
Wrijving: lucht als smeermiddel hovercraft
Een hovercraft zweeft boven water of land op een luchtkussen. Grote ventilatoren blazen lucht onder het voertuig → druk
op de onderkant. Hierdoor ontstaat een dunne laag lucht tussen voertuig en oppervlak. Het voertuig raakt de grond niet
→ bijna geen wrijving.
Fysisch principe:
De luchtlaag werkt als een smeermiddel: het vermindert de normaalkracht en dus ook de wrijvingskracht Fwr=μFN.
Belang:
Kan over water, modder, ijs en land bewegen en het wordt gebruikt voor reddingsoperaties, militaire toepassingen en transport op
moeilijk terrein.
Centrifuge
Een centrifuge scheidt stoffen op basis van dichtheid door centripetale kracht: zwaardere stoffen worden naar buiten geduwd,
lichtere blijven binnen. Wordt gebruikt om bloed of vloeistoffen te scheiden. Door extreem snelle rotatie (tot 13.000 g) worden
zware deeltjes (zoals bloedcellen) naar buiten geslingerd. Lichtere stoffen (zoals plasma) blijven bovenaan.
Fysisch principe:
Deeltjes met grotere massa ondervinden meer centripetale kracht → ze worden sneller naar buiten gedrukt.
Belang:
- Snelle scheiding van stoffen in medische en chemische analyses
- Essentieel voor bloedonderzoek, DNA-extractie, vaccinproductie
Centrifuge voor piloot/astronaut
Een centrifuge traint piloten en astronauten voor G-krachten door rotatie, wat centripetale versnelling simuleert. Een astronaut zit in
een cabine die ronddraait. Door de rotatie ondervindt hij een versnelling tot 30 g (30 keer de zwaartekracht). Dit simuleert de
extreme krachten die je voelt bij lancering of terugkeer in de atmosfeer.
Fysisch principe:
De astronaut beweegt in een cirkel → er is een centripetale kracht nodig om hem in die baan te houden: Fc=m⋅v2r.
Belang:
- Training voor het lichaam om hoge versnellingen te verdragen.
- Testen van piloten en ruimtevaarders op fysieke limieten.
(Als je zegt “30 g”, dan bedoel je een versnelling die 30 keer zo groot is als de normale zwaartekracht.)
30 g=30⋅9,81=294,3 m/s2
Valversnelling
g is anders op verschillende plekken op de aarde: de aarde is afgeplat aan de polen (g is daar groter dan aan de evenaar). Omdat de
aarde rond haar eigen as draait is er aan de evenaar centrifugale kracht waardoor de g daar kleiner is.
Vrije val en constante snelheid
Voorbeeld: Felix Baumgartner springt van 36 km hoogte. Felix sprong in 2012 uit een capsule in de stratosfeer (36 km
boven de aarde). Tijdens zijn val bereikte hij een eindsnelheid van 1110 km/u.
Hoe kan dit?
Hoofdstuk 6 - Zwaartekracht en synthese van newton
Waarde valversnelling op verschillende punten op aarde
De valversnelling (‘g’) varieert door hoogte, geologie en de niet-perfecte bolvorm
van de aarde, met hogere waarden in dichte gesteentegebieden.
Cavendish experiment
Twee kleine bolletjes hangen aan een stang die vrij
kan draaien. Twee grotere bolletjes worden dichtbij
geplaatst → ze trekken de kleine bolletjes aan door
zwaartekracht. Die aantrekkingskracht veroorzaakt
een draaiing van de stang. Een spiegel op de stang
weerkaatst een lichtstraal → de hoekverplaatsing
wordt gemeten op een schaal. Door de draaiing te meten, kon Cavendish de kracht berekenen en zo de
waarde van G bepalen in de formule: F=G⋅m1m2/r2 (6.1 in formularium). Hierdoor kennen we de
massa van de aarde:
, Satellieten
Satellieten blijven in een baan door de zwaartekracht, afhankelijk van massa en afstand tot het middelpunt van de aarde. Dit
evenwicht voorkomt wegdrijven of vallen.
Hoofdstuk 8 - Behoud van energie
Zwaartekracht potentiële energie: maken van gebouw
Bij het heisen van funderingspalen wordt potentiële energie opgewekt door de paal op te tillen. Bij het loslaten wordt
deze omgezet in kinetische energie om de paal diep in de grond te drijven.
Zwaartekracht potentiële energie: klok
Een slingerklok werkt door continue omzetting van potentiële energie naar kinetische energie, terwijl de slinger heen en weer
beweegt.
Zwaartekracht-typen energie: stuwmeer
Water in een stuwmeer heeft potentiële energie. Wanneer het stroomt, wordt deze omgezet in kinetische energie om turbines
via mechanische energie aan te drijven en elektriciteit op te wekken.
Pijl en boog
Werking van boog: Werkzame stuk van de boog is het houtstuk. Hoe harder je trekt aan het touw, hoe meer de boog zal
vervormen. Als je heel hard trekt, dan zal de potentiële energie heel sterk toenemen door het kwadraat in de formule (𝐸𝑝
= 𝑘𝑥^2).
Optimalisatie van beweging
Spieren werken als veren. Door bewegingen van bijvoorbeeld wielrenners te analyseren, kunnen houding en techniek
geoptimaliseerd worden. Bij deze toepassing worden de bewegingen van het been (heup, knie, enkel) en de krachten op de pedaal
nauwkeurig vastgelegd met motion-capture, krachtmeters en videoanalyse. Uit die data worden kinematische (hoek, snelheid,
versnelling) en dynamische (kracht, moment) grootheden afgeleid om te zien waar energie verloren gaat en welke spieren het werk
doen.
Auto-vering
Een auto‑vering zoals de MacPherson‑strut combineert een veer en een demper in één unit om schokken te absorberen
en de banden contact met de weg te houden; dit zorgt voor comfort, wegligging en energie‑dissipatie bij oneffenheden.
Wat doet de veer? → De vering slaat potentiële energie op wanneer het wiel omhoog wordt gedrukt (veer), en de demper
zet die energie om in warmte om oscillaties te onderdrukken, zodat de carrosserie niet blijft stuiteren (wordt opgeslagen
als pot.E van een veer = ½ kx^2 ).
Atoomposities in een kristal
Atomen in een kristal configureren zich op een manier die de potentiële energie minimaliseert. Dit concept wordt gebruikt bij het
berekenen van kristalstructuren. Basisidee: als de interatomaire potentialen gekend zijn, kan met een krachtige computer de
atomaire structuur van een kristal berekend worden.
Moleculaire simulaties van biomoleculen
Atomistische simulaties gebruiken krachtvelden en Newtoniaanse integratie om potentiële energie en krachten te
berekenen; zo voorspellen ze structuren, bindingen en dynamica van biomoleculen en nanosystemen. Voorbeelden:
Ontwerp van geneesmiddelen, studie van virussen (H1N1), oppervlak‑adsorptie (CO₂ op SAM), materiaal‑eigenschappen
en ijsvorming; resultaten sturen experimenten en engineering‑keuzes.
Omzetting van warmte-energie naar mechanische energie
Bij stoommachines: duwt de expansie van verwarmd gas een zuiger heen en weer, wat mechanische energie genereert.
(Proces: brandstof verwarmt water in een ketel → water wordt stoom onder hoge druk → stoom expandeert in een
cilinder of turbine → de expansie drijft een zuiger of rotor aan → mechanische arbeid op as).
Fysisch principe: Energieconversie: de stoom levert drukkracht op bewegende delen; kinetische/mechanische energie kan direct
nuttig werk doen of elektriciteit opwekken via generatoren.
Belang: Industriële schaal: basis van elektriciteitsopwekking in thermische centrales, scheepsvoortstuwing en historische industriële
revolutie.
Bij mensen:
Proces: voedselmoleculen worden afgebroken (glycolyse, citroenzuurcyclus, oxidatieve fosforylering) → vrijgekomen chemische
energie wordt vastgelegd in ATP → ATP levert energie voor spiercontractie, transport en biosynthese; restenergie komt vrij als
warmte.
Belang: Levensonderhoud: zonder efficiënte omzetting naar ATP geen spierwerking, celtransport of homeostase.
Hoofdstuk 2 - Beweging, kinematica in 1 dimensie
Experiment van Galileo
Galileo liet twee voorwerpen van verschillende massa tegelijk vallen van de scheve toren van Pisa en toonde aan dat ze — bij
afwezigheid van luchtweerstand - tegelijk de grond raken, omdat ze met dezelfde constante versnelling vallen: de valversnelling g.
Daarmee weerlegde hij het idee dat zwaardere objecten sneller vallen dan lichtere.
Hoofdstuk 4 - Dynamica, bewegingswetten van newton
Raketten
Raketmotoren verbranden brandstof en stoten hete gassen met hoge snelheid uit (actie). Volgens de derde wet van Newton oefent
deze uitstoot een gelijke en tegengestelde kracht uit op de raket (reactie), waardoor de raket omhoog beweegt en versnelt.
Fgr = -Frg (de gracht die de raket op de gassen uitoefent is tegenovergesteld aan de kracht die de gassen op de raket uitoefenen).
De raket versnelt niet doordat de uitgestoten gassen zich tegen de aarde afstoten.
4 fundamentele krachten
1. Sterke kernkracht
Werkt op de schaal van de atoomkern (~10⁻¹⁵ m).
Houdt protonen en neutronen stevig samen in de kern.
→ Sterkste kracht, maar zeer korte reikwijdte.
2. Elektromagnetische kracht
Werkt tussen geladen deeltjes via fotonen.
Reikwijdte is oneindig, maar neemt af met afstand.
→ Verantwoordelijk voor elektriciteit, magnetisme en licht.
3. Zwakke kernkracht
Werkt op subatomaire schaal (~10⁻¹⁸ m).
Zorgt voor radioactief verval en neutrino-interacties.
→ Zeer zwak en zeer kort bereik, maar essentieel voor kernprocessen.
4. Zwaartekracht
Werkt tussen alle massa’s, met oneindige reikwijdte.
Zwakste kracht, maar dominant op grote schaal (planeten, sterren).
→ Bepaalt de structuur van het heelal.
Higgsdeeltje
Het Higgsdeeltje (Higgsboson) is een elementair deeltje dat hoort bij het Higgsveld (een soort onzichtbaar energieveld dat
overal in het heelal aanwezig is).
Waar zorgt het Higgsdeeltje voor?
- Geeft massa aan deeltjes zoals elektronen, quarks, W- en Z-bosonen.
- Maakt het standaardmodel van de deeltjesfysica compleet.
- Zonder Higgsveld zouden deeltjes met lichtsnelheid bewegen en geen atomen kunnen vormen.
Hoofdstuk 5 - Wrijving, cirkelvormige beweging, weerstandskrachten
Microscopische studies naar de oorsprong van wrijving (tribologie)
Ze gebruiken hier een Atomic force microscope (AFM) voor. Met een ultrascherpe tip
wordt een oppervlak aangetast, waarbij pieken en dalen worden gemeten met
behulp van een lasersysteem. Deze metingen creëren een afbeelding van het
oppervlak. Wrijving ontstaat doordat de pieken en dalen van twee oppervlakken in
elkaar haken.
Wrijvingskrachten in lichaam
In gewrichten zit synodale vloeistof, die de wrijving tussen botoppervlakken vermindert, wat soepele en pijnloze bewegingen
mogelijk maakt. (Hun kinetische en statische wrijvingscoëfficiënt is daardoor zeer klein.)
Wrijving: lucht als smeermiddel Maglev trein
Een Maglev-trein zweeft boven de rails dankzij magnetische krachten. Magneten in de trein en de baan stoten elkaar af →
de trein zweeft. Geen contact met de rails → geen rolwrijving. Magneten zorgen ook voor aandrijving (versnellen en
remmen).
Fysisch principe:
De trein wordt omhoog gehouden door Lorentzkrachten tussen elektromagneten. Geen contact betekent: Fwr≈0.
,Belang:
- Extreem hoge snelheden (tot 600 km/u)
- Stil, efficiënt en weinig onderhoud
- Toekomst van duurzaam transport
Wrijving: lucht als smeermiddel hovercraft
Een hovercraft zweeft boven water of land op een luchtkussen. Grote ventilatoren blazen lucht onder het voertuig → druk
op de onderkant. Hierdoor ontstaat een dunne laag lucht tussen voertuig en oppervlak. Het voertuig raakt de grond niet
→ bijna geen wrijving.
Fysisch principe:
De luchtlaag werkt als een smeermiddel: het vermindert de normaalkracht en dus ook de wrijvingskracht Fwr=μFN.
Belang:
Kan over water, modder, ijs en land bewegen en het wordt gebruikt voor reddingsoperaties, militaire toepassingen en transport op
moeilijk terrein.
Centrifuge
Een centrifuge scheidt stoffen op basis van dichtheid door centripetale kracht: zwaardere stoffen worden naar buiten geduwd,
lichtere blijven binnen. Wordt gebruikt om bloed of vloeistoffen te scheiden. Door extreem snelle rotatie (tot 13.000 g) worden
zware deeltjes (zoals bloedcellen) naar buiten geslingerd. Lichtere stoffen (zoals plasma) blijven bovenaan.
Fysisch principe:
Deeltjes met grotere massa ondervinden meer centripetale kracht → ze worden sneller naar buiten gedrukt.
Belang:
- Snelle scheiding van stoffen in medische en chemische analyses
- Essentieel voor bloedonderzoek, DNA-extractie, vaccinproductie
Centrifuge voor piloot/astronaut
Een centrifuge traint piloten en astronauten voor G-krachten door rotatie, wat centripetale versnelling simuleert. Een astronaut zit in
een cabine die ronddraait. Door de rotatie ondervindt hij een versnelling tot 30 g (30 keer de zwaartekracht). Dit simuleert de
extreme krachten die je voelt bij lancering of terugkeer in de atmosfeer.
Fysisch principe:
De astronaut beweegt in een cirkel → er is een centripetale kracht nodig om hem in die baan te houden: Fc=m⋅v2r.
Belang:
- Training voor het lichaam om hoge versnellingen te verdragen.
- Testen van piloten en ruimtevaarders op fysieke limieten.
(Als je zegt “30 g”, dan bedoel je een versnelling die 30 keer zo groot is als de normale zwaartekracht.)
30 g=30⋅9,81=294,3 m/s2
Valversnelling
g is anders op verschillende plekken op de aarde: de aarde is afgeplat aan de polen (g is daar groter dan aan de evenaar). Omdat de
aarde rond haar eigen as draait is er aan de evenaar centrifugale kracht waardoor de g daar kleiner is.
Vrije val en constante snelheid
Voorbeeld: Felix Baumgartner springt van 36 km hoogte. Felix sprong in 2012 uit een capsule in de stratosfeer (36 km
boven de aarde). Tijdens zijn val bereikte hij een eindsnelheid van 1110 km/u.
Hoe kan dit?
Hoofdstuk 6 - Zwaartekracht en synthese van newton
Waarde valversnelling op verschillende punten op aarde
De valversnelling (‘g’) varieert door hoogte, geologie en de niet-perfecte bolvorm
van de aarde, met hogere waarden in dichte gesteentegebieden.
Cavendish experiment
Twee kleine bolletjes hangen aan een stang die vrij
kan draaien. Twee grotere bolletjes worden dichtbij
geplaatst → ze trekken de kleine bolletjes aan door
zwaartekracht. Die aantrekkingskracht veroorzaakt
een draaiing van de stang. Een spiegel op de stang
weerkaatst een lichtstraal → de hoekverplaatsing
wordt gemeten op een schaal. Door de draaiing te meten, kon Cavendish de kracht berekenen en zo de
waarde van G bepalen in de formule: F=G⋅m1m2/r2 (6.1 in formularium). Hierdoor kennen we de
massa van de aarde:
, Satellieten
Satellieten blijven in een baan door de zwaartekracht, afhankelijk van massa en afstand tot het middelpunt van de aarde. Dit
evenwicht voorkomt wegdrijven of vallen.
Hoofdstuk 8 - Behoud van energie
Zwaartekracht potentiële energie: maken van gebouw
Bij het heisen van funderingspalen wordt potentiële energie opgewekt door de paal op te tillen. Bij het loslaten wordt
deze omgezet in kinetische energie om de paal diep in de grond te drijven.
Zwaartekracht potentiële energie: klok
Een slingerklok werkt door continue omzetting van potentiële energie naar kinetische energie, terwijl de slinger heen en weer
beweegt.
Zwaartekracht-typen energie: stuwmeer
Water in een stuwmeer heeft potentiële energie. Wanneer het stroomt, wordt deze omgezet in kinetische energie om turbines
via mechanische energie aan te drijven en elektriciteit op te wekken.
Pijl en boog
Werking van boog: Werkzame stuk van de boog is het houtstuk. Hoe harder je trekt aan het touw, hoe meer de boog zal
vervormen. Als je heel hard trekt, dan zal de potentiële energie heel sterk toenemen door het kwadraat in de formule (𝐸𝑝
= 𝑘𝑥^2).
Optimalisatie van beweging
Spieren werken als veren. Door bewegingen van bijvoorbeeld wielrenners te analyseren, kunnen houding en techniek
geoptimaliseerd worden. Bij deze toepassing worden de bewegingen van het been (heup, knie, enkel) en de krachten op de pedaal
nauwkeurig vastgelegd met motion-capture, krachtmeters en videoanalyse. Uit die data worden kinematische (hoek, snelheid,
versnelling) en dynamische (kracht, moment) grootheden afgeleid om te zien waar energie verloren gaat en welke spieren het werk
doen.
Auto-vering
Een auto‑vering zoals de MacPherson‑strut combineert een veer en een demper in één unit om schokken te absorberen
en de banden contact met de weg te houden; dit zorgt voor comfort, wegligging en energie‑dissipatie bij oneffenheden.
Wat doet de veer? → De vering slaat potentiële energie op wanneer het wiel omhoog wordt gedrukt (veer), en de demper
zet die energie om in warmte om oscillaties te onderdrukken, zodat de carrosserie niet blijft stuiteren (wordt opgeslagen
als pot.E van een veer = ½ kx^2 ).
Atoomposities in een kristal
Atomen in een kristal configureren zich op een manier die de potentiële energie minimaliseert. Dit concept wordt gebruikt bij het
berekenen van kristalstructuren. Basisidee: als de interatomaire potentialen gekend zijn, kan met een krachtige computer de
atomaire structuur van een kristal berekend worden.
Moleculaire simulaties van biomoleculen
Atomistische simulaties gebruiken krachtvelden en Newtoniaanse integratie om potentiële energie en krachten te
berekenen; zo voorspellen ze structuren, bindingen en dynamica van biomoleculen en nanosystemen. Voorbeelden:
Ontwerp van geneesmiddelen, studie van virussen (H1N1), oppervlak‑adsorptie (CO₂ op SAM), materiaal‑eigenschappen
en ijsvorming; resultaten sturen experimenten en engineering‑keuzes.
Omzetting van warmte-energie naar mechanische energie
Bij stoommachines: duwt de expansie van verwarmd gas een zuiger heen en weer, wat mechanische energie genereert.
(Proces: brandstof verwarmt water in een ketel → water wordt stoom onder hoge druk → stoom expandeert in een
cilinder of turbine → de expansie drijft een zuiger of rotor aan → mechanische arbeid op as).
Fysisch principe: Energieconversie: de stoom levert drukkracht op bewegende delen; kinetische/mechanische energie kan direct
nuttig werk doen of elektriciteit opwekken via generatoren.
Belang: Industriële schaal: basis van elektriciteitsopwekking in thermische centrales, scheepsvoortstuwing en historische industriële
revolutie.
Bij mensen:
Proces: voedselmoleculen worden afgebroken (glycolyse, citroenzuurcyclus, oxidatieve fosforylering) → vrijgekomen chemische
energie wordt vastgelegd in ATP → ATP levert energie voor spiercontractie, transport en biosynthese; restenergie komt vrij als
warmte.
Belang: Levensonderhoud: zonder efficiënte omzetting naar ATP geen spierwerking, celtransport of homeostase.
