Initiatie Materiaalleer
1) Inleiding natuurkunde
Kracht
Een kracht is = Elke oorzaak van vervorming of verandering van de bewegingstoestand van een
voorwerp. (F) (De eenheid van kracht = Newton, N = 1 kg.m/s²
Een kracht kan:
- Een “statische” werking hebben (vervorming)
Bv; Uitrekken van een elastiek, doorbuigen van een plank, indrukken van een spons
- Een “dynamische” werking hebben (beweging) = verandering van versnelling, a [m/s2]
Bv; Iets in beweging brengen, iets laten vallen, iets van richting doen veranderen, iets
afremmen
Krachten zijn vectorgrootheden = hebben een grootte + een richting
Bv; zwaartekracht naar middelpunt aarde
↕
Scalaire grootheden hebben enkel een grootte
Bv; temperatuur °C
Vectorgrootheden kunnen opgeteld worden d.m.v. een vectoroptelling:
Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt (Fr = 0), is in rust of beweegt zich
rechtlijnig voort met constante snelheid => Want ook geen wrijving
= “eerste wet van Newton”
(soortelijke) massa
De massa van een voorwerp (m) = een grootheid evenredig met de hoeveelheid materie in dat
voorwerp
= som van de massa van alle deeltjes (moleculen, atomen, ionen, subatomaire deeltjes)
m (g) = massa
m=M.n M (g/mol) = de molaire massa
n (mol) = SI eenheid hoeveelheid deeltjes
Van massa naar volume: Volumieke massa of dichtheid ρ (kg/m³)
𝑚
ρ= 𝑉
→m=V.ρ
Praktische definitie kg: bij 4°C
1kg = 1l
1m³ water = 1000 l = 1000 kg
ρ𝑊𝑎𝑡𝑒𝑟 = 1000 kg/m³ bij 4 °C (lucht is lichter dan water)
1
,Newton Actie - Reactie
Vaststelling: de versnelling halveert als de massa verdubbelt (bij even hard duwen)
F=m.a = “tweede wet van newton” a = versnelling
De eenheid van kracht = Newton, N = 1 kg.m/s² = de kracht die een voorwerp met een massa van
1kg een versnelling van 1m/s² geeft.
Twee massa’s 𝑚𝑎 en 𝑚𝑏 met afstand r tussen hun zwaartepunten trekken elkaar aan:
(𝐺. 𝑚1. 𝑚2)
𝐹1= 𝐹2= 𝐹𝑍= 2 G= gravitatieconstante
𝑟
= “gravitatiewet van Newton”
naar analogie met F=m.a → 𝐹𝑍= m . g g = 10 m/s² = zwaarteveldsterkte / valversnelling
Actie = Reactie: Veronderstel een betonnen kubus (ρ =2500 kg/m³) van 1 m³. Dit blok beton oefent
een gravitatiekracht G uit op de grond (verticaal)
G = m . g = 2500 kg . 10 m/s²
= 25000 kg . m/s² = 25000 N = 25 kN
Druk op grond = 25000 Pascal (Pa = N/m², eenh van druk)
= 0,025 N/mm² = 0,025 MPa = 25 kN/m²
=> de grond drukt met de zelfde druk op het beton (actie=reactie)
(Druk/Trek)Sterkte Druk
De druk (𝑓𝑐 ) of treksterkte (𝑓𝑡 ) van een materiaal is: de druk/trek (spanning) in MPa die het
materiaal kan weerstaan vooraleer het bezwijkt of breekt. (compression/tension)
= Materiaaleigenschap!
- Wordt bepaald d.m.v. proeven op een aantal proefstukken (meestal 20)
- De karakteristieke waarde 𝑓𝑐𝑘 of 𝑓𝑡𝑘 (= waarde gehaald door 95% v.d. proefstukken)
2 proeven: - Drukproef
- Trekproef
enkele sterktes: Beton is (x10) sterker in druk dan in trek ! => gewapend beton
(want staal is sterk in druk en trek)
Warmte(transport) conductie - geleiding - straling
Warmte = warmte Q (J of N.m) is energie-uitwisseling tussen systemen die niet in thermisch
evenwicht zijn
- warmtestroom φ (W of J/s): Warmteuitwisseling per tijdseenheid
- warmtestroomdichtheid q (W/m² = J/s.m²): warmtestroom per oppervlakte-eenheid
conductie/ geleiding= Transport door snel-trillende moleculen die hun energie afgeven aan
traag-trillende moleculen ( en door beweging van vrije elektronen (bij metalen))
2
,convectie= Warmtestroming in een fluïdum (vloeistof/gas) door een verschil in temperatuur
- Δdensiteit: vrije convectie
- een opgelegd verschil in druk: gedwongen convectie
- Door warmtetoevoer/afvoer bijvoorbeeld door contact met een oppervlak verandert de densiteit
van het fluïdum en ontstaat stroming
straling= Transport van energie door elektromagnetische straling. In tegenstelling tot
warmtetransport door geleiding en stroming heeft warmtetransport door straling geen medium
nodig. (bewegend in het vacuüm)
Elk oppervlak straalt energie uit in functie van de temperatuur
Slechts 1353 W/m² bereikt onze atmosfeer = zonneconstante
temperatuur= een maat voor de bewegingsenergie van moleculen en atomen
(= Scalaire grootheid => geen richting)
θ (thèta) = 1 °C ↔ T = 1 K (SI eenheid)
0 K = -273°C = absolute nulpunt, deeltjes trillen niet
λ-waarde= warmtegeleidingscoëfficiënt van een materiaal
Geeft aan hoeveel warmte er door een materieel element gaat van 1 m² groot en 1 m dik bij
een ΔT = 1 K
↳ Grotere λ = betere geleiding = slechtere isolatie
λ rotswol = 0.035 W/mK
R-waarde= warmteweerstand van een materiaallaag of constructie-element (m²K/W)
𝑑
voor een homogene laag: R = λ d = dikte van de laag
𝑢𝑖
R-waarde samengestelde wand = ∑𝑅 :
𝑛
𝑑𝑖
𝑅𝑡𝑜𝑡= ∑ 𝑅𝑖 = 𝑅𝑠𝑖 + ∑ λ𝑈𝑖
+ ∑ 𝑅𝑛𝑖𝑒𝑡 ℎ𝑜𝑚𝑜𝑔𝑒𝑒𝑛+ ∑ 𝑅𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡𝑙𝑎𝑎𝑔 + 𝑅𝑠𝑒
𝑖
3
, Algemene voorbeelden:
boolnschkzllnZ
Het EM-spectrum Zichtbaar licht en infrarood
Straling - EM spectrum:
Invallende zonnestraling: q = 1353 W/m² bereikt onze atmosfeer (zonneconstante)
- 15% geabsorbeerd
- 6% teruggekaatst
=> 79% procent blijft over = 0.79 x 1353 W/m²= 1069 W/m²
↳deel bereikt aardbodem rechtstreeks (directe straling)
↳deel wordt verstrooid (diffuse straling)
4
1) Inleiding natuurkunde
Kracht
Een kracht is = Elke oorzaak van vervorming of verandering van de bewegingstoestand van een
voorwerp. (F) (De eenheid van kracht = Newton, N = 1 kg.m/s²
Een kracht kan:
- Een “statische” werking hebben (vervorming)
Bv; Uitrekken van een elastiek, doorbuigen van een plank, indrukken van een spons
- Een “dynamische” werking hebben (beweging) = verandering van versnelling, a [m/s2]
Bv; Iets in beweging brengen, iets laten vallen, iets van richting doen veranderen, iets
afremmen
Krachten zijn vectorgrootheden = hebben een grootte + een richting
Bv; zwaartekracht naar middelpunt aarde
↕
Scalaire grootheden hebben enkel een grootte
Bv; temperatuur °C
Vectorgrootheden kunnen opgeteld worden d.m.v. een vectoroptelling:
Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt (Fr = 0), is in rust of beweegt zich
rechtlijnig voort met constante snelheid => Want ook geen wrijving
= “eerste wet van Newton”
(soortelijke) massa
De massa van een voorwerp (m) = een grootheid evenredig met de hoeveelheid materie in dat
voorwerp
= som van de massa van alle deeltjes (moleculen, atomen, ionen, subatomaire deeltjes)
m (g) = massa
m=M.n M (g/mol) = de molaire massa
n (mol) = SI eenheid hoeveelheid deeltjes
Van massa naar volume: Volumieke massa of dichtheid ρ (kg/m³)
𝑚
ρ= 𝑉
→m=V.ρ
Praktische definitie kg: bij 4°C
1kg = 1l
1m³ water = 1000 l = 1000 kg
ρ𝑊𝑎𝑡𝑒𝑟 = 1000 kg/m³ bij 4 °C (lucht is lichter dan water)
1
,Newton Actie - Reactie
Vaststelling: de versnelling halveert als de massa verdubbelt (bij even hard duwen)
F=m.a = “tweede wet van newton” a = versnelling
De eenheid van kracht = Newton, N = 1 kg.m/s² = de kracht die een voorwerp met een massa van
1kg een versnelling van 1m/s² geeft.
Twee massa’s 𝑚𝑎 en 𝑚𝑏 met afstand r tussen hun zwaartepunten trekken elkaar aan:
(𝐺. 𝑚1. 𝑚2)
𝐹1= 𝐹2= 𝐹𝑍= 2 G= gravitatieconstante
𝑟
= “gravitatiewet van Newton”
naar analogie met F=m.a → 𝐹𝑍= m . g g = 10 m/s² = zwaarteveldsterkte / valversnelling
Actie = Reactie: Veronderstel een betonnen kubus (ρ =2500 kg/m³) van 1 m³. Dit blok beton oefent
een gravitatiekracht G uit op de grond (verticaal)
G = m . g = 2500 kg . 10 m/s²
= 25000 kg . m/s² = 25000 N = 25 kN
Druk op grond = 25000 Pascal (Pa = N/m², eenh van druk)
= 0,025 N/mm² = 0,025 MPa = 25 kN/m²
=> de grond drukt met de zelfde druk op het beton (actie=reactie)
(Druk/Trek)Sterkte Druk
De druk (𝑓𝑐 ) of treksterkte (𝑓𝑡 ) van een materiaal is: de druk/trek (spanning) in MPa die het
materiaal kan weerstaan vooraleer het bezwijkt of breekt. (compression/tension)
= Materiaaleigenschap!
- Wordt bepaald d.m.v. proeven op een aantal proefstukken (meestal 20)
- De karakteristieke waarde 𝑓𝑐𝑘 of 𝑓𝑡𝑘 (= waarde gehaald door 95% v.d. proefstukken)
2 proeven: - Drukproef
- Trekproef
enkele sterktes: Beton is (x10) sterker in druk dan in trek ! => gewapend beton
(want staal is sterk in druk en trek)
Warmte(transport) conductie - geleiding - straling
Warmte = warmte Q (J of N.m) is energie-uitwisseling tussen systemen die niet in thermisch
evenwicht zijn
- warmtestroom φ (W of J/s): Warmteuitwisseling per tijdseenheid
- warmtestroomdichtheid q (W/m² = J/s.m²): warmtestroom per oppervlakte-eenheid
conductie/ geleiding= Transport door snel-trillende moleculen die hun energie afgeven aan
traag-trillende moleculen ( en door beweging van vrije elektronen (bij metalen))
2
,convectie= Warmtestroming in een fluïdum (vloeistof/gas) door een verschil in temperatuur
- Δdensiteit: vrije convectie
- een opgelegd verschil in druk: gedwongen convectie
- Door warmtetoevoer/afvoer bijvoorbeeld door contact met een oppervlak verandert de densiteit
van het fluïdum en ontstaat stroming
straling= Transport van energie door elektromagnetische straling. In tegenstelling tot
warmtetransport door geleiding en stroming heeft warmtetransport door straling geen medium
nodig. (bewegend in het vacuüm)
Elk oppervlak straalt energie uit in functie van de temperatuur
Slechts 1353 W/m² bereikt onze atmosfeer = zonneconstante
temperatuur= een maat voor de bewegingsenergie van moleculen en atomen
(= Scalaire grootheid => geen richting)
θ (thèta) = 1 °C ↔ T = 1 K (SI eenheid)
0 K = -273°C = absolute nulpunt, deeltjes trillen niet
λ-waarde= warmtegeleidingscoëfficiënt van een materiaal
Geeft aan hoeveel warmte er door een materieel element gaat van 1 m² groot en 1 m dik bij
een ΔT = 1 K
↳ Grotere λ = betere geleiding = slechtere isolatie
λ rotswol = 0.035 W/mK
R-waarde= warmteweerstand van een materiaallaag of constructie-element (m²K/W)
𝑑
voor een homogene laag: R = λ d = dikte van de laag
𝑢𝑖
R-waarde samengestelde wand = ∑𝑅 :
𝑛
𝑑𝑖
𝑅𝑡𝑜𝑡= ∑ 𝑅𝑖 = 𝑅𝑠𝑖 + ∑ λ𝑈𝑖
+ ∑ 𝑅𝑛𝑖𝑒𝑡 ℎ𝑜𝑚𝑜𝑔𝑒𝑒𝑛+ ∑ 𝑅𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡𝑙𝑎𝑎𝑔 + 𝑅𝑠𝑒
𝑖
3
, Algemene voorbeelden:
boolnschkzllnZ
Het EM-spectrum Zichtbaar licht en infrarood
Straling - EM spectrum:
Invallende zonnestraling: q = 1353 W/m² bereikt onze atmosfeer (zonneconstante)
- 15% geabsorbeerd
- 6% teruggekaatst
=> 79% procent blijft over = 0.79 x 1353 W/m²= 1069 W/m²
↳deel bereikt aardbodem rechtstreeks (directe straling)
↳deel wordt verstrooid (diffuse straling)
4
