VRIJESCHOOL – 8e klas – natuurkunde (1-1)

.

De Duitse vrijeschoolleerkracht Walter Kraul schreef in Erziehungskunst enkele brieven aan een jongere collega over de opzet van de natuurkundeperiode in de 8e klas:

een voorstel voor de natuurkundeperiode in de 8e klas

Beste collega!

Je moet in je 8e klas een natuurkundeperiode gaan geven. Ik heb je beloofd daarover wat gedachten te laten gaan. Allereerst moet de weg waarlangs je de kinderen die je zijn toevertrouwd, geleid hebt volgens het leerplan op het gebied van de fysische natuurverschijnselen, terugkijkend, nog eens genoemd worden: 

In de 6e klas ben je uitgegaan van het kunstzinnige element. De muziek leidde naar de akoestiek en het schilderen via de kleurenleer naar de optiek. Alle andere gebieden van de natuurkunde heb je eveneens met je kinderen bestudeerd: de warmte- en koudeleer, het magnetisme en de elektrische verschijnselen.
Uitgezonderd daarvan was in de eerste natuurkundeperiode een gebied, uitgerekend nu net, waarmee de meeste natuurkundeboeken beginnen; de mechanica. Dat heeft een reden.
Men gebruikt tegenwoordig verregaand mechanische verklaringen om de natuurverschijnselen te begrijpen: warmte is beweging van moleculen, een magneet is samengesteld uit elementaire magneten, de elektrische stroom is de rivier van elektronen. Deze theorieën zijn ongetwijfeld vruchtbaar, men kwam met de hulp daarvan bij het doorgronden van de natuurwetten flink verder. Maar ze leiden niet tot het wezen van fysische verschijnselen; juist die theorieën, voortijdig gebracht, werken als een dichtgetrokken gordijn voor het wezen van de dingen. Een mechanische verklaring verhinderde de verwondering voor de verschijnselen. Maar langs deze weg komen we wel verder in de natuur, ook de levenloze.

In de 7e klas kwam de mechanica uitgebreid aan bod. Je hebt die doorgewerkt als de oude ‘hefkunst’, waartoe de hefboom, het schuine vlak, de lier, de schroef, de katrol, tandrad en combinaties daarvan. De kinderen konden rekenen. Je had net de vergelijkingen in de algebraperiode ingevoerd, nu had je naast de renteformules verdere toepassingsgebieden. Het hoogtepunt van de periode was het begrijpen van de klok.

Voor de 8e klas vinden we nu in het leerplan aanwijzingen voor weer- en klimaat, voor de stromingen. Wat betekenen die? Volgens mij is dit op te vatten als een uitdaging om de duidelijk berekenbare mechanica weer los te laten. Het weer bijv. is tegenwoordig nog niet geheel te voorspellen en dat zal het wel nooit worden ook. Net zo is het met de stromingen. Wanneer men die precies wil leren kennen, doet men modelproeven. Het loslaten van wat mechanisch te berekenen is, lijkt mij de opgave van het natuurkundeonderwijs in de 8e klas te zijn.
Samenvattend: in de middenklassen bewandel je voor het vak natuurkunde deze weg: in de 6e klas het kunstzinnige en vandaaruit naar de natuurkunde, iedere mechanische theorie vermijdend, zich verbazen over die wonderlijke fenomenen. In de 7e klas brengen we de kinderen tot aan de berekenbare mechanica, de hefbomen worden doorzien. In de 8e klas leren de kinderen dat niet alles zo eenvoudig te doorzien en te berekenen valt, dat er ook in de fysica zich wonderen voordoen.

In wat nu volgt wordt een poging gedaan om te schetsen, hoe je met deze achtergrond een natuurkundeperiode in de 8e klas kan geven, als voorbeeld. Je kan de stof in 5 hoofdstukken verdelen: hydrostatica (de leer van het rustende water); aerostatica (de leer van de rustende lucht), hydrodynamica (de leer van het zich bewegende water), aerodynamica (de leer van de zich bewegende lucht) en het hoogtepunt vormt de meteorologie, de weerkunde. Achtsteklassers zijn er trots op, wanneer ze van die mooie vreemde woorden, van die echte vakuitdrukkingen, in hun periodeschrift hebben staan.

Hydrostatica
is in zekere zin een rest van de stof uit de 7e klas. Op de voorgrond staat meteen de vraag: ‘Wat drijft?’ Om daar een antwoord op te geven, gaan we met een verzameling  voorwerpen, zorgvuldig bij elkaar gezocht, de klas in en proberen alles uit, of het drijft of niet; dat kan in een aquarium of eenvoudig in een schaal. Een stuk hout drijft natuurlijk; maar er is ook hout dat zinkt. Het zou goed zijn als je een stuk ebbenhout hebt, of eenvoudiger, een stuk van een kokosnootschaal. Je kan niet zomaar zeggen: ‘Alle hout drijft’, er zijn uitzonderingen! Volledig doordrenkt hout gaat echt naar beneden. Dan nemen we stenen. Die zinken natuurlijk en toch kunnen we niet noteren: ‘Alle stenen zinken’, er zijn stenen die blijven drijven, zoals de puimsteen en het gasbeton. Als derde categorie nemen we de metalen. Schroeven van ijzer en messing zinken, een stukje koper ook, geld zinkt, de gouden trouwring van de leerkracht eveneens, enz. Deze keer kunnen we met een gerust hart noteren: ‘Alle metalen zinken.’ Dan houden we echter nog een metalen doosje achter de hand, zoals een leeg visconservenblikje, dat is vlak en drijft als een scheepje, hoewel het van metaal is. Hoe komt dat? Ja, drijven hangt van de vorm af, het doosje is hol! Wanneer we het geforceerd schuin houden, zodat er water in loopt, gaat het zeker jammerlijk ten onder. Nu weten we waarom ijzeren schepen drijven: dat komt door de holle ruimte. Overigens drijft het doosje ook op zijn kop, met de kiel naar boven, zogezegd.
Maar nu volgt er nog een verrassing: voorzichtig leggen we een dun stukje plat blik op het wateroppervlak, dat drijft ook! (van tevoren oefenen!) De ‘oppervlaktespanning’ van het water draagt het platte blik zo lang, tot een nieuwsgierige achtsteklasser er met zijn vinger op tikt, nu glijdt het blik naar beneden, zig-zag, dat wel.


Ten slotte proberen we de kunststoffen in ’t algemeen. En of glas blijft drijven? Een dunne glasplaat? Of een halfvolle glazen fles met een kurk dichtgemaakt? Met veel geduld kan je die in het water laten ‘zweven’, dat is de tussenfase, tussen drijven en zinken. Vissen zijn zo gebouwd dat ze in het water zweven. Er zijn ook schepen die dat kunnen, die heten duikboten. Hoe ze weer naar boven komen? Dan wordt er lucht geperst in tanks die opzij hangen en van onder open zijn.

opgestegen duikboot

Of rubber blijft drijven? Verschillende rubberballen? –

Hoe dikwijls heb ik de klas niet gefopt met een luciferdoosje dat heel snel zonk: er zat allemaal lood in.
Tenslotte de vraag: ‘En blijft de mens drijven?’ Op z’n rug liggend met de longen vol lucht, ja dan drijft hij. Ogen, neus en mond net boven water. Echt zwemmen is wat anders, dan speelt de beweging een rol en dat hoort bij de hydrodynamica. De mens is ongeveer net zo zwaar als het water.
Onze onderzoeksresultaten kunnen we uiteindelijk samenvatten met de zin: ‘Alle materialen waarvan het soortelijk gewicht kleiner is dan water, drijven; is het soortelijk gewicht groter dan water, zinken ze. Dingen die even zwaar zijn als water, zweven daarin.’
Uitgezonderd hout en heel vlakke voorwerpen.
Het bepalen van het soortelijk gewicht door wegen en meten van het volume, zou ik eerst nog weglaten. Opgemerkt zij nog dat het soortelijk gewicht als het gewicht van 1 
cmvan een stof vastgesteld is. Water heeft het speciale gewicht van 1g/1 cm3. In de 8e klas zou ik de enigszins niet correcte maat gram als gewichtseenheid laten gelden
De vraag rijst hoe het drijven bij andere vloeistoffen gaat. Een heel terechte vraag: zoutwater draagt beter dan zoet, dat weet iedereeen die in zee gezwommen heeft. In de Dode Zee kun je zelfs erin gaan en een krant lezen. Zout water is zwaarder dan zoet, ook schepen zinken op zee niet zo diep als in een meer. Kwik is onder normale omstandigheden vloeibaar en 13,6 keer zwaarder dan water, vandaar dat stukken ijzer erop drijven. Met grote omzichtigheid kan je dat in een klas makkelijk laten zien, je moet onder de schaal met kwik wel iets hebben om eventuele kwikdruppels op te vangen. Doe met je trouwring maar liever geen drijfproef, die zou niet alleen niet zinken, maar zelfs in het kwik oplossen! In spiritus gaan veel voorwerpen onder die op het water nog drijven. We moeten de zin hierboven nog uitbreiden: ‘Een voorwerp drijft, zweeft of zinkt, al naar gelang het lichter, even zwaar of zwaarder is dan de gebruikte vloeistof.
Op dit ogenblik is het zinvol een tabel in het periodeschrift te zetten waaruit je de specifieke gewichten ziet van een paar vaste en vloeibare stoffen. Dan weet je exact wat op wat drijft.

Tabel van specifieke gewichten in   g/cm3   (gram gedeeld door kubieke centimeter)

water             1
benzine         0,7
alcohol          0,8
olie                 0,8-0,9
glycerine       1,3
kwik              13,6
piepschuim 0,03
kurk              0,2
spar               0,5
eik                  0,8
kokoshout    1,4
beton            2,2
baksteen       2,6
basalt            3
aluminium  2,7
ijzer               7,8
lood              11,2
goud             19,2
ijs                   0,9

(In natuurkundeboeken staan er nog meer)

Nog niet aan de orde is geweest de kwaliteit van het drijven: hoe drijft iets? Dat is verrassend. Een kubus van piepschuim drijft natuurlijk op een vlak. Een kubus van beukenhout drijft op een hoek! Je kan al zien hoe het gaat, wanneer hij eerst in een droge schaal rust, natuurlijk op een vlak. Wanneer het water langzaam stijgt (je giet het er met een kannetje bij) gaat hij eerst op z’n kant liggen. Later op een hoek en pas dan, wanneer het helemaal niet meer anders gaat, komt hij los en drijft in dezelfde positie. Een plankje drijft natuurlijk op het platte vlak, maar een vierkante balk op een kant, wanneer het geen zeer licht hout is.

Een heel regelmatige bol drijft in elke positie, ongeacht hoe diep die hangt.
Van het allergrootste belang is de drijfpositie bij schepen. Een schip moet zich ook vanuit een scheve positie vanzelf weer oprichten. Dat is de vraag naar de ‘stabiliteit van de positie’. Die is des te groter, naar mate de ‘metacentrische hoogte’ (zwaartepunt) groter is. Dat is de afstand van het zwaartepunt van het schip S vanuit het metacentrum M. Dat laatste is het snijpunt van de loodlijn door het zwaartepunt A met de symmetrielijn van het schip. Het zwaartepunt is weer het (door ons geschatte) midden van het doorsneevlak van het schip dat onder water ligt. Hoe dieper het zwaartepunt ligt, des te lichter richt het schip zich op. Daarom maakte men de oude grote zeilboten met rotsblokken in het diepste deel van de scheepsromp zwaarder, dicht boven de kiel. En hoe sterker bij een scheef hangen van het schip het zwaartepunt zich naar een kant verplaatst, des te stabiler ligt het schip. Dit is het geval bij vlakke rompen.

Nu is het de hoogste tijd om het verhaal van Archimedes van Syracuse te vertellen. Zijn koning had door een goudsmid een kroon laten maken. Hij gaf hem het goud, maar niet voordat hij het gewogen had. De voltooide, mooi gelukte kroon, woog evenveel als het ter hand gestelde goud, maar hij leek lichter van kleur te zijn. Bedrog door bijmenging met het minder waardevolle zilver? De ‘wetenschapper’ van de koning, Archimedes, loste tenslotte het raadsel op. Men zegt, dat hij op de juiste gedachte was gekomen, toen hij in bad zat en de opwaartse druk van zijn eigen lichaam voelde. Archimedes woog de kroon nog een keer, maar nu onder water. Het gewicht van de kroon op de ene weegschaal, hield hij in evenwicht met stukken puur goud op de andere schaal. Kijk nou eens. De kroon woog onder water minder dan het goud, de kroon steeg op. Lichter bijgemengd zilver zorgde voor meer volume en daardoor meer opwaartse kracht in het water. Het bedrog van de goudsmid was bewezen en daarvoor zou hij onthoofd zijn, de arme man.
Wij kunnen ervan leren: ‘Ieder voorwerp verliest in het water zoveel aan gewicht, als de verplaatste watermassa weegt.’  Deze zin wordt de wet van Archimedes genoemd. Die geldt ook voor andere vloeistoffen, ja zelfs voor de lucht, zoals we nog zullen zien. Wat kunnen we allemaal met deze mooie wet berekenen? We meten de lengte, breedte en hoogte van een deel van een lucifersdoosje. Welk gewicht mag een last hebben, die nog gedragen kan worden, wanneer het ding op het water drijft? Of in het groot: jongens hebben een waterdichte kist ontdekt en willen daarmee varen. Een jongen weegt 40 kg, hoeveel kunnen er instappen? Of, een vlot kan net nog drie kinderen dragen. Bij het afval vinden ze een paar jerrycans van een bepaalde maat en binden die onder het vlot. Hoeveel kinderen kunnen er nu meevaren? Je kan overigens door wegen van een willekeurig voorwerp X in de lucht en in het water, het beste met een veerbalans, het specifieke gewicht vaststellen, voor zover het zwaarder is dan water. Hoe dan? Wanneer je het echt niet kunt, schrijf me dan maar (zie begin van dit stukje)
Terzijde zij nog het verschil opgemerkt tussen een schip en een vlot. Het vlot draagt enkel door zijn specifiek gewicht dat kleiner dan 1 moet zijn. Het schip draagt als gevolg van de lege ruimte. De Zuidamerikaanse boten van biezen zijn vlotten, geen boten.
Nu schiet me nog een raadsel te binnen, dat ook bij de wet van Archimedes hoort: er zijn bruggen voor het water. Over de Weser bijv. wordt het MIttellandkanaal geleid. Daar varen dus schepen met een lading over een brug. Hoe zit dat? Wanneer er een vrachtwagen over een brug rijdt, belast die toch de brug; eerst op de ene pijler, dan half op twee en dan meer op de andere. Hoe zit dat bij een schip dit in een kanaal over een brug vaart?
We zijn nu al even bezig geweest met wat zich boven water afspeelt. Maar hoe ziet het er onder water uit? Daar heerst druk, waterdruk. Die wordt groter als het dieper wordt. Op 10 meter diepte is die net zo groot als de normale luchtdruk, namelijk 1 kg per cm2.. Dat heet een atmosfeer. Deze maat is niet helemaal volgens de eisen, maar op een bepaalde manier aanschouwelijk, ik zou het bij een 8e klas nog zonder bezwaar gebruiken. Je kan het je voorstellen: een kilo, dat is twee pond, drukken op 10m diepte op iedere vierkante centimeter, dat is veel. Op 20m is de druk dubbel zo groot enz. Geen wonder dus, dat je niet meer uit een auto komt, wanneer die in het water terecht is gekomen. De druk op de portieren is geweldig en afhankelijk van de grootte en de diepte van het water waarin de auto ligt en is makkelijk te berekenen. De enige overlevingskans: diep ademhalen, de ruit kapot slaan, het water erin laten lopen en dan door het raam naar buiten en omhoog zwemmen.
De grootte van de waterdruk kun je door een bepaalde redenering inzien, maar die laat ik nu weg. Je moet wel weten dat de waterdruk naar alle kanten aanwezig is, naar onder, naar boven en opzij. Hier een eenvoudige proef: we hebben een 3 tot 5 cm dikke wat geslepen glaspijp nodig en een dunne glasplaat, zoiets als een dekglaasje voor een dia. Dit wordt op een bepaalde diepte door de waterdruk op de glaspijp gedrukt, het valt er niet af. Als je de glaspijp aan de onderkant zou kunnen buigen, zou het plaatje er ook niet afvallen. Water drukt naar alle kanten.

Stuwdammen moeten heel dik gebouwd worden vanwege de zijwaartse waterdruk, nergens anders voor. De vereiste sterkte van de muren hangt overigens niet af van de grootte van het stuwmeer, maar alleen van de diepte. Een klein stuwmeer heeft even dikke muren nodig als een lang stuwmeer. En als het stuwmeer maar een meter langer zou zijn, begrensd door een tweede stuwdam, d.w.z. wanneer men twee stuwdammen zou bouwen waartussen een meter lucht zit en als men deze tussenruimte met water zou vullen, zou men de muren net zo sterk moeten maken als voor een groot stuwmeer. Alleen van de diepte hangt de vereiste sterkte van de dam af. Bijna niet te bevatten, maar toch waar.
Wanneer er betonmuren worden gestort, bouwt men voor het vloeibare beton bekistingen. Deze zijn verbazingwekkend stabiel van afmeting. Hier heb je te maken met hetzelfde probleem als bij de stuwdammen, maar het vloeibare beton is 2,2 keer zo zwaar als water. Geen wonder dat men zulke sterke planken moet nemen en die om de meter met balken moet stutten.

aerostatica
Nu gaan we het over de aerostatica hebben. We blijven nog even in de zevendeklassfeer. Die vormt voor ons doel toch een voorbereiding zoals bij de afgeronde hydrostatica.
Eerst gaat het erom de verschillen tussen het water- en het luchtgebied te beschrijven. De zee heeft een scherpe begrenzing naar onderen en naar boven. Beneden heb je de zeebodem en boven het wateroppervlak. De luchtzee heeft alleen een scherpe benedengrens waarop wij leven: het landschap. Naar boven toe, naar de wereldruimte, vermindert de lucht langzaam, die wordt steeds dunner. Waar het helemaal eindigt, kan je eigenlijk niet zeggen. Op de Zugspitze (berg in Duitsland) (bijna 3000m) merk je, wanneer je erop let, al gauw heel duidelijk dat de lucht minder weerstand biedt bij het ademen in vergelijking met het dal. Mensen zijn in staat gebleken, na een gewenningstijd, zonder zuurstofapparaat tot naar de hoogste bergtoppen van de aarde te klimmen, in de Himalaya boven de 8000 m. Maar wel moesten ze bij iedere stap op deze hoogte lucht zien te krijgen, zo dun is die daarboven. Onze vliegtuigen vliegen boven de 10.000 m, de bemanning en de passagiers moeten mechanisch samengeperste lucht krijgen, de gang van het vliegtuig moet luchtdicht zijn, zodat de ademlucht niet naar buiten sist.
Het verschil tussen de lucht en de waterzee zit hem erin, dat het water zich niet laat samenpersen en de lucht wel. De vakuitdrukkingen zijn ‘compressibel’ en ‘incompressibel’ (samendrukbaar, onsamendrukbaar). De compressibiliteit van de lucht gebruikt men bijv. in de banden van onze voertuigen. Water in banden zou erg hard zijn en niet veren!
De luchtdruk kun je meten, je noemt het apparaat een ‘barometer’. Onze piloten en ballonvaarders, ook bergbeklimmers, gebruiken hoogtemeters die in wezen ook barometers zijn, want met de hoogte neemt de luchtdruk af, zoals in het water de waterdruk met de diepte toeneemt. De luchtdruk evenwel neemt niet zo regelmatig af als de waterdruk toeneemt, die volgt een andere wet. Van de barometer weten we dat die de verandering in luchtdruk weergeeft en daardoor voor de weersvoorspelling van belang is. Hoe die werkt, staat wel in een natuurkundeboek. De waterdruk verandert niet op een bepaalde diepte van de zeebodem. Luchtdrukveranderingen ontstaan doordat er in de luchtzee reusachtige ‘golven’ zijn, die veel groter zijn dan watergolven, maar niet zo groot als de vloedgolven en ook niet zo regelmatig. Bij de weerkunde horen we van deze luchtbergen en luchtdalen nog meer.
Nu moeten we nog weten dat we niet op de luchtzee, maar in de luchtzee kunnen zwemmen. Preciezer is om van zweven te spreken. In de natuur is er nu geen echt voorbeeld. Zeepbellen en paardenbloemzaadjes schijnen slechts te zweven, in werkelijkheid vallen ze naar beneden, alleen heel langzaam en vele luchtstromen dragen ze spelend met gemak in de hoogte. Beide zijn zwaarder dan lucht. Ook stof daalt neer. Zelfs wolken, dan spreken we van nevel. Zoals de vissen in het water zweven, zweven al deze dingen niet, ook de vogels niet. De mens bouwde echter ‘machines’ die in de lucht werkelijk zweven, ja zelfs opstijgen tot een bepaalde hoogte. Dat zijn de ballonnen. Van de luchtballon waaraan je een kaartje hangt met een groet voor de vinder, tot aan de grote ballonnen die mensen over een landschap voeren. Weliswaar vliegen die ballonnen niet naar waar de mensen naar toe willen, ze zweven met de wind mee. Bij ballonnen spreekt men van varen. Waarom zweven deze ballonnen eigenlijk? Denk nog eens aan het principe van Archimedes. Ik noemde het al eventjes, dat dit ook voor de lucht geldt: een voorwerp, deze keer de ballon, verliest zoveel gewicht, als de door hem verplaatste lucht weegt. Weegt lucht dan wat? O ja, in de 9e klas wordt die gewogen. Voor nu is het genoeg, als we in de gaten houden, dat een liter lucht ongeveer 1,3 kg weegt. Waterstofgas weegt maar 0,07 g per liter en heliumgas iets van 1,3 g, dus dubbel zoveel als waterstof, maar altijd nog maar bijna  1/10  van de lucht. Deze beide gassen stijgen dus in de lucht op, omdat ze lichter zijn dan de laatste en nemen de omhulling, de ballon mee, ja zelfs een ansichtkaart bovenin aan een touwtje en in het groot de mand met een mens en allerlei apparaten, met ook nog touwen.
Wanneer je de stijgkracht van de ballon wil berekenen, moet je weten hoeveel de verplaatste, relatief zware lucht weegt. Dat is heel eenvoudig, wanneer je weet dat het volume van een bol ca 4r3. Een ballon met een doorsnede van 1om heeft dus 4  x 5= 500m3  volume. De lucht die hij verplaatst weegt 500 x 1,3 kg, omdat 1 m3  1,3 kg weegt. Dat is 650 kg. Ja, zoveel weegt die verplaatste lucht, een mens zou die nooit en te nimmer alleen kunnen dragen. Wanneer we met 100 kg voor de omtrek van de ballon rekenen en nog een keer 100 kg voor de touwen en de korf, 50 kg voor de apparaten, dan blijven er van de 650 kg nog 400 over voor de bemanning. Als je 80 kg per persoon rekent, dan zweeft de ballon met 5 personen. Met vier mensen zou hij al stijgen.
Nu is het de hoogste tijd verder te gaan dan wat je uit kunt rekenen.

hydrodynamica
Dat biedt de hydrodynamica, dus de leer van het bewegende water. Je kunt eerst naar de kraan lopen en die voorzichtig opendraaien. Eerst gedruppel, een prachtig verschijnsel, waar je niet genoeg van kan krijgen. Hoe wordt een druppel gevormd? Hoe draait die tijdens het vallen. Hoe valt die in het water? Hier heeft Theodor Schwenk voorwerk verricht, we kennen zijn druppelvormen. We draaien de kraan wat verder open, het water stroomt door de pijp, boven een dikke straal, die naar onderen dunner wordt. Hij breekt misschien af en eindigt in druppels. Zolang de waterdraad niet gebroken is, spreken we van een laminaire stroom, je ziet er spiegelbeelden in, maar verwrongen. In Salzburg, in de tuin van Schönbrunn, bevindt zich een plaats met twee kunstige schildpadden. De een spuit een laminaire straal in de bek van de ander er tegenover. Welke de straal spuit, weet je pas, wanneer je voorover buigt en een vinger in de straal houdt, anders kom je er niet achter, zo glad is de laminaire straal.
Nog wat verder opengedraaid en het is uit met de orde en de rust, de straal spuit. Deze manier van stromen noemt men ‘turbulent’. De overgang is plotseling. We hebben dus drie soorten van stromen leren kennen. In een bergbeek zou je ze alle drie door elkaar en naast elkaar kunnen waarnemen.
Nu kijken we eens naar een rivier, niet een oude, traag wegvloeiende, maar een krachtige, jonge. Wanneer hij door bergen, heuvels en dammen niet krachteloos gemaakt is, ‘slingert’ hij door het landschap heen en weer. Men zegt, dat hij ‘meandert’ Dit kan zo ver gaan dat de rivier zich uiteindelijk zelf weer tegenkomt. Dode rivierarmen blijven staan. Het meanderen is makkelijk te verklaren: wanneer het water eenmaal een bocht maakt, stoot het tegen stootoever en holt deze daar uit, oevergrond wordt daar afgezet. De tegenoverliggende oever is week, die noemt men de glij-oever. Daar wordt fijn materiaal afgezet. daar vind je mooier zand. De grote stenen worden door het water aan de stootoever omgerold en glad gewreven. Een kanovaarder zal, wanneer hij snel de rivier af wil gaan, niet in een binnenbocht gaan varen, maar  in de buitenbocht. Binnen zou hij zelfs op water kunnen komen dat terugstroomt, dichtbij de stootoever neemt het snelle water hem vlug mee en ondanks dat het een omweg lijkt, is hij sneller. Stroomopwaarts varende schepen snijden iedere rivierbocht af, ook als ze daarbij niet rechts, zoals op straat, maar links varen. Om stroomafwaarts varende schepen niet te hinderen, tonen ze aan stuurboordzijde een blauwe vlag en de tegemoetkomende kapiteit weet dat hij naar links uit moet wijken. In de rechte loop is de rivier natuurlijk in het midden steeds het snelst.
Rivierwater stroomt echter nog gecompliceerder dan tot nog toe aangegeven. In de tekening zie je een doorsnede door een rivier. Hij bestaat, kun je zeggen, uit twee tegenovergestelde draaiingen. Bij een stootoever is de draaiing kleiner, bij de glij-oever groter. In het midden daalt het water, aan de oevers stijgt het. Goed voor vlotten, die worden ook zonder besturing in het midden van de river gehouden.


Kijken we naar de wereldzeeën. Daar komen de rivieren tot rust, maar daar zijn ook stromingen. In onze oceanen zijn zeestromingen getekend: rivieren in het water. De warme golfstroom is de bekendste en voor ons het belangrijkste. Hij onderscheidt zich van het hem omringende water door zijn temperatuur, andere kleur en zelfs een andere stroming. Ook hij meandert. Stromend water lijkt daar een fundamentele neiging toe te hebben. De Humboldtstroom en de Benguelastroom zijn koud. De equatoriale stromingen zijn zeer uitgesproken. De zeestromingen veranderen overigens met de jaargetijden. In de atlas zijn alleen de oppervlaktestromingen getekend, op sommige plaatsen stijgt het water, op andere daalt het. De ordening van de diepzeestromingen kennen we nauwelijks nog. Maar we weten dat de zon de drijvende kracht is voor alle waterstromingen.
Hier zou je een hoofdstuk over pompen kunnen inlassen. Pompen hevelen of bewegen het water met een sterke vreemde kracht. In ieder natuurkundeboek vind je ze uitgelegd. Er bestaat echter ook een installatie die een deel van het water uit eigen kracht overpompt, die noemt men de ‘hydraulische ram‘: een bergbeek met een goed verval wordt in een buis geleid. Op een bepaalde plaats wordt de buis wijder gemaakt en in de uitgang van de verwijding is een ventiel aangebracht. Dit wordt door het aanstormende water meegezogen en gesloten. Waar moet het water dat nog beweegt nu naartoe? Het kan niet terug, want er komt nog meer aan. In de verwijding van de buis heeft men slim, een stijpijp aangebracht. Daar kan het water naartoe uitwijken. Het stijgt, net wat men wil. Boven, aan het eind van de buis, staat een huis, een alpenhut, de mensen daar, hebben water nodig. Om het opgestegen water weer niet terug te laten vallen, heeft men een tweede ventiel in de stijgbuis gebouwd. Het water zit gevangen. In de buis is het water tot rust gekomen. Nu maakt een sterke veer het eerste ventiel weer open en het spel begint opnieuw: het stromende water verspert zichzelf de weg, het moet in de stijgbuis terecht komen. Het water komt tot rust, de veer opent het ventiel, enz. Wanneer de veer goed geïnstalleerd is, stroomt boven bij het huis steeds een deel van het water stootsgewijs uit de buis. Je hoort in het voorbijgaan de ram duidelijk aan het werk, hij steunt krachtig onder de aarde, hij moet wel uit goed materiaal gemaakt zijn.


Tot nog toe bewoog het water. Nu behoren tot de hydrodynamica ook fenomenen waarbij het water stilstaat en er een voorwerp in beweegt. Je zou de zwemmende mens kunnen noemen. Hij beweegt zich tegen het water in en ligt daarbij een beetje schuin: het hoofd ligt hoger dan de benen. Daardoor ontstaat een lichte ‘dynamische opwaartse druk’, de liftkracht, het water drukt het schuin gehouden lichaam bij het voorwaartsbewegen zachtjes omhoog. Wanneer de zwembewegingen ophouden, is ook de druk weg, je moet je ergens aan vasthouden om met het hoofd boven water te blijven. Sterker is deze opwaartse druk bij een waterskiër. Door een vreemde kracht wordt de mens snel voortbewogen, en daarom kan de waterski de mens helemaal boven water dragen. Wanneer de stuurman van de motorboot de motor afzet of wanneer de skiër het touw loslaat, verdwijnt die dynamische draagkracht van de ski en de mens valt terug in het water, hij moet zwemmen. Een draagvleugelboot verheft zich bij voldoende snelheid uit het water, ook door de dynamische opwaartse kracht. Dan is er nog de fraaie sport: surfen. Aan de oever van een sterk schuimende beek wordt met touwen een plank vastgemaakt en handige lui gaan op de weer schuin op de stroom liggende plank staan. Lang bewaren ze, schommelend, het evenwicht. Hier stroomt het water weer, de mens staat nagenoeg stil op de stroom.

Nu doen we nog een kleine proef: een mogelijk grote, langwerpige badkuip wordt met water gevuld. Het water hoeft niet diep te staan. Op het oppervlak strooien we wat zaagmeel. Nu voeren we een plankje door het water en we zien daarachter een draaiing ontstaan. Bij sneller varen ontstaan er twee draaiingen, aan iedere kant een. Die noem je ‘startwervel‘. Daarna ontstaan afwisselend aan de kanten nieuwe, tegen elkaar indraaiende wervelingen, die zich van elkaar verwijderen. Ze blijven nog aanwezig, maar worden zwakker. Zo ontstaat achter het voortgetrokken plankje een ‘wervelingstraat’. Een stuk rondhout door het water getrokken van gelijke breedte laat minder draaiingen achter en een ‘stroomlijn’ (Stromlinienkörper)  ook wel ‘ druppelvorm’ (Tropfenform’) genoemd, maakt bijna geen draaiingen in het water. Dat is belangrijk voor later. De wervelingstraat verdwijnt vrij snel, je moet snel zijn met kijken. Als je glycerine in het water doet, blijven de draaiingen langer staan, dan kun je ze in rust bewonderen. In het boek van Theodor Schwenk, Sensiblen Chaos’ vind je ze gefotografeerd.

ss

Wie eens over een brug met pijlers loopt, moet niet nalaten naar de stromende wervelingen in het water te kijken. Vóór de pijler wordt het water opgestuwd, beide kanten veroorzaken draaiingen die achter de pijler weer samensmelten. Zo ordelijk als in het beschreven experiment, gebeurt het hier niet. Wat we niet zien, speelt zich onder water af: vóór de pijler graaft de draaiing zich in de bodem, neemt daar en ernaast materiaal mee en zet het erachter weer af.
Dan is er nog een andere draaiing, die we allemaal kennen. Die zie je als je het badwater weg laat lopen. In stromende rivieren zie je gelijksoortige draaiingen in het groot. Wanneer je daar als zwemmer in terechtkomt, is er maar één redding: willoos meezwemmen tot waar je erin gezogen werd. Naar beneden duiken en op de bodem uit de draaiing wegzwemmen, dan kom je weer in rustig water, misschien wel in wat opstijgt.
De dichter Allen Poe heeft een gruwelijk verhaal geschreven over een reusachtige draaikolk bij de Lofoten. Het verhaal is overdreven, maar de vissers daar zijn op die plek wel voorzichtig.

Beste collega, hier moeten we het even bij laten, want anders vult onze brief het hele tijdschrift nog. Het vervolg komt, dat zal gaan over aerodynamica en meteorologie.

Walter Kraul, Erziehungskunst 52 jrg. nr.2 1988

.

1309

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

Advertenties

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s