Natuurkunde op de piste

Ik ben er even uit. Geen lab, geen cleanroom, geen lasers, geen berekeningen: deze week sta ik op de piste. Maar zoals het gezegde gaat: ‘Je kan een jongen uit het lab halen, maar je kan nooit het lab uit de jongen halen.’ Daarom hier drie voorbeelden van hoe natuurkunde je kan helpen beter te snowboarden.

Waarom kan een kort bord beter draaien?

Wie de diepe sneeuw in wil of heel hard over de piste wil vliegen, moet een lang board kopen. Dat drijft beter op de tiefschnee en is meestal stabieler. Maar wie graag sprongen maakt in het park of op de piste, is beter geholpen met een korter board. Vooral als je tijdens die sprongen ook wil roteren, bijvoorbeeld met een 360 of een 180. Hoe komt dat eigenlijk?

Het record aantal rotaties dat een snowboarder ooit heeft gemaakt in een sprong, is vijf! Billy Morgan deed dat in 2015 met een 1800 cork.

Terug naar de speeltuin

Stel je eens voor dat je op zo’n draaitoestel in de speeltuin staat. Je bent al aan het ronddraaien, en dan ga je plots naar buiten hangen. Wat gebeurt er met je draaisnelheid? Als je, net als ik, nog steeds niet de verleiding kan weerstaan om alle speeltoestellen op een speelplaats waar je toevallig langsloopt uit te proberen, weet je waarschijnlijk nog dat je dan langzamer gaat draaien. Dat heb je te danken aan een prachtige natuurwet, genaamd de wet van behoud van draaiimpuls.

Een maat voor hoe hard je draait

Draaiimpuls is een maat voor de hoeveelheid draaiing die een object maakt, gedefinieerd als het momentum van het object maal de afstand tot de draaias. Hoe sneller je dus beweegt op het draaitoestel (meer momentum), hoe meer draaimoment je hebt. Maar ook hoe verder je van de as bent, hoe meer draaimoment. Wanneer je dus op het draaitoestel meer naar buiten gaat hangen, moet daarvoor gecompenseerd worden door je snelheid lager te maken. Zo blijft de totale hoeveelheid draaimoment gelijk.

Draaien kost kracht

Maar wat heeft dat met snowboarden te maken? Welnu, als je je afzet voor een sprong, kan je door met je armen te zwaaien, een bepaalde hoeveelheid draaimoment opbouwen. Wie sterker is of zwaardere armen heeft,bouwt meer op. Maar als je eenmaal in de lucht bent, is dat draaimoment behouden en kan er dus niets meer bij komen.

Als je dan een langer board hebt, bevindt zich een groter deel van je massa ver weg van je draaias (die als het goed is ongeveer bij je navel zit). Dat betekent dat je rotatiesnelheid lager moet zijn dan bij een kort board, gegeven dat de totale hoeveelheid draaimoment hetzelfde is. En dan kan je dus minder rotaties maken.

Stabiel met 100 km/u

Overigens zijn langere boards vaak wel wat stabieler. Mensen die over echt grote schansen springen staan dus vaak toch op een wat langer board, omdat ze met hoge snelheid op die schans af rijden. Dat je met 100 km/u niet op je plaat gaat voor je je kan afzetten weegt dan toch iets zwaarder dan het aantal rotaties…

Schermafdruk 2017 02 10 15.51.34

Met een langer board bevindt zich meer massa ver weg van je draai-as. Dat maakt dat je met dezelfde hoeveelheid draaiimpuls minder snel kan draaien. Hugo Doeleman voor NEMO Kennislink

Punt 2: Waarom moet je pompen om sneller te gaan?

Als je wel eens een wedstrijdje doet, merk je dat je aan de start sneller weg bent als je ‘pompt’: snel op en neer gaan door je knieën. Waarom is dat?

Schermafdruk 2017 02 10 15.52.18

Als je op een helling staat, kan de normaalkracht van de berg je deels vooruit duwen. Hugo Doeleman voor NEMO Kennislink

Niet afzetten maar absorberen: als je op een helling staat, en je drukt tegen de berg aan, dan drukt de berg terug. Dat heet normaalkracht. Maar de berg drukt terug in de richting haaks op de grond. Dus op een helling is die kracht niet alleen omhoog gericht, maar heeft het ook een component in de voorwaartse richting. Die kracht maakt dat je kan versnellen. Dus hoe harder je tegen de berg drukt, hoe harder deze je vooruit duwt.

Om dezelfde reden is het in een race niet verstandig om hobbels te gebruiken om te springen: als je je tegen de hobbel afzet voor de sprong, drukt de hobbel terug. Een deel van die kracht remt je dan af. Daarom zie je de deelnemers in een boarder cross wedstrijd ook altijd hobbels absorberen door door hun knieën te gaan, om vervolgens weer uit te strekken na de hobbel, waar de berg je vooruit kan duwen in plaats van achteruit.

Om snelheid te behouden springen de deelnemers bij een boarder cross liever niet over hobbels, als het niet hoeft.

Punt 3: Waarom zie je niks in de wolken?

Deze week begon heel zonnig, en zittend op een terras in de volle zon dacht ik dat ik lekker met panda eyes thuis zou komen. Maar sinds maandag hebben we vooral sneeuw en wolken gehad. Die sneeuw is wel fijn, maar wanneer het erg bewolkt is, en helemaal wanneer de pistes zelf in de wolken liggen, wordt het erg lastig om te zien hoe de piste verloopt. Grote hobbels, maar ook kleine hoopjes sneeuw, worden onzichtbaar. Waarom is dat eigenlijk, en waarom helpt het om een gele bril op te zetten?

Te weinig licht?

Je zou misschien denken dat het gewoon te donker is om zulke details te zien. Maar in veel minder licht, zoals ‘s avonds bij een schemerlamp, kunnen we toch nog veel detail zien. Misschien is het dan de nevel van de wolk zelf die de details doet vervagen, zoals ook in de mist gebeurt? Dat verklaart echter niet waarom ik ook zonder nevel maar met dichte bewolking geen reliëf kan zien.

Licht uit één richting

De echte reden is, denk ik, dat om relief te kunnen waarnemen, je schaduw moet kunnen zien. In de volle zon werpt een hoopje sneeuw een schaduw, waardoor je het kan onderscheiden van de gladde piste. Maar voor een schaduw heb je licht nodig dat uit één specifieke richting komt. Met een bewolkte lucht is er nauwelijks direct zonlicht, maar komt het licht vanuit de hele hemel en dus uit vele verschillende richtingen. Dat maakt dat een hoopje sneeuw nauwelijks schaduw werpt, want het wordt van alle kanten gelijkmatig belicht. Zo is het niet te zien.

Snow

Je ziet reliëf in de sneeuw dankzij de schaduwen die het maakt. Zonder schaduwen dus geen zicht… Hugo Doeleman voor NEMO Kennislink

Rood licht wordt minder verstrooid

Waarom helpt het dan om een gele of oranje bril op te zetten? Grappig genoeg is dat om dezelfde reden dat de ondergaande zon rood is. Het is namelijk zo dat rood licht door de atmosfeer van de aarde minder sterk verstrooid wordt dan blauw licht. Dat komt omdat het een langere golflengte heeft en de verstrooiing van licht door hele kleine deeltjes (Rayleigh verstrooiing) sterker is voor licht met kortere golflengtes. Het licht van een ondergaande zon moet langer door de atmosfeer reizen dan wanneer de zon hoog staat, waardoor al het blauwe licht verdwijnt en alleen het rode licht nog overblijft.

Schermafdruk 2017 02 10 15.53.53

Omdat het licht langer door de atmosfeer moet bewegen, ziet de ondergaande zon er steeds roder uit naarmate hij verder zakt. Vanuit de ruimte bezien,, zonder verstrooiing door de atmosfeer, is de zon zelfs nog witter dan wanneer hij bovenaan de hemel staat. Hugo Doeleman voor NEMO Kennislink

Meer zien met minder licht

Zoals het licht met een lange golflengte makkelijker door de atmosfeer beweegt, zo komt het ook makkelijker door de wolken heen. Dat zijn namelijk ook verzamelingen kleine deeltjes (druppels). Dus als je een gele bril opzet die al het licht met korte golflengte wegfiltert, dan zie je minder verstrooid licht uit de wolken komen. Daarvoor komt er echter meer uit de richting van de zon, dat min of meer direct door de wolken heen schijnt. Dat maakt dat licht met deze kleuren meer uit één richting komt, en dus wél schaduwen kan werpen. Zo kan je die hobbels opeens wél zien. Eigenlijk heel gek: door mínder licht te gebruiken, kan je plots méér zien.

En nu die piste af!

Waar natuurkunde niet goed voor is… Veel plezier met het toepassen van de wet van behoud van draaimoment, de normaalkracht en Rayleigh verstrooiing op de piste!

Meer blogs van Hugo Doeleman

Ga naar alle gezichten van
Faces of Science

Faces of Science
wordt gepresenteerd door:

Knaw Akademie