De antwoorden van de Nationale Wetenschapsquiz 2012

Op deze pagina vind je de antwoorden van de Nationale Wetenschapsquiz 2012. Ook dit jaar weer georganiseerd door de VPRO en NWO.

De antwoorden van de Nationale Wetenschapsquiz 2012

Vraag 1

Jij en een vriend houden allebei een open fles champagne vast. Je 'vriend' slaat met de bodem van zijn fles op de opening van jouw fles waardoor de champagne uit jouw fles spuit. Hoe komt dit?
A) Stof en vlokjes van de zijkant komen in de champagne
B) Er ontstaat een lage druk bij de bodem en zijkanten
C) Microbelletjes van de luchtlaag erboven komen in de champagne
 

Het juiste antwoord is B. Er ontstaat een lage druk bij de bodem en zijkanten.

Binnenin de fles champagne heerst een hoge druk die ontstaan is door het gistingsproces. Er is een grote overdaad aan CO2 en die is opgelost in de vloeistof. De druk in een champagnefles is wel vijf keer hoger dan de druk buiten op zeeniveau. Zodra de kurk uit de fles gaat, daalt de druk in de fles en wil de CO2 ontsnappen uit de champagne. Dit veroorzaakt de belletjes.

Hoe groter het drukverschil is tussen voor en na het losschieten van de kurk, hoe sneller de CO2 uit de vloeistof wil ontsnappen. Het gaat dus allemaal om drukverschillen.

Doordat je 'vriend' op de fles slaat, gaat er een drukgolf door de champagne die ervoor zorgt dat er lokaal gebieden zijn met hogere en lagere druk. Daarbij wordt de fles heel heftig en kort naar beneden versneld waardoor de champagne een beetje achterblijft. De champagne is traag en wordt een beetje uit elkaar getrokken.

Kortom nog meer drukverlaging en dus drukverschil. Hierdoor wil de CO2 nog enthousiaster uit de vloeistof gaan en dit levert extra bellen op.

In onderstaand filmpje zie je prachtige hoge snelheidscamerafilms gemaakt door de Physics of Fluids vakgroep van de Universiteit Twente.

De foute antwoorden

De foute antwoorden waren allebei gestoeld op het feit dat bellen het makkelijkst vormen rond imperfecties. Zogenaamde condensatie nucleii. Het bekendste voorbeeld zijn de Menthos snoepjes in de Cola Light. De snoepjes hebben duizenden kleine putjes op hun oppervlak en de belletjes kunnen daar makkelijk vormen.

Vlokjes zouden dergelijke nucleatiekernen kunnen vormen, maar die zitten niet in de zijkant van de fles. Anders zou je ook de hele tijd aan de zijkant op dezelfde plek veel belletjes zien ontstaan en dat gebeurt niet. Daarbij is er geen reden waarom het slaan op de fles dit effect zou beinvloeden of bespoedigen. Ook worden er geen luchtbellen van boven in de champagne geslagen want dan zag je de belvorming veel meer richting de bovenkant van de fles.

De mentos-fontein

vraag 2

Twee metronomen met een net iets andere frequentie staan op een platform. Dit platform hangt aan veren en kan alleen horizontaal bewegen. Na enige tijd gaan de metronomen synchroon lopen. Hoe hoog zal dan de gemiddelde frequentie zijn?
A) Lager dan het gemiddelde van de twee startfrequenties
B) Exact gelijk aan het gemiddelde van de twee startfrequenties
C) Hoger dan het gemiddelde van de twee startfrequenties
 

Christiaan Huygens ergens tussen 1683 en 1687

Het goede antwoord is A. De frequentie zal lager worden dan het gemiddelde van de twee startfrequenties.

Je zal zien als je meerdere metronomen op een platform laat tikken dat ze precies dezelfde frequentie aannemen. Maar hoe komt dit nu precies en wat is de invloed op de gemiddelde frequentie? De basis van het antwoord is al eeuwen geleden ontdekt door niemand minder dan Christiaan Huygens.

Tijdens een ziektebed lag Huygens gefascineerd naar 2 zelfgebouwde slingeruurwerken te turen. Het viel hem op dat de 2 klokken exact met elkaar in pas liepen. Hij dacht dat dit te maken had met minieme beweginkjes van de balk waar de twee klokken aan hingen. Ruim 350 jaar later is aangetoond dat het inderdaad aan die balk lag dat de klokken synchroon liepen, maar dat Huygens wel erg geluk gehad moet hebben met zijn observatie. Er zijn namelijk een aantal eisen waar het systeem aan moet voldoen.

Deze tekening stond in het schetsboek van Huygens uit 1665. Een plank tussen twee stoelen en aan de plank hangen twee slingerklokken.

Stel je een plank voor die aan touwtjes is opgehangen. Als je hier 2 metronomen op zet zullen deze onder bepaalde omstandigheden synchroon gaan lopen. Allereerst mag het verschil in frequenties tussen de metronomen niet al te groot zijn, een paar procent verschil en het werkt niet meer. Daarnaast speelt het gewicht van de plank een belangrijke rol. Over het algemeen geldt hoe lichter de plank, hoe sneller synchronisatie optreed. Echter, had Huygens zijn twee klokken aan een te lichte balk opgehangen, dan had er geen synchronisatie plaatsgevonden, maar doofden de twee klokken elkaar uit.

Hoe komt het nu dat de metronomen op een vrij bewegende plank synchroon zullen gaan lopen? Dit heeft te maken met het platform; deze gaat namelijk meebewegen. Op deze manier beïnvloeden de twee metronomen elkaar via het platform, waarna ze uiteindelijk in hetzelfde ritme zullen gaan tikken. De Technische Universiteit Eindhoven heeft een opstelling gebouwd met twee metronomen (pendules) waarvan de frequentie nauwkeurig te meten is. Laat je deze metronomen in een net iets andere frequentie starten, dan zullen ze door het vrij bewegende platform uiteindelijk synchroon gaan lopen. De gemiddelde frequentie van de twee metronomen zal na synchronisatie iets lager zijn dan voor de synchronisatie. Dit komt doordat er kleine hoeveelheden energie verloren gaan in wrijving in het systeem. Het goede antwoord was dus A, de frequentie wordt lager.

Op deze manier kan je deze proef zelf thuis doen.

Thuis proberen?
Je kunt de synchronisatie van meetronomen eenvoudig thuis aantonen. Wat je nodig hebt is twee metronomen, een plankje en twee lege blikjes. Leg de twee blikjes op hun kant en leg daarop de plank. Zet nu de twee meetronomen er op en stel ze op een zelfde frequentie in. Zwengel de metronomen net iets na elkaar aan en kijk wat er gebeurt.

Binnen een paar minuten zullen de twee metronomen exact met elkaar in pas lopen. Haal je echter het plankje met de tikkende metronomen van de blikjes af en zet je het op tafel, dan zullen de metronomen weer in hun eigen ritme gaan lopen. De beweging kan nu niet meer worden doorgegeven omdat het plankje niet meer vrij kan bewegen. Let wel, dit is niet dezelfde opstelling als die in de uitzending is gebruikt. Het is puur om te laten zien hoe je thuis zonder ingewikkelde hulpmiddelen synchronisatie aan kan tonen.

Opstelling thuis neerzetten
Hieronder vind je twee voorbeelden van opstellingen. Eentje met twee metronomen van Melvyn Roerdink en Huub Maas, en eentje met drie metronomen van Ron Vonk.

vraag 3

Waar komen de minste steekvliegen op af?
A) Wit paard
B) Bruin paard
C) Zwart paard
 

Een steekvlieg

Het goede antwoord is A. De minste steekvliegen komen op witte paarden af.
Dit heeft te maken met het licht dat van de paarden weerkaatst. Vanaf de zon komen ongepolariseerde lichtgolven naar onze aarde toe. Ongepolariseerd licht betekent dat de lichtgolf in alle richtingen op en neer beweegt. Zodra zo’n lichtstraal op een wateroppervlak valt, zal het worden weerkaatst. Maar met dit weerkaatste licht gebeurt iets speciaals, het wordt namelijk gepolariseerd. Dit betekent dat de golven nog maar in een bepaalde richting bewegen. Dit gepolariseerde licht wordt door de steekvliegen gebruikt om water te vinden. In en rond het water leggen ze namelijk hun eitjes.

Hier zie je twee polarisatierichtingen. Het licht is lineair gepolariseerd.

Maar wat is dan de link met paarden?
Een zwart oppervlak polariseert ligt op een vergelijkbare manier als water. Steekvliegen, maar ook veel andere insecten zien dus feitelijk geen verschil tussen een zwart paard en water. Bruine paarden polariseren licht in mindere mate, waardoor er dus ook minder insecten op af zullen komen. Wit oppervlak polariseert licht nauwelijks, waardoor witte paarden ook niet erg aantrekkelijk zijn voor insecten.

Gek genoeg kan je het beste nog een zebra zijn. Deze dieren veroorzaken grote verwarring bij de steekvliegen doordat gepolariseerd en ongepolariseerd licht wordt afgewisseld.

Een wit, bruin zwart en zebra-achtig neppaard in de wei. Op deze paarden zat lijm die de steevliegen konden vangen.

Hoe is dit nu eigenlijk ontdekt? Hongaarse onderzoekers hebben neppaarden in een weide gezet met verschillende kleuren. Ze hadden deze ingesmeerd met lijm, waardoor de vliegen die op de neppaarden afkwamen makkelijk te tellen waren. Op de zwarte paarden kwamen veel meer vliegen af, gevolgd door de bruine. De witte neppaarden hadden het minste last van vliegen, dus het goede antwoord is A.

Polarisatie wordt naast steekvliegen ook door andere insecten en dieren gebruikt. Zo verwarren waterkevers soms autodaken voor waterpoelen. De onderzoekers pleitten er zelfs voor om donkere autodaken te verbieden op parkeerplaatsen rondom meertjes, omdat de arme kevertjes een landing op de hete autodaken niet overleven. Een Afrikaanse mestkever gebruikt gepolariseerd licht om zijn mestbal zo snel mogelijk van de mesthoop te verplaatsen. De onderzoekers ontdekten dit door een polarisatiefilter te gebruiken, waardoor het licht in een andere richting gepolariseerd werd. Hierdoor veranderde de kever zijn koers. Zodra het filter weer weg werd gehaald hervatte de kever zijn oude koers weer.

vraag 4

Je hebt 100 gram lichaamsmateriaal. Van welk materiaal kun je dan het meeste diamant maken?
A) Tanden
B) Hoofdharen
C) Verse uitwerpselen
 

Diamanten kunnen ook van menselijk materiaal gemaakt worden.

Het juiste antwoord is B. Met 100 gram haar is het meeste diamant te maken.
Diamant is de hardste stof die er bestaat. In de natuur ontstaan in diepliggende koolstoflagen ruwe diamanten door extreme temperaturen en de hoge druk die de aardkorst er op uitoefent. Door dit natuurlijke proces te kopiëren kan je ook zelf diamant maken. Koolstof wordt dan in een pers door hoge druk en hoge temperatuur getransformeerd naar een ruwe diamant. Hoe meer koolstof in de pers aanwezig is, hoe groter de diamant wordt. Helemaal onderaan staat een klein filmpje met beelden van een echt diamantpersbedrijf.

Als je zelf een diamant maakt van lichaamsmateriaal, kan je dat het beste doen met hoofdhaar, omdat dat van de drie opties procentueel het meeste koolstof bevat. Hoofdhaar bestaat bijna helemaal uit keratine en bijna geen water. Keratine is een eiwit en eiwitten bestaan voor een groot deel uit koolstof. Als je nu het percentage koolstof in haar berekent kom je uit op ongeveer 40-50%. Het grappige is dat gekruld haar relatief meer zwavel bevat dan stijl haar, en daardoor dus weer iets minder koolstof.

Daarnaast is haar ook nog eens makkelijk te verbranden tot as, wat het productieproces een stuk makkelijker maakt.

Thuis diamant maken
De natuurlijke omstandigheden waarin diamant wordt gevormd kunnen we tegenwoordig ook zelf nabootsen. Door met een acetyleen brander de enorme druk en temperatuur na te bootsen kunnen ook diamanten ontstaan. Wij hebben dit zelf gedaan bij John Schermer van de Radboud Universiteit in Nijmegen.

Diamanttest
Om te weten of je daadwerkelijk diamant hebt gemaakt kan je door middel van Raman-spectroscopie achter komen. Hieronder zie je hoe Lottie bij John aan de Radbout Universiteit haar diamant laat testen.

Doorsnede van een tand

Foute antwoorden
Tanden bestaan uit veel minder koolstof. Alleen het glazuur bevat slechts 0.001% koolstof. Als je een levende tand uit iemands mond trekt, dan zit er iets meer koolstof in, maar zeer ruim geschat is dat niet meer dan 9%. De grootste bestandsdelen van een tand zijn het glazuur (99% anorganisch), dentine of tandbeen (70% anorganisch, 20% organisch en 10% water), cement (45% anorganisch, 33% organisch en 22% water) en pulp wat bestaat uit zacht weefsel en bloed. Zoals bij het haar net al was beschreven; heeft iets wat voor 100% uit eiwit bestaat nog steeds slechts 40% koolstof in zich. Als we aannemen dat de organische delen van de tand uit 100% koolstof bestaan (wat niet zo is) dan komen we uit op een maximum hoeveelheid koolstof wat in een tand kan zitten van 8,6%. Dit is een zeer ruime schatting en dit laat zien dat hoofdharen sowieso meer koolstof bevatten dan tanden.

Verse uitwerpselen zijn lastiger om een bepaald percentage koolstof van te bepalen, dit komt omdat elke persoon een ander voedingspatroon heeft. Echter, er is onderzoek gedaan naar de stoelgang van 180 gezonde kinderen en hieruit is gebleken dat er tussen de 69% en 96% water in de uitwerpselen zat, wat het onmogelijk maakt om het meer dan 40% koolstof the laten bevatten.

vraag 5

Stel je boort een kaarsrechte spoortunnel van station Maastricht naar station Leeuwarden. Hoe diep ligt het midden van de tunnel ongeveer als de aarde een perfecte bol is?
A) 130 meter diep
B) 1300 meter diep
C) 13.000 meter diep
 

Het juiste antwoord is B.

De spoortunnel is 1300 meter diep

De aarde is natuurlijk een hele grote bol. Normaliter zien we niet zo veel van deze bolling, maar op het relatief kleine stukje van Maastricht naar Leeuwarden is dit al wel merkbaar.

Het antwoord is uit te rekenen met behulp van een tekening zoals hieronder aangegeven. In de tekening is B de bovengrondse afstand tussen Maastricht en Leeuwarden, wat 261 kilometer is. r is de straal van de Aarde (6378,1 km) en hoek α is de helft van de hoek van taartpunt M,A,L. d is tenslotte de diepte van de tunnel.

Deze vraag is het makkelijkste te berekenen als je het even uittekent

Hoek α is te berekenen door de bovengrondse afstand B te delen door 2*π*r, wat de omtrek van de aarde is; 40.075 kilometer. Nu weten we hoeveel de afstand Maastricht – Leeuwarden is, in verhouding met de omtrek van de aarde. Dit getal moet je maal 360 vermenigvuldigen om het aantal graden van hoek M,A,L te krijgen. Voor hoek α deel je dit getal door 2 omdat het slechts de halve hoek M,A,L is. Hoek α is dan 1,17 graden.

De diepte van de spoortunnel d is de straal r minus de lengte van de rode lijn. De rode lijn is r*cos[α], wat 6376,8 kilometer is. De diepte d van de tunnel is dan straal r (6378,1) minus de lengte van de rode lijn (6376,8). De uitkomst hiervan is 1,3 kilometer; oftewel de tunnel is ongeveer 1300 meter diep.

De diepste tunnel ter wereld
Dit is de diepste tunnel voor de openbare weg in de wereld in 2012. Op z'n diepste punt is hij 287 meter onder zeeniveau en de totale lengte is 7,7 kilometer. De weg is in een V-vorm naar beneden en bij de ene kant gaat de weg met 9,6 procent omlaag en aan de andere kant met 7,6% omhoog.

vraag 6

Welke kleur bloed is in levende dieren nog niet ontdekt?
A) Wit
B) Groen
C) Zwart
 

Rode Bloedcellen

Het goede antwoord is C. Zwart bloed is nog nooit in levende dieren gevonden.
Bloedvoorziening is van levensbelang. Is er in je lichaam een plek waar geen bloed meer komt, dan levert dit grote problemen op. Weefsels in je lichaam kunnen namelijk niet zonder zuurstof en voedingsstoffen. Deze worden via het bloed getransporteerd. Wordt deze toevoer afgesloten, dan zal het achterliggende weefsel zeer waarschijnlijk afsterven, iets wat je bijvoorbeeld bij een hartinfarct kan zien.

Zuurstof is dus van essentieel belang voor overleving. Toch is slechts 2 procent van de zuurstof opgelost in het bloed. Het merendeel wordt bij zoogdieren vervoerd door de stof hemoglobine. Dit ijzerhoudende eiwit kan een zuurstofmolecuul binden aan zijn hemegroep. Dit geeft een helder rode kleur. Zodra het zuurstof wordt afgegeven aan de weefsels kan hemoglobine kooldioxide afvoeren naar de longen. Dit zuurstofarme bloed heeft een donkerrode kleur en is dus niet blauw zoals door veel tekstboeken wordt gesuggereerd.

Deze degenkrabben zijn de werkelijke edele dieren. Zij hebben blauw bloed.

Toch bestaat er ook blauw bloed en wel in de degenkrab. Doordat dit dier geen hemoglobine heeft, maar het koperhoudende eiwit hemocyanine, heeft het bloed van een blauwe kleur. Zodra dit eiwit zuurstof bindt krijgt het een helder blauwe kleur. Dit is niet het enige speciale aan het bloed van de degenkrab, het bevat namelijk een heel speciaal eiwit. Zodra het LAL eiwit in het bloed in contact komt met een ziekteverwekker, gaat het bloed klonteren. De farmaceutische industrie heeft hier handig op ingespeeld door LAL te gebruiken als screeningsmiddel voor bacterien in medicijnen. Naast blauw bloed bestaan er nog veel meer kleuren bloed in het dierenrijk.

Bijvoorbeeld met het eiwit hemerythrin, wat een roze kleur geeft als het aan zuurstof bindt. Een penisworm maakt gebruik van dit systeem en heeft dus roze bloed. Er bestaan ook hagedissen van het Prasinohaema geslacht met groen bloed. Hun bloed bevat heel veel galpigment (biliverdine). Het bloed van deze hagedissen kan wel 40 keer zoveel galpigment bevatten als voor mensen dodelijk zal zijn. Het zuurstoftransport verloopt gewoon door middel van hemoglobine.

Een ijsvis, zoals hierboven, heeft wit bloed.

Als laatste is er in de zeeën rondom Antartica een vis gevonden met wit bloed. Deze ijsvis leeft onder zulke barre omstandigheden, dat er meer zuurstof kan oplossen in hun bloed. Gas lost namelijk beter op in koudere vloeistoffen en het bloed van deze ijsvis is gemiddeld rond het vriespunt. Om toch voldoende zuurstof te vervoeren heeft de ijsvis wel relatief vier keer zoveel bloed dan de mens. Omdat er verder niet veel eiwitten in het bloed zitten heeft dit bloed uiteindelijk een witte kleur.
Zwart bloed is tot nu toe nog niet in levende dieren gevonden. Het goede antwoord op deze vraag is dus C.

vraag 7

Hoe komt het dat een kikker dode muggen links laat liggen?
A) Omdat ze niet bewegen
B) Omdat ze onaangenaam ruiken
C) Omdat ze geen geluid maken
 

Een kikker. Als je heel stil staat, ziet hij je niet.

Het goede antwoord is A. Kikkers kunnen namelijk alleen maar bewegende beelden waarnemen en zullen dode vliegjes dus niet opmerken
Zo koel als een kikker zijn, een spreekwoord dat helemaal past bij de kikker. Hun zintuigen werken namelijk op een andere manier dan bij ons mensen. Kikkers kunnen ruiken, maar gebruiken geur alleen om zich te oriënteren. Op deze manier kunnen ze namelijk hun poel terugvinden.

Gehoor speelt een belangrijke rol in de communicatie met soortgenoten. Kikkers kwaken er tijdens de paartijd lustig op los, iets wat door omwonenden niet altijd op prijs wordt gesteld. De kikkers proberen zo de andere sekse te lokken. Ze kunnen dus wel degelijk horen.

Kikkers kijken heel anders naar de wereld dan wij mensen. Ze houden hun ogen helemaal stil, waardoor het beeld van de wereld om hun heen vervaagd na verloop van tijd. Mensen compenseren dit, doordat onze ogen continu minuscule beweginkjes maken, zogeheten micro saccades. Dit zorgt er voor dat wij stilstaande objecten scherp kunnen blijven zien. Kikkers doen dit niet, waardoor bewegende objecten extra goed opvallen. Als een kikker voor zich uit tuurt, vervaagd het beeld binnen enkele seconden. Vliegt er een vliegje in zijn gezichtsveld, dan zal deze wel opgemerkt worden en door de kikker worden verorberd. Een kikker zal de dode vlieg dus links laten liggen omdat deze niet beweegt en dus niet zichtbaar is voor de kikker.

Optische illusie

 

Hoe werken nu die micro saccades precies? Denk eens aan een moment dat je voor je uit zit te staren en het gene waar je naar kijkt helemaal vervaagd. Dit is de manier hoe de kikker de wereld ziet. Bij ons zorgen allerlei beweginkjes van onze ogen er voor dat het beeld normaal niet vervaagd. Dit zijn de zogeheten fixerende oogbewegingen. Een voorbeeld daarvan zijn de micro saccades, uiterst snelle bewegingen van ongeveer 10 to 30 ms. Ze zijn goed te illustreren met bovenstaand figuur.

Je kijkt naar de witte vierkantjes, maar ondertussen zie je daaromheen de zwarte rondjes alle kanten op bewegen. Je ogen kijken constant net iets anders naar het figuur, waardoor het lijkt alsof de rondjes gaan bewegen. Die bewegingen zorgen er dus voor dat wij mensen stilstaande beelden scherp kunnen zien; het beeld van waar we naar kijken wordt namelijk vele malen per seconde ververst, maar dan onder een net iets andere hoek.

Ook padden reageren alleen op beweging

Bewegings experiment
In het onderstaande filmpje is te zien hoe een pad alleen reageert op een bewegend voorwerp. Hierin lijken padden erg op kikkers.

vraag 8

Als je twee rasters over elkaar legt, ontstaat vaak een nieuw lijnenpatroon. Welk materiaal heeft te maken met de naam van dit verschijnsel?
A) Textiel
B) Papier
C) Plastic
 

Ee stukje Moire-zijde

Het goede antwoord is A. Dit komt namelijk van het Franse Moiré-zijde, waar het verschijnsel van Moiré naar is vernoemd. Zijde is een soort textiel.

Dit was een puzzelvraag en uiteraard niet het meest direct gesteld. Een beetje cryptisch misschien wel.

Waar we hier eigenlijk naar vragen is het verschijnsel dat ontstaat als je twee transparante lijn- of puntrasters over elkaar heen legt. Als je kijkt door de rasters naar het punt waar de lijnen elkaar overlappen, ontstaat er een patroon. Dit verschijnsel wordt Moiré genoemd. Als je de rasters ten opzichte van elkaar beweegt zal je zien dat de patronen ook bewegen. De naam komt van Moirézijde, een soort gewaterde of gevlamde zijde waarop soortgelijke patronen te zien zijn. Zijde en dus textiel heeft direct te maken met het dynamische patroon dat vaak ontstaat als je twee rasters over elkaar legt.

Zijn Moiré-effecten dan alleen maar negatief? Zeker niet, je kan er leuke dingen mee doen! Kijk maar eens naar de volgende voorbeelden.

Het Moiré-effect

vraag 9

In de topsport zijn schaatsers sneller dan hardlopers op alle officiële afstanden. Waardoor komt dat eigenlijk?
A) Door de kou in een schaatshal is de lucht ijler dan op een atletiekbaan
B) Het aerobe energiesysteem van een schaatser is altijd groter dan dat van een hardloper
C) Schaatsers gebruiken hun afzetpunt voordeliger
 

Schaatsers gebruiken hun afzetpunt voordelig waardoor ze harder gaan dan hardlopers

Het goede antwoord is C. Schaatsers gebruiken hun afzetpunt voordeliger.
Een schaatser moet een bepaald vermogen leveren om de luchtwrijving en frictie van het ijs te overwinnen. Dit doet hij door slagen te maken en per slag een bepaalde hoeveelheid arbeid te verrichten. Het vermogen is gelijk aan de arbeid per slag maal de slagfrequentie. Hij zou zijn slagfrequentie kunnen verhogen door sneller en vaker af te zetten, maar daar zitten beperkingen aan.

Het echte verschil tussen schaatsen en hardlopen is dat bij lopen een afzet gemaakt moet worden tegen een vast punt op de aarde (contact tussen schoen en grond), terwijl het punt van afzet bij schaatsen met de schaatser meebeweegt (een glijdende afzet). Hierdoor kan hij een langere tijd afzetten en dus kracht leveren dan de hardloper die hier maar een punt voor heeft. Bij een bepaalde snelheid kan de hardloper zijn been niet sneller meer naar achter en voren roteren om telkens die afzet tegen de vaste grond te maken. Een schaatser heeft hier veel minder last van, omdat bij hem er geen strikte relatie is tussen rotatiesnelheid in de benen en voorwaartse snelheid. Door deze ontkoppeling is de schaatser in staat om bij hogere snelheden arbeid te blijven leveren bij relatief lage streksnelheden.

Dat je op een gegeven moment niet harder kunt rennen is te vergelijken met een step: als je met je voet afzet, heb je op een gegeven moment je maximum snelheid bereikt. Je been kan dan niet meer sneller roteren en dus geen extra snelheid meer maken.

 

Hardlopers hebben een groter aeroob energiesysteem

Foute antwoorden

Door de kou in een schaatshal is de lucht niet ijler dan op een atletiekbaan. De luchtdrukverschillen zijn zo klein dat ze niet het grote snelheidsverschil kunnen verklaren. Daarbij wordt de lucht voornamelijk ijler als de baan hoger boven zeeniveau komt te liggen. Als beide banen dus op dezelfde hoogte liggen zal de luchtdruk nagenoeg gelijk zijn.

Ook hebben schaatsers geen groter aeroob energiesysteem dan hardlopers, het is juist andersom! Uit verschillende metingen is gebleken dat in de topsport hardlopers een groter aeroob energiesysteem hebben dan schaatsers. Dit komt omdat hardlopers in de top geselecteerd worden op hun grote aeroob energiesysteem, dit is zeer belangrijk om bij de snelste te kunnen behoren. Schaatsers hebben naast het aeroob energiesysteem nog andere belangrijke factoren waarop de topsporters zich differentiëren; denk aan materiaal en techniek. Daarnaast hebben schaatsers ook een groot anaeroob systeem nodig, omdat ze minder zuurstof in hun benen krijgen door hun gebogen houding.

Energiehuishouding

Als je wilt weten hoe de energiehuishouding in een cel op moleculair niveau werkt, is hier een redelijk overzichtelijk filmpje dat een idee geeft.

Maar wat is dat nou eigenlijk, aeroob en anaeroob?
Aeroob betekent "zuurstof behoevend", dus anaeroob betekent "zonder aanwezigheid van zuurstof". Dit heeft te maken met de verbranding van brandstof in de spieren. Denk bij brandstof in dit geval aan koolhydraten, vetten en eiwitten. Met deze brandstoffen kan je spieren en dus je lichaam bewegen. De brandstoffen worden verbrand om energie voor de spieren vrij te maken. Bij aerobe verbranding gebruiken de spieren zuurstof om de brandstof volledig te verbranden, terwijl bij anaerobe verbranding de spieren geen zuurstof gebruiken. Bij anaerobe verbranding komen afvalstoffen vrij zoals melkzuur, die in de lever weer kunnen worden omgezet naar suikers.

Maar waarom gebruikt het lichaam dan niet altijd de aerobe verbranding? Dit is omdat bij de anaerobe verbranding er veel sneller energie vrij kan worden gemaakt dan bij aerobe verbranding, waar het lichaam eerst zuurstof vanuit de longen naar de spieren moet vervoeren. Bij korte, heftige energiebehoeftes zoals een sprint korter dan 15 seconden zal het lichaam voornamelijk het anaerobe systeem gebruiken. Bij inspanningen langer dan 15 seconden gaat het lichaam over op aerobe verbranding, waarbij suikers, vetten en eiwitten verbrand kunnen worden.

vraag 10

Als je op de planeet Venus zou zijn, hoe zou je stem daar dan klinken?
A) Als een dwerg met een luide hoge stem
B) Als een dwerg met een zachte lage stem
C) Als een reus met een luide lage stem
 

Het goede antwoord is: B. Als een dwerg met een zachte lage stem.
In alle drie de antwoorden kom je drie verschillende eigenschappen van geluid tegen.
1: Het volume (hard/zacht)
2: De toonhoogte (hoog/laag)
3: Het gehoorde formaat (klein/groot of dwerg/reus)

1. Het volume

Kooldioxide wordt vast bij ongeveer tachtig graden onder nul en sublimeert als je het warm maakt. De ontstane nevel wordt gebruikt bij toneel en tv voor een grimmige en toverachtige sfeer en bij de wetenschapsquiz junior om flesje te laten borrelen.

Op Venus heerst een enorm broeikaseffect. De atmosfeer bestaat bijna volledig uit CO2 (96%) en de temperatuur is ruim vierhonderd graden. De druk is ook enorm namelijk 92 keer meer dan hier op aarde. Als er veel lucht is in de atmosfeer dan is dat goed voor het transport voor geluid, dus je zou verwachten dat in deze dichte atmosfeer geluid goed wordt doorgegeven. Op Mars bijvoorbeeld waar de druk honderd keer lager is dan op aarde zal geluid nauwelijks worden doorgegeven, maar op Venus is er nog wat aan de hand. De CO2 zorgt namelijk voor enorme demping in het geluid.

De twee zuurstofatomen zullen gaan trillen ten opzichte van het koolstofatoom door het stemgeluid. Hierdoor wordt er veel energie uit het geluid gehaald en zal het geluid dus snel gedempt worden. Je klinkt dus zachter.

Een stemvork trilt net zoals een stemband

2. Toonhoogte
Onze stem wordt geproduceerd door twee trillende spiertjes die de stembanden vormen. Wanneer er lucht langs die spiertjes gaat wordt de lucht in trilling gebracht en dat horen wij als geluid. Als de druk in de atmosfeer nu heel erg hoog is, zoals op Venus, dan hebben je stembanden meer moeite om de trilling vol te houden. Ze remmen af en kunnen minder vaak trillen per seconde, dus je toonhoogte gaat omlaag. Voor een volwassene is dat ongeveer een half octaaf maar voor een kind kan de stem wel een octaaf omlaag gaan.

Evolutie zorgt ervoor dat je kunt horen of iets een prooi- of een roofdier is

3. Het formaat
Deze is het moeilijkst omdat weinig mensen weten dat je onbewust kunt horen of iets een groot dier is of een klein dier. Natuurlijk hebben grote beesten vaak lagere stemmen dan kleine beesten omdat de resonante frequenties in een groot beest lager liggen dan in een klein beest. Maar daar gaat het niet om in dit geval. Het heeft met echo's te maken. Wanneer je praat, wordt het geluid geproduceerd in je stembanden. Dat geluid botst binnen in jou ook nog op allerlei botten en holtes waardoor er kleine echo's ontstaan van het primaire stemgeluid. Die echo's komen een fractie van een seconde later aan bij de toehoorder en onbewust hoor je die vertraging. Als een beest nu groot is dan zijn de echo's langer onderweg dan wanneer het een klein beestje is. De tijdsduur tussen het primaire geluid en alle echo's wordt bepaald door de grote van het beest en dit kunnen we onbewust horen.

Op Venus is de druk van de atmosfeer enorm, hierdoor neemt de geluidssnelheid toe. Het geluid zal dus op Venus sneller op en neer gaan in je keel dan op aarde en daardoor neemt de tijd tussen de echo's af. Het lijkt dus nu alsof je kleiner bent. Je klinkt dus als een dwerg met een zachte lage stem.

Omdat dit een minder bekend fenomeen is kon je ook zonder deze kennis de vraag goed oplossen als je aan CO2 had gedacht en de omgevingsdruk. De stem is hoe dan ook zacht en laag.

Tim Leighton

De expert die ons geholpen heeft hiermee is professor Tim Leighton van de Universiteit van Southampton. Hij vertelde ons aan de telefoon dat hij voor NASA bezig was om uit te zoeken of microfoons een bruikbaar hulpmiddel zouden kunnen zijn om onderzoek te doen op andere hemellichamen.

Toen de Huygens-probe landde op Titan, de grootste maan van Saturnus, was men ervan uit gegaan dat die waarschijnlijk zou landen in een meer van vloeibaar methaan. Een microfoon is handig om te detecteren hoe de landing ging. Uit het geluid kun je veel informatie halen. Het probleem is dat je wel eerst moet weten hoe geluid klinkt op andere hemellichamen. Misschien moet je namelijk je microfoon aanpassen op een ander frequentiebereik. Op Mars heb je nauwelijks atmosfeer en zul je microfoons op de grond moeten leggen om geluid op te vangen. Al dit soort dingen bekijkt professor Leighton samen met andere experts en hij heeft een computer programma dat geluid kan laten klinken alsof het gemaakt is op Venus, Titan en Mars.

vraag 11

In Nederland staan met wiskundige zekerheid ten minste twee bomen met hetzelfde aantal blaadjes.
A) Juist
B) Onjuist
C) Dat kan je niet met zekerheid zeggen
 

Een boom

Het goede antwoord is A. Dit valt met wiskundige zekerheid te zeggen.
Het is namelijk gebaseerd op het duiventilprincipe, waarbij geldt dat als het aantal bomen in Nederland groter is dan het aantal blaadjes dat een boom maximaal kan dragen, je met zekerheid kan stellen dat er minimaal 2 bomen zijn met hetzelfde aantal blaadjes.

Om dit voorbeeld te versimpelen stellen we Nederland even voor als een land waar bomen maximaal 5 blaadjes kunnen hebben. Er bestaan dus maximaal 6 bomen met een verschillend aantal blaadjes. Je kan een boom hebben zonder blaadjes, maar ook met 1, 2, 3, 4 of 5 blaadjes. De zevende boom heeft dan altijd een zelfde hoeveelheid blaadjes als een van de andere 6 bomen. Met andere woorden, als er in dit eenvoudige Nederland meer dan 6 bomen zijn en het maximum aantal blaadjes aan een boom is 5, dan weet je zeker dat er altijd minimaal twee bomen zijn met hetzelfde aantal blaadjes.
Nu even vertalen naar het echte Nederland. Willen we zeker weten dat er minimaal twee bomen zijn met hetzelfde aantal blaadjes, dan moeten er dus meer bomen zijn dan het maximum aantal blaadjes van een boom. Laten we beginnen met het aantal bomen in Nederland. Staatsbosbeheer schat dat er ruim 200 miljoen bomen zijn met een diameter van minimaal 5 cm.

Het aantal blaadjes per boom is iets lastiger te achterhalen. Er zijn sparren bekend die tot wel 5 miljoen naalden kunnen hebben. Maar wil je zeker weten dat een boom geen 200 miljoen blaadjes kan hebben, dan moet je de situatie omdraaien en uitrekenen hoe zwaar 200 miljoen blaadjes zouden zijn. Het drooggewicht van 1 blad is ongeveer 5 gram. Dat betekent dat 200 miljoen blaadjes samen 1000 ton wegen. Ter vergelijking, een hectare beukenbos in Spanje had een bladmassa van 3.4 ton. Het is dus niet aannemelijk dat er in Nederland een boom is die 250 keer meer bladeren zou hebben dan een hectare bos in Spanje.

Op deze manier hebben we aangetoond dat het aantal bomen in Nederland groter is dan het aantal blaadjes dat een boom maximaal kan dragen. Uitgaande van het duiventil principe weet je dus zeker dat er minimaal twee bomen zijn met hetzelfde aantal blaadjes.

Op vergelijkbare manier zijn er veel meer voorbeelden te bedenken. Zo weet je zeker dat

  • er minimaal twee vrouwen zijn in Utrecht met evenveel haren op hun hoofd
  • als je met een groep van 367 mensen bent, er altijd minimaal twee op dezelfde dag jarig zijn.
  • er in de grootste bibliotheek ter wereld twee boeken staan met evenveel letters
  • Wellicht heeft u nog meer ideeën?

vraag 12

Twee groepen studenten doen mee aan een saai en vervelend onderzoek. De ene groep krijgt als beloning 3 euro, de andere groep 30 euro. Na afloop moeten ze aan de volgende deelnemer vertellen dat het onderzoek leuk was. Welke groep vindt het onderzoek achteraf het minst vervelend?
A) De groep met de grootste beloning
B) De groep met de kleinste beloning
C) Er is geen verschil
 

Het goede antwoord is B. De groep met de kleine beloning vindt dit het minst vervelend. Maar hoe zit dit nu precies?

Al stapelen de discussies over sociaal psychologisch onderzoek zich tegenwoordig op, in de jaren vijftig van de vorige eeuw was hier nog geen sprake van. In deze tijd werd er volop onderzoek gedaan en wat bleek? Mensen vinden het vervelend dingen te zeggen die niet kloppen met hun eigen mening. Na een lange, oersaaie en vervelende taak is het moeilijk om tegen een medestudent te zeggen dat de taak leuk was. Dit heet cognitieve dissonantie.

Mensen proberen deze tegenstrijdigheid op te lossen door hun gedrag te rechtvaardigen. Je zou kunnen denken dat de taak achteraf gezien toch niet zo saai was. De groep studenten die een hoge vergoeding kreeg had deze rechtvaardiging echter niet nodig, ze kregen immer betaald om te liegen. De andere groep met de lage beloning moest hun eigen gedrag wel rechtvaardigen en de vergoeding van 3 euro was niet voldoende. Daarom logen ze zichzelf voor door te denken dat het allemaal wel mee viel. Dit vertelden ze vervolgens ook tegen de volgende deelnemers. De groep met de lage beloning vond de taak achteraf dus minder vervelend en er was wel degelijk een verschil tussen de twee groepen.

Leon Festinger

De theorie over cognitieve dissonantie is in 1957 voor het eerst gepubliceerd door de New Yorkse psycholoog Leon Festinger. Een bekend voorbeeld van de theorie komt uit de fabel ‘De vos en de druiven’ van Aisopos. Hierin ziet een vos ergens lekkere druiven hangen, maar ze hangen te hoog waardoor hij er niet bij kan. Omdat hij er niet bij kan zegt ze vos tegen zichzelf: ze zijn vast niet zo lekker als dat ze er uit zien, of ze zijn zuur. In eerste instantie wil de vos de druiven opeten, maar als blijkt dat de druiven onbereikbaar zijn gaat hij maar voor zichzelf goed praten dat hij er niet bij kan.

Cognitieve Dissonantie

vraag 13

Een netje gevuld met stalen knikkers en kurken drijft net onder het oppervlak van het water in een aquarium. Wat gebeurt er met het waterniveau wanneer je het netje stuk knipt?
A) Het stijgt
B) Het blijft gelijk
C) Het daalt
 

Archimedes, geschilderd door Domenico Fetti

Het goede antwoord is dus C. Het waterniveau zal dalen omdat de kurken knikkers naar boven zullen drijven.
Alle knikkers zitten vast in het netje onder water. Zodra je het netje echter open knipt, dan zullen de stalen knikkers naar de bodem zakken. Dit zal geen invloed hebben op het waterniveau. De kurken knikkers zullen daarentegen gaan drijven, waardoor het totaal verplaatste volume water minder zal zijn dan toen de kurken knikkers nog onder water waren. Dit zal er toe leiden dat het waterniveau in het aquarium zal dalen.

 

 

vraag 14

Hoeveel dominostenen zijn minimaal nodig om een dominosteen ter grootte van de Utrechtse Domtoren om te gooien? Je begint met een standaard dominosteen. Bij vergroting van de opvolgende stenen schalen alle dimensies mee.
A) Minimaal 8
B) Minimaal 20
C) Minimaal 32
 

Onze domino-opstelling voor onze recordpoging voor grootste vallende dominosteen.

Het goede antwoord is B. Je hebt minimaal 20 dominostenen nodig om een dominosteen ter grootte van de Domtoren om te gooien.

Noot van de redactie en NWO:
Taalkundig gezien is het woord 'minimaal' hier een verwarrende factor. Want als het antwoord 'minimaal 20' is, is antwoord A 'minimaal 8' (8 of meer stenen) dus ook goed. Onze excuses voor deze onbedoelde verwarring, het ging ons uiteraard om de berekening.

De reden dat wij twintig hebben gekozen als optie B was om de vraag haalbaar te maken. Wij konden moeilijk verwachten dat mensen een volledig natuurkundig theoretisch model gaan maken van dominostenen. Een dergelijk model is verre van triviaal. Op internet vind je sowieso filmpjes met een vergrotingsfactor die 20 mogelijk maakt en dit is ook zelf thuis met een schaalmodel te vinden. Antwoord A is sowieso niet haalbaar in theorie en praktijk en C bevat meer stenen dan nodig. Wij wilden dus het antwoord wat haalbaarder maken voor iedereen. Hierdoor is deze verwarring ontstaan. Excuus voor het onhandig gebruik van het woord minimaal.

In dit filmpje zie je hoe een standaard dominosteen (4,8 cm hoog) een grotere dominosteen kan omgooien en dat elke opvolgende steen 1,5 keer groter is in de hoogte, breedte en dikte.

Als je met deze vergroting (1,5) gaat rekenen, kom je erachter dat je met 20 stenen al een steen ter grootte van de Domtoren (112 meter) kunt omgooien. Bij een vergroting van 1,5 is de twintigste steen 106 meter. De eenentwintigste steen is dan 160 meter. Met 20 stenen en een vergroting van 1,5 kan dus gemakkelijk een steen van 112 meter worden omgegooid.

Dus hiermee valt antwoord C al duidelijk af en weten we dat antwoord B sowieso al werkt. De vraag is nu, kan het ook met acht stenen in antwoord A. Door thuis met schaalmodellen te spelen zie je al heel snel dat de vergroting van antwoord A niet haalbaar is. Maar je kunt het ook theoretischer aanpakken.

De maximale vergrotingsfactor voor holle en massieve dominostenen is afhankelijk van de afstand tussen de stenen.

In 2004 heeft Hans van Leeuwen van de Universiteit Leiden een theoretisch model gemaakt voor vallende dominostenen. Dat model uit 2004 kunt u hier vinden en hij deed dat vanwege vraag 9 in de Wetenschapsquiz van 2003. Als u interesse heeft voor hoe een natuurkundig model gemaakt wordt, wat wiskunde kent en vooral wat tijd over heeft, kan ik dit prachtige artikel van harte aanbevelen.

Dit jaar heeft hij opnieuw hard gewerkt om het model verder uit te breiden. En geprobeerd af te schatten wat de maximaal haalbare vergroting is. In de figuur hierboven ziet u het resultaat voor holle dominostenen (rood) en massieve dominostenen (zwart).

In het theoretisch meest gunstige geval kom je uit op hooguit 2,3 en zelfs daarmee red je het niet met acht stenen. Daar komt bij dat hoe zwaarder je stenene zijn, dit alleen maar omlaag gaat. En er worden een aantal flinke aannames gemaakt in het model.

  • De dominostenen staan perfect parallel aan elkaar.
  • De dominostenen schuiven wrijvingsloos langs elkaar.
  • De dominostenen hebben oneindige weerstand met de vloer.
  • Ze blijven op elkaar liggen.

Als er niet aan deze aannames wordt voldaan zal de vergrotingsfactor kleiner worden. En aan alle factoren kan je in de realiteit niet echt voldoen. Hierdoor komt de vergrotingsfactor lager te liggen.

Dus samengevat. Een vergroting van 1,5 is makkelijk te doen en daardoor valt antwoord C af. De vergroting die bij A nodig is, is zowel in theorie als in praktijk onhaalbaar. Daarmee blijft antwoord B staan.

Recordpoging
Het is ons gelukt om het record voor de grootste vallende dominosteen te verbreken. Anno 2014 staat deze echter op naam van een groep Amerikanen. Desalniettemin is hier het filmpje.

vraag 15

Twee mensen spelen een spel met 22 muntjes. Om en om pakken ze 1, 3 of 4 muntjes weg. Degene die de laatste munt(en) van tafel pakt, verliest. Als beiden perfect spelen, dan zal degene die begint:
A) Altijd winnen
B) Altijd verliezen
C) Is niet te zeggen

Het goede antwoord is: B. Altijd verliezen.
Er is een tak van de wiskunde die onderzoekt hoe je een spel tot het beste einde kunt brengen. Men gaat er dan vanuit dat beide spelers geen fouten maken en altijd proberen te winnen. Dus dat ze het zogenaamde perfecte spel spelen. Zo kun je bij het spelletje Boter Kaas en Eieren altijd een gelijk spel afdwingen. Dat is dan ook het hoogst haalbare als beide spelers perfect spelen. Het spel vier-op-een-rij werd voor het eerst opgelost in 1988 en toen bleek dat de speler die begint altijd kan winnen. Dus mocht je ooit begonnen zijn bij vier-op-een-rij en verloren hebben, dan is het toch echt je eigen schuld.

Terugwerkend van het eindspel, kun je bedenken welke posities je laten winnen en verliezen

Om deze vraag op te lossen moet je terugqwerken vanaf het eindspel. Immers je weet zeker dat, wat je ook doet, je hoe dan ook verloren hebt als je tijdens jouw beurt 1 muntje voor je hebt liggen. Die MOET je wegpakken. Dus in het schema hierboven zetten we 1 muntje in de lijst van verloren posities.

Als je slim speelt dan is 2 een gewonnen positie. Immers je kunt één muntje wegpakken zodat de ander er 1 overhoudt en dus verliest. We zetten 2 nu in de kolom gewonnen positie. Drie munten is weer verloren omdat je alle munten kan wegpakken (en dan heb je sowieso verloren), je mag in dit spelletje niet twee munten weghalen en als je één munt weghaalt dan houdt de tegenstander twee munten over en heb je dus verloren omdat twee munten een gewonnen positie is voor de tegenstander.

Bij 4 munten kun je wel alle munten wegpakken en heb je verloren, maar we gaan ervanuit dat je wilt winnen en goed speelt. Dus pak je niet alle munten weg, maar pak je bijvoorbeeld drie munten weg. De tegenstander staat dan op 1 munt en heeft verloren. Je kunt ook één munt wegpakken en dan staat de tegenstander op 3 munten en we weten van het schema dat dit ook een verloren positie is.

Zo vullen we het schema gestaag in. Bij 5 munten pak je er vier weg zodat de ander op 1 staat en dit is dus een gewonnen positie. Bij 6 munten pak je er drie weg en win je omdat de tegenstander op 3 staat. Bij 7 munten pak je er vier weg en ook hier win je omdat de tegenstander op 3 staat.

Vanaf nu komt er een patroon in zoals zichtbaar is op het plaatje hierboven. Bij 22 munten verliest degene die begint.