Wat is eigenlijk lucht?
Lucht is zelf niet te zien, maar wel haar kracht als ze tegen de molenwieken botst en die aan het draaien brengt. Er moet dus wel heel veel in zitten.
De lucht op aarde bestaat uit verschillende gassen, waarvan we er sommige hard nodig hebben, en anderen schadelijk kunnen zijn. Om precies te zijn bestaat lucht voor ongeveer 78% uit stikstof (N2) en 21% uit zuurstof (O2). De resterende 1% bevat vooral het edelgas Argon (Ar), koolzuurgas (CO2), Neon (Ne), Helium (He), en waterdamp (H2O).
De letters in de namen van de gassen staan voor de atomen waaruit de gassen zijn opgebouwd: H is waterstof, C is koolstof, N is stikstof en O is zuurstof. Een 2 er achter betekent dat er twee van aan elkaar geplakt zitten: CO2 is dus 1 koolstofatoom met daaraan vast 2 zuurstofatomen. Veel atoomnamen eindigen op ‘stof’. Maar waar komt dat stof dan vandaan?
Sterrenstof
Alle atomen op aarde zijn afkomstig uit ‘overleden’ sterren in ons universum.
Onze 4.5 miljard jaar oude ster, de zon, is ruim 100 x zo groot als de aarde, en bestaat voor 70% uit de kleinste atomen die er zijn: waterstof H (één atoommassa zwaar).
Bij de temperatuur in de zon van 16 miljoen graden Celsius vindt kernfusie plaats. Bij fusie ontstaat uit H-atomen het 4 atoommassa’s zware atoom Helium He plus een heleboel licht dat onze aarde van energie voorziet. Door verdere fusie ontstaan ook nog zwaardere atomen zoals koolstof C dat 12 atoommassa’s zwaar is, stikstof N (14 atoommassa’s) en zuurstof O (16).
Er worden nog meer soorten atomen gemaakt, maar pas aan het einde van het bestaan van zware sterren. Dan exploderen ze in een supernova, waarbij de kern instort tot een neutronenster of zwart gat, en de buitenste laag gas de ruimte in wordt geblazen. Daarbij ontstaan atomen, zoals fosfor P (31 atoommassa’s zwaar).
Uit die weggeblazen gaswolken ontstaan weer nieuwe sterren en planeten, zoals de aarde. Het leven op aarde, de planten, de dieren, de lucht, is dus geheel samengesteld uit atomen uit overleden sterren.
Belangrijke biologische moleculen zoals koolhydraten, eiwitten (ketens van aminozuren), vetten en ons DNA bestaan geheel uit de atomen C, H, O, N en P. Je vindt ze overal in de lucht en in de grond.
De mens bestaat in zijn geheel uit sterrenstof. Voor het grootste deel uit zuurstof (65%) omdat dat de bouwsteen is voor water, waar we grotendeels uit bestaan.
De lucht bevat vooral verbindingen tussen O en O, N en N, en tussen O en C of H. Dat komt omdat losse atomen nogal reactief zijn en zich snel verbinden met anderen tot ‘stabiele’ moleculen.
Een onsje lichter
Niet veel mensen beseffen dat lucht best zwaar is. Een kubieke meter lucht (het volume van ruim drie wasmachines) weegt ongeveer 1.2 kg! En die kubieke meter bevat maar liefst 24 miljoen × miljard × miljard gasdeeltjes! Best veel. Je moet je voorstellen dat een liter lucht ongeveer net zoveel gasdeeltjes bevat als er wasmachines in onze aarde passen.
Al die deeltjes in de lucht bewegen rond en drukken voortdurend van alle kanten tegen je lichaam. Die druk is vergelijkbaar met 1.2 kg gewicht per vierkante centimeter huidoppervlak. Zonder die tegendruk zou je onaangenaam opzwellen! Die aardse druk wordt ook wel 1 atmosfeer of 1 bar, genoemd.
En als het menselijk lichaam een volume heeft van zo’n 80 liter, en dus de plaats inneemt van 80 liter lucht, dan weeg je volgens de wet van Archimedes door de opwaartse kracht van de omringende lucht een onsje minder zwaar dan wanneer er geen lucht zou zijn!
Fietsen door lucht
Tijdens het fietsen gebruik je de zuurstofatomen uit de lucht om energie voor het fietsen te produceren, drukt de lucht in je banden om ‘je van de straat te houden’, maar bots je ook voortdurend tegen lucht aan. Dat botsen is een voortdurende worsteling voor de fietser, zo mooi verwoord door Boudewijn de Groot in zijn lied uit 1973: “Hoe sterk is de eenzame fietser die krom gebogen over zijn stuur tegen de wind zichzelf een weg baant?”
Laten we lucht eens zien als kleine harde balletjes (gas deeltjes) waar we tegenaan botsen. Voor wat zo’n botsing betekent, maakt het wel uit hoe zwaar wij zijn in vergelijking met die balletjes, en ook hoeveel balletjes we tegen komen.
Stel, je zou heel klein zijn, even groot als één luchtballetje, en je botst er tegenaan. Dan zou je bij botsing tot stilstand komen en zou het luchtballetje met jouw snelheid verder gaan.
Een 'luchtig' landschap: Peru, fietsend tussen Cusco en Ollantaytambo.(foto: Peter Werkhoven)
Maar je bent veel zwaarder, en geeft niet al je energie, maar slechts beetje van je energie, af aan het luchtballetje dat je bij botsing voor je uit duwt. De kracht die je in totaal levert om alle luchtballetjes weg te duwen is evenredig met het aantal balletjes dat je weg duwt (dus met je frontale lichaamsoppervlak) en met de bewegingsenergie die je aan al die balletjes mee geeft (de massa van de balletjes maal hun snelheid in het kwadraat).
Dus als je 2x zo hard door de lucht fietst wordt de luchtweerstand 4x zo groot! En als het warm weer is, en de lucht uitzet, dan is het dus lichter fietsen!
Deze uitdrukking voor luchtweerstand is al bijna drie eeuwen geleden in 1738 bedacht door de in Groningen geboren beroemde natuurkundige Daniel Bernoulli.
Maar zoals we grote schrijvers en vechtersbazen graag blijven herinneren, vergeten wij helaas vaak onze grote wetenschappers. Terwijl ze ons leven met veel kennis en uitvindingen voor goed veranderd hebben. Een gedicht wordt nou eenmaal gemiddeld beter begrepen en onthouden dan wiskunde (‘kennis van wat zeker is’, denk aan ‘wis en waarachtig’).