Hoe de apparaten in huis precies werken, beschrijven Cédric Ray en Jean-Claude Poizat in hun boek ”De natuurkunde in alledaagse apparaten” (2010, ISBN 9789085712534; € 42,50). Beknopt leggen ze uit welke principes belangrijk zijn om het apparaat te laten werken. Ze verduidelijken dat met eenvoudige voorbeelden uit het dagelijks leven.

Zo bespreken ze bij de gloeilamp de deeltjes- en de golftheorie van licht en leggen daarbij het principe uit van reflectie van licht en het kleurenspectrum van gloeiend metaal. Ook leert de lezer hoe het komt dat een gloeidraad op den duur breekt, zodat het peertje vervangen moet worden.

De auteurs besluiten elk hoofdstuk met een ”vraagbaak”, waarin aardige weetjes aan bod komen, zoals: Wat is de temperatuur van de zon? Wat is de temperatuur van het glas van een gloeilamp?

”De natuurkunde in alledaagse apparaten” neemt zestien alledaagse apparaten onder de loep en is rijk voorzien van duidelijke foto’s en tekeningen die de uitleg ondersteunen.

Opmerkelijk is dat de auteurs een kerncentrale ook beschouwen als een alledaags apparaat. Dat verraadt de Franse oorsprong van het boek: dat land telt 59 kerncentrales. In Nederland ligt dat toch wat anders.

Kwartshorloge

Kwarts –of SiO2– is beslist geen zeldzame stof. Een wit zandstrand bestaat er bijvoorbeeld voor een groot deel uit. Zuivere kristallen komen voor als kubussen en zeshoeken en hebben bijzondere eigenschappen.

Zo toonden de broers Pierre en Jacques Curie in 1880 aan dat kwarts onder druk een elektrische spanning opbouwt. Als het kristal vervormt, verstoort dat de symmetrische vorm van de kubussen of de zeshoeken en krijgt het een elektrische lading. Andersom werkt het ook: het kristal gaat trillen als er spanning op staat.

Met deze kennis in het achterhoofd bouwden onderzoekers in het Amerikaanse Belllaboratorium in 1927 het eerste ‘kwartshorloge’ , ter grootte van een buffetkast. Het duurde tot 1980 voordat het draagbare kwartshorloge voor iedereen bereikbaar werd.

Een batterij levert de energie om een speciaal geslepen kristal met de juiste frequentie te laten trillen. Een trillingsfrequentie van 1 hertz komt precies overeen met één tik per seconde van het uurwerk.

Koelkast

Het idee om levensmiddelen te bewaren door ze te koelen is al eeuwen oud: de Romeinen verpakten aan het begin van onze jaartelling al vis uit de Rijn in ijs om deze naar Rome te vervoeren.

De hedendaagse koelkast werkt anders. Hierin perst een compressor koude, gasvormige koelvloeistof samen, waardoor de temperatuur en de druk omhoog gaan. Het opgewarmde gas verandert door de hoge druk in een vloeistof die heter is dan de omgeving.

Vervolgens geeft de vloeistof in een condensator –het zwarte rek aan de achterzijde van de koelkast– zijn warmte af aan de omgeving.

Daarna passeert de vloeistof een expansieventiel, waardoor de temperatuur en de druk weer dalen en er een vloeistof-gasmengsel ontstaat. Dat mengsel neemt de warmte op uit de koelkast, waarna de cyclus opnieuw begint.

Tot 1989 werd freon gebruikt als koelvloeistof. Dat is inmiddels verboden vanwege de schadelijke effecten voor de ozonlaag. Nu gebruiken fabrikanten onder meer isobutaan.

Rookmelder

Waar rook is, is vuur, zei Tijl Uilenspiegel ooit. Van die wetenschap maken ook de rookmelders gebruik, die inmiddels in veel woningen zijn geïnstalleerd. Rook bestaat uit kleine roetdeeltjes, die bij brand door de lucht gaan zweven.

Het is zaak om deze vroegtijdig te detecteren, en dat kan met rookmelders. Ze zijn er in twee soorten: optische en ionisatiemelders.

In een optische melder stuurt een ledlampje een permanente lichtstraal naar een foto-elektrische ontvanger. Als er rook door de melder zweeft, onderbreken de roetdeeltjes de lichtstraal, en gaat er een alarm af.

In een ionisatierookmelder produceert het radioactieve americium-241 straling die elektronen onttrekt aan luchtdeeltjes die door de melder stromen. Deze worden daardoor elektrisch geladen. Twee elektroden, een plus en een min, meten vervolgens een energieverschil in de constante stroom geïoniseerde lucht.

Als er roetdeeltjes meekomen, kunnen de heliumkernen niet genoeg luchtdeeltjes ioniseren. De elektroden meten een kleiner energieverschil, en het alarm gaat af.

Navigatie

Met de aanschaf van een navigatiesysteem koopt de consument tegelijk toegang tot een serie gps-satellieten die in een baan om de aarde draaien. Het maakt gebruik van een aantal satellieten die zich op een hoogte van 2300 kilometer met 13.000 kilometer per uur door de ruimte verplaatsen. Met die snelheid ‘hangen’ ze continu boven hetzelfde punt op aarde.

Om de positie van de gps-ontvanger, zoals een navigatiesysteem of een smartphone, te bepalen, zijn minimaal vier satellieten nodig. De satellieten zenden continu tijdsignalen uit en de ontvanger pikt die informatie op. Het systeem berekent vervolgens de afstand tot de satellieten en bepaalt daarmee de positie van de ontvanger tot 10 meter nauwkeurig. Hoe exact de plaatsbepaling is, hangt vooral af van de precisie van de tijdmeting. Gps-satellieten werken daarom altijd met atoomklokken.

Vijf grondstations, die worden beheerd door het Amerikaanse leger, zorgen ervoor dat de satellieten goed blijven functioneren. Bij elke passage controleert zo’n station de baan en de werking van de satelliet en checkt de nauwkeurigheid van zijn atoomklok.