Hoeveel weegt de lucht

Onze lucht bestaat niet uit één soort stof. Er bestaan geen "luchtmoleculen" of iets dergelijks. De lucht op onze aarde is een mengsel van verschillende soorten gassen. Zo bestaat de lucht voor ongeveer 78,1% uit stikstof, 20,9% uit zuurstof en 0,9% uit Argon. Verder is het aandeel koolstofdioxide ongeveer 0,04% (en geleidelijk groeiende). Een ander relatief groot aandeel is waterdamp met ongeveer 0,7%, maar de hoeveelheid waterdamp in de lucht varieert natuurlijk enorm van plek tot plek en dag tot dag. Er zijn ook nog veel andere stoffen aanwezig, maar het aandeel van deze stoffen is een stuk kleiner. De combinatie van deze stoffen geven de lucht een soortelijke massa (dichtheid) van 1,29 kilogram per kubieke meter. Anders gezegd: een kubieke meter lucht weegt gemiddeld 1,29 kilogram.

Een variabel gewicht

Het gewicht van de lucht is niet overal hetzelfde. Luchtvochtigheid, temperatuur en hoogte hebben invloed op de dichtheid van lucht. Op een tropisch warme dag kan een verschil in luchtvochtigheid van 30% naar 90% zorgen voor een verschil van 1% in de dichtheid van de lucht. Bij standaard luchtdruk (1013 hPa) is het verschil in soortelijk gewicht bij een temperatuur van -25 graden en 35 graden 280 gram per kubieke meter. Anders gezegd: lucht met een temperatuur van -25 graden weegt 280 gram meer dan lucht van 35 graden bij standaard druk. Dit lijkt misschien niet veel, maar relatief is het dat wel: het is een verschil van 20%! Verder neemt de dichtheid van de lucht hoger in de atmosfeer af. Op de Mount Everest heb je maar zo'n 35% van de luchtdichtheid van het aardoppervlak over. Een kubieke meter lucht daar weegt dus zo'n 450 gram. Er zijn veel minder deeltjes (moleculen) aanwezig en door de kleine hoeveelheid zuurstofmoleculen is het voor de mens dan ook onmogelijk om op die hoogte te overleven.

De dichtheid van de lucht en de luchtdruk staan direct met elkaar in verband, al is het niet hetzelfde. De luchtdruk is afhankelijk van het gewicht van de hele luchtkolom boven je. Wel geldt: hoe hoger de luchtdruk, des te hoger de luchtdichtheid en hoe lager de luchtdruk, des te lager de luchtdichtheid. 

De consequenties van verschillende luchtdichtheid

Uiteraard heeft de dichtheid van de lucht, of ietwat korter door de bocht het gewicht van de lucht, dus ook invloed op ons. Hoe dichter de lucht, hoe meer weerstand je van die lucht ondervindt. Nou zul je hier in het dagelijks leven niets van merken, maar op bepaalde momenten is dit wel degelijk van belang. Zo heb je bij professionele schaatswedstrijden laagland- en hooglandbanen. Een bekende hooglandbaan is te vinden in Salt Lake City. Deze ligt op 1.425 meter hoogte. Door deze hoogte is de luchtdruk (en dus luchtdichtheid) hier lager. Hierom ondervinden schaatsers minder weerstand van de lucht en kunnen ze per ronde tot wel een halve seconde sneller schaatsen dan bijvoorbeeld op de baan in Thialf. Op een lange afstand, bijvoorbeeld 5 of 10 kilometer, kan het verschil tussen hoogland en laagland oplopen tot 15 seconden.

Vliegtuigen die niet meer kunnen opstijgen

Een extremer voorbeeld van het belang van de luchtdichtheid stamt van 20 juni 2017. Het was toen extreem heet in het zuidwesten van de Verenigde Staten. De temperatuur steeg naar 48 tot 50 graden in delen van Californië, Nevada en Arizona. Door die enorme hitte zette de lucht uit en werd de dichtheid dus kleiner (oftewel, de lucht was "lichter"). De dichtheid van de lucht was nu zo laag, dat er getwijfeld werd of vliegtuigen nog genoeg draagkracht van de lucht konden ondervinden om op te stijgen. Als gevolg werden er vluchten gecanceld: de (te) lage luchtdichtheid was een te groot risico voor vliegtuigen.

Voor wie niet vies is van een beetje natuurkunde: luchtdichtheid en tegenwind

Om even een bruggetje te maken naar dit weekend: in hoeverre is een toenemende tegenwind nou hinderlijk voor een fietser en hoe is de luchtdichtheid hierbij van belang? Er is een formule om de luchtweerstand te berekenen. Die formule is: Fw,l = ½ ρ Cw A v2 . Hierbij is Fw,l de luchtweerstand in krachteenheid Newton, ρ de dichtheid van de lucht (in kg per m3), CW de weerstandscoëfficiënt, A het frontale oppervlak en v2 de snelheid (in m/s). Je ziet dat bij een grotere dichtheid (ρ) je totale luchtweerstand groter wordt. Echter verschilt deze luchtdichtheid over het algemeen niet zoveel dat je hier daadwerkelijk iets van zult merken. Verder is het oppervlakte van de fietser belangrijk. Een lang, breed persoon zal op de fiets meer tegenwind ondervinden dan een smal, klein persoon. De weerstandscoëfficiënt hangt af van de vorm. Zo ondervindt een voertuig met een Lamborghini-achtige vorm minder luchtweerstand dan een voertuig met de vorm van een hummer, óók als het oppervlakte even groot is. Het grootst is de invloed van een de tegenwind. Deze heeft in bovenstaande formule een kwadratisch verband, wat wil zeggen: een dubbel zo grote (tegen)windsnelheid, levert een 4x zo grote luchtweerstand op.

We gebruiken even wat standaardwaarden voor een voorbeeld: 1,29 voor de dichtheid van de lucht, 0,9 voor de weerstandcoëfficiënt, 1 voor het frontaal oppervlak van de fietser. Stel dat jij met 20 km/h (5,56 m/s) fietst in windstille omstandigheden, dan heb je theoretisch een tegenwind van 5,56 m/s, namelijk de snelheid die je zelf produceert. Je luchtweerstand is dan ½ x 1,29 x 0,9 x 1 x 5,562 = 17,9 Newton. Fiets je 20 km/h en staat er een tegenwind met een windsnelheid van 20 km/h (4 beaufort), dan verdubbelt je relatieve tegenwind naar 11,12 m/s. De luchtweerstand bedraagt dan al 71,8 Newton, 4x zoveel dus! Een kleine kanttekening is dat je bij het fietsen ook te maken hebt met andere krachten, zoals de wrijvingskracht van de banden met het wegdek.

Al met al is de dichtheid van de lucht dus voor meerdere zaken van belang. En het bovenstaande natuurkundige verhaal bewijst het belang van het (soortelijke) gewicht van de lucht. Als de lucht geen gewicht had, was de dichtheid 0 en zou je dezelfde (geen) luchtweerstand ervaren bij een snelheid van zowel 20 als 40 kilometer per uur. Kijk nog maar eens naar de formule. Als je hier voor de luchtweerstand 0 invult, verandert je eindresultaat ook in 0, ongeacht de snelheid waarmee je fietst. De heftigere luchtweerstand bij harder fietsen en het zwaarder worden van fietsen met een harde tegenwind bewijst: mijn zus had gelijk.