Hoofdstuk 6
Kracht
§1 Soorten kracht
In dit hoofdstuk gaan we leren over krachten. Dit is een van de belangrijkste onderwerpen in de natuurkunde. We beginnen deze paragraaf met het introduceren van een aantal soorten kracht.
We spreken van een kracht (F) als er aan een voorwerp geduwd of getrokken wordt. De SI-eenheid van kracht is de newton (N). In de natuurkunde geven we krachten symbolisch weer met behulp van zogenaamde vectorpijlen. De lengte van deze pijl geeft de grootte van de kracht aan. We kunnen de lengte van de pijl relateren aan het aantal newton door gebruik te maken van een krachtenschaal. Een voorbeeld van een schaal is:
$$ 1,0 \text{ cm} \;\; \widehat{=} \;\; 10 \text{ N} $$Dit wil zeggen dat elke centimeter van de vectorpijl in de afbeelding overeenkomt met 10 N. Een pijl van 6,0 cm is bij deze schaal dus gelijk aan 60 N.
Bij veel opdrachten in dit hoofdstuk mag je zelf een schaal kiezen. Zorg in dat geval dat de pijlen niet te klein worden. Hoe groter de pijlen, hoe nauwkeuriger je antwoord zal zijn.
Voorbeeld
|
|
Vraag: In de onderstaande afbeelding zijn twee krachten weergegeven. De rechter kracht heeft een grootte van 45 N. Bepaal de grootte van de linker kracht.
Antwoord: Als we de rechter kracht opmeten (in het boek), dan vinden we een lengte van 4,9 cm (meet van het midden van het bolletje tot het puntje van de rechter pijl). Er geldt dus: $$ 4,9 \text{ cm} \;\; \widehat{=} \;\; 45 \text{ N} $$Als we beide kanten door 4,9 delen, dan vinden we de krachtenschaal die hier gebruikt is: $$ 1,0 \text{ cm} \;\; \widehat{=} \;\; 9,2 \text{ N} $$De linker pijl heeft een lengte van 2,1 cm. Volgens de krachtenschaal komt dit overeen met 2,1 × 9,2 = 19 N.
|
Er bestaan verschillende soorten krachten. Hieronder zien we de spierkracht (Fspier) en de motorkracht (Fmotor) afgebeeld.
Hieronder is de spankracht (Fspan) afgebeeld. Dit is de kracht waarmee een koord of kabel aan een voorwerp trekt. In het onderstaande voorbeeld zorgen spankrachten in kabels ervoor dat een brug omhooggehouden wordt.
Hieronder is de veerkracht (Fveer) weergegeven. Als je een veer uitrekt of induwt, dan voel je dat de veer weer terug wil naar zijn evenwichtsstand. Als we de veer uitrekken, dan wil de veer terug naar binnen. Als we de veer indrukken, dan wil de veer terug naar buiten.
Hieronder is de zwaartekracht (Fz) afgebeeld. De zwaartekracht zorgt ervoor dat voorwerpen richting het centrum van de aarde worden getrokken. Omdat het centrum van de aarde zich recht onder ons bevindt, werkt de zwaartekracht dus altijd recht naar beneden.
De normaalkracht (FN) is de kracht die ervoor zorgt dat een voorwerp niet door een ondergrond heen zakt. Hieronder zien we bijvoorbeeld twee blokken die niet door de grond zakken en een persoon die niet door een boom heen kan duwen. Zoals je kunt zien wijst de normaalkracht in alle gevallen loodrecht op de ondergrond.
De normaalkracht ontstaat wanneer de atomen in de ondergrond dichter op elkaar worden geduwd. Als atomen echter te dicht op elkaar zitten, dan stoten ze elkaar af. Deze afstotende kracht is de normaalkracht.
De laatste kracht die we zullen bespreken is de wrijvingskracht (Fw). Er bestaan verschillende soorten wrijvingskracht. In de onderstaande afbeelding wordt de schuifwrijvingskracht (Fw,schuif) afgebeeld. Deze kracht ontstaat als we een voorwerp over een ondergrond schuiven. De atomen aan de grond trekken aan de atomen in het voorwerp en dit zorgt voor een afremmende kracht. De schuifwrijvingskracht wijst altijd tegen de bewegingsrichting van het voorwerp in.
Een ander type wrijvingskracht is de luchtwrijvingskracht (Fw,lucht). Ook deze kracht werkt altijd tegen de bewegingsrichting in.
|
Teken de verschillende soorten kracht in de juiste richting en op schaal
|
|
§2 De veer
In deze paragraaf gaan we leren rekenen met een formule voor de veerkracht en een formule voor de zwaartekracht.
De grootte van de veerkracht kan berekend worden met de volgende formule:
$$ F_{veer} = C \times u $$
|
In de onderstaande afbeelding zien we links een veer in zijn evenwichtsstand en rechts een veer die is uitgerekt doordat er een blokje aan hangt. De uitwijking (u) is de afstand die de veer uit zijn evenwichtsstand getrokken is. Het geeft dus aan hoeveel de veer langer of korter is geworden.
De veerconstante (C) is een maat voor de 'stugheid' van een veer. Hoe hoger de veerconstante, hoe meer kracht het kost om de veer uit te rekken. Het is in deze formule ook mogelijk om niet meter en newton per meter te gebruiken, maar bijvoorbeeld de centimeter en de newton per centimeter.
De grootte van de zwaartekracht kan berekend worden met de volgende formule:
$$ F_{z} = m \times g $$
|
De massa moet in deze formule altijd gegeven worden in kilogram. De valversnelling (g) is de versnelling die een voorwerp in vrije val ondervindt. Op aarde is de valversnelling altijd gelijk aan:
$$ g_{aarde} = 9,81 \text{ m/s}^2 $$Op de maan voelt een voorwerp met dezelfde massa 'lichter aan'. Dit komt doordat de valversnelling op de maan veel kleiner is. In de onderstaande tabel is de valversnelling op verschillende hemellichamen weergegeven:
|
Hemellichaam |
Valversnelling (m/s2) |
|
Mercurius |
3,7 |
|
Venus |
8,88 |
|
Aarde |
9,81 |
|
Mars |
3,7 |
|
Jupiter |
24,9 |
|
Saturnus |
10,5 |
|
Maan |
1,63 |
Hieronder gaan we rekenen met de zwaartekracht en de veerkracht. We gebruiken hiervoor een zogenaamd krachtenevenwicht. In de onderstaande afbeelding hangt een blok stil aan een veer. Omdat het blok stil hangt, moet de zwaartekracht in evenwicht zijn met de veerkracht. Beide krachten zijn in dat geval dus gelijk. We gaan dit hieronder gebruiken.
|
Voorbeeld
|
|
Vraag: Een veer met een lengte van 12 cm heeft een veerconstante van 0,50 N/cm. Je hangt een blokje van 510 gram aan de veer. Hoe lang wordt de veer met het blokje eraan? Stap 1: Schrijf alle gegeven uit de vraag op en schrijf ze om in de juiste eenheden. De massa moet in deze formule altijd in de SI-eenheid kilogram gegeven worden. m = 510 g = 0,51 kg Lengte veer zonder blokje = 12 cm Lengte veer met blokje = ? Stap 2: Schrijf de formules op en geef aan welke gegevens je weet en welk gegeven je wilt weten. 
We willen de uitwijking (u) weten, want als we de lengte van de veer zonder blokje en de uitwijking van de veer weten, dan kunnen we daarmee de nieuwe lengte van de veer berekenen. Stap 3: Bedenk welke formule je kan gebruiken en vul de formule daarna in: Stap 4: Maak gebruik van het krachtenevenwicht. Omdat het blokje stil aan de veer hangt weten we dat de veerkracht en de zwaartekracht even groot moeten zijn. Er geldt dus: Fz = Fveer. De zwaartekracht (Fz) is dus ook 5,0 N. Stap 5: Gebruik nu de andere formule. Schrijf deze formule zo nodig om in de juiste vorm en vul de formule in. Stap 6: Schrijf de conclusie op en denk aan de eenheid:
|
|
Rekenen met de zwaartekracht en de veerkracht
|
Level 1:
|
§3 De resulterende kracht
In deze paragraaf gaan we bepalen hoe groot de totale kracht is die op een voorwerp werkt als er meerdere krachten op werken. We noemen deze totale kracht de resulterende kracht.
De totale kracht die op een voorwerp werkt noemen we de resulterende kracht (Fres). Hieronder zien we twee personen die beide een kracht uit oefenen op een kar. De linker persoon oefent een kracht van 100 N uit en de rechter persoon een kracht van 125 N. In totaal oefenen ze dus een resulterende kracht naar rechts uit van 100 + 125 = 225 N.
Hieronder werken twee krachten juist tegen elkaar in. We vinden nu een resulterende kracht van 40 - 40 = 0 N.
In de onderstaande afbeelding oefent één persoon een kracht van 100 N uit naar links en de andere persoon een kracht van 40 N naar rechts. De linker leerling oefent dus een 100 - 40 = 60 N grotere kracht uit dan de rechter leerling. De resulterende kracht is dus 60 N en wijst naar links.
|
Voorbeeld
|
|
Vraag: Een persoon trekt een zware kar naar rechts. Op de kar werkt een wrijvingskracht van 120 N. De resulterende kracht werkende op de kar is 30 N en wijst ook naar rechts. Teken de spierkracht, de wrijvingskracht en de resulterende kracht op schaal. Antwoord: Een resulterende kracht van 30 N naar rechts vertelt ons dat de spierkracht 30 N groter moet zijn dan de wrijvingskracht. De spierkracht is dus gelijk aan 120 + 30 = 150 N. Nu moeten we een krachtenschaal kiezen. Hoe groter de pijlen zijn, hoe nauwkeurig de krachten getekend kunnen worden. Een goede keuze is bijvoorbeeld 1,0 cm ≙ 20 N. Op deze schaal zijn de krachten niet te klein, maar passen ze nog wel net in je schrift. Op deze schaal wordt de spierkracht 150 / 20 = 7,5 cm, de wrijvingskracht 120 / 20 = 6,0 cm en resulterende kracht 30 / 20 = 1,5 cm. Hieronder zijn deze krachten getekend:
|
Maar wat nu als de krachten onder een willekeurige hoek werken. De twee honden in de volgende afbeelding kunnen bijvoorbeeld elk een spankracht uitoefenen op de hand van hun baasje in een willekeurige richting.
In dit geval gebruiken we voor het 'optellen van de krachten' de parallellogrammethode. Een parallellogram is een vierhoek, waarbij de tegenoverstaande zijden parallel aan elkaar lopen en even lang zijn. In de onderstaande afbeelding is te zien hoe met het parallellogram de resulterende kracht te bepalen is.
In de onderstaande afbeelding zien we dat kracht F1 gelijk is aan 40 N en kracht F2 aan 20 N. Als we de schaal bepalen en hiermee de resulterende kracht bepalen, dan vinden we 53 N (ga dit zelf na!). Merk op dat 20 + 40 ≠ 53. Het 'optellen van krachten' met een parallellogram werkt dus niet zoals je normaal gesproken optelt!
|
Rekenen met de resulterende kracht zonder parallellogram
|
|
|
Rekenen met de parallellogrammethode
|
|
