Naar alle leermiddelen

NA - H2 & H4 - TW3

Soorten krachten

De massa van een voorwerp geeft aan uit hoeveel stof het object bestaat. Het gewicht is de kracht waarmee een voorwerp op de grond staat.

Een kracht heeft 3 effecten op een voorwerp: het kan de snelheid aanpassen, de richting van de snelheid aanpassen en de vorm aanpassen. Een vervorming kan elastisch (niet blijvend) of plastisch (wel blijvend).

Een kracht heeft altijd een bepaalde grootte, richting en aangrijpingspunt. Het aangrijpingspunt is het punt waar de kracht op het voorwerp werkt.

Er zijn verschillende soorten krachten:

Zwaartekracht en -punt

De zwaartekracht kun je berekenen met de formule hiernaast. De g-waarde op Aarde is 9,81 N/kg.

Het aangrijpingspunt van de zwaartekracht is altijd het zwaartepunt: het punt met de gemiddelde massa.

Krachten kun je tekenen met behulp van een vector (een pijl). De lengte van de pijl geeft aan hoe groot de kracht is, de richting van de pijl geeft de richting van de kracht aan, en het beginpunt geeft het aangrijpingspunt aan. Een krachtenschaal bepaalt de lengte van deze pijl, zoals 1 cm ≙ 5 N (1 cm komt overeen met 5 N).

Evenwicht en veerkracht

De veerconstante geeft aan hoeveel newton de veer levert bij elke meter uitrekking. De uitrekking is het aantal meter dat de veer uitrekt, tegenover de nulstand.

De resultante is de optelsom van alle krachten samen. Als een systeem in evenwicht is, is de resultante 0 N. Als de krachten dezelfde kant op werken, kun je de krachten bij elkaar optellen om de resultante te krijgen.

Als de krachten schuin op elkaar staan, kun je de parallellogrammethode gebruiken om de resultante te tekenen. Je tekent dan een lijn parallel aan kracht A, aan het einde van kracht B, en andersom. De lijn van je aangrijpingspunt tot het punt waar deze lijnen kruisen, is je resultante.

Je kunt ook de kop-staartmethode gebruiken: je “knipt” kracht A dan uit en “plakt” deze aan het einde van kracht B (of andersom). De lijn tussen het einde van kracht B en je aangrijpingspunt is dan de resultante.

Als krachten loodrecht op elkaar staan, kun je de stelling van Pythagoras gebruiken om de resultante te berekenen. Dat is nauwkeuriger dan de kracht tekenen en vervolgens opmeten.

Weerstand

Bijna alle bewegingen op Aarde worden tegengewerkt door weerstandskrachten (Fw). De weerstandskrachten werken altijd tegen de bewegingsrichting in.

De luchtweerstandskracht (Fw,l) ontstaat doordat bij een beweging de luchtmoleculen moeten worden “weggeduwd”. Je kunt deze weerstandskracht berekenen met de formule hiernaast. Let op! De Cw in deze formule heeft geen eenheid. Het frontaal oppervlakte in deze formule is het oppervlakte dat de lucht moet “wegduwen”.

De schuifweerstandskracht (Fw,s) ontstaat bij het schuiven of glijden over oppervlakten. Je kunt deze kracht verkleinen door de oppervlaktes glad te maken.

De rolweerstandskracht (Fw,r) ontstaat als een voorwerp over een oppervlakte rolt. Deze kracht hangt af van de hard- en gladheid van de voorwerpen en ondergrond.

De eerste wet van Newton laat zien dat als de resultante 0 N is, het voorwerp in rust is, of dat deze met een constante snelheid beweegt langs een rechte lijn.

Als een voorwerp stil staat, weet je dat de resultante 0 N is, want er is geen kracht om hem van snelheid, vorm of richting te veranderen.

Als je bijvoorbeeld met een constante snelheid fietst langs een rechte lijn, is de Fspier net zo groot als de weerstandskrachten. Je resultante is dus 0 N, want er is geen enkele kracht die je snelheid kan veranderen.

Als de richting van de resultante in de bewegingsrichting is, zul je versnellen. Als de resultante tegen de bewegingsrichting in is, zul je vertragen. Als de resultante loodrecht op de bewegingsrichting staat (precies naar links of rechts), verandert alleen de bewegingsrichting. Als de resultante schuin staat, zal zowel je snelheid als bewegingsrichting veranderen.

Krachten in de ruimte

De planeten draaien in een elliptische (ellipsvormige, een soort ovaal) baan rond de zon. Je kunt een ellips tekenen door langs een touwtje te tekenen die vast zit achter 2 punaises. De plekken van de punaises zijn de brandpunten van de ellips.

De zon staat op 1 van de brandpunten van de ellipsvormige baan van de Aarde.

De Aarde beweegt in een ellips rond de zon, omdat de zwaartekracht van de zon de Aarde steeds laat afbuigen.

De zwaartekracht is in dit geval de middelpuntzoekende kracht (Fmpz). Dit is een rol die een kracht kan hebben. Deze kracht laat voorwerpen afbuigen.

Bij een vrije val is de enige kracht die op een voorwerp werkt de zwaartekracht. Er zijn dan dus geen weerstandskrachten. Omdat er maar 1 kracht is bij een vrije val, kun je zeggen Fres = Fz. Het gewicht is de kracht waarmee een voorwerp op een ondergrond drukt. Bij een vrije val ben je dus gewichtloos, want je lichaam drukt nergens tegen aan.

De astronauten aan boord van het ISS ervaren dus nog steeds zwaartekracht (anders zou het ISS niet om de aarde draaien), maar ze zijn in een vrije val. Daarom lijkt het alsof er geen zwaartekracht is.

Versnellen en vertragen

Als de snelheid van een voorwerp gelijkmatig groter wordt, is er sprake van een eenparig versnelde beweging. Bij een eenparige beweging blijft de snelheid hetzelfde. Bij een eenparig vertraagde beweging neemt de snelheid gelijkmatig af. De versnelling van een voorwerp laat zien hoeveel snelheid er per seconde bij of af gaat. Een versnelling van 3 m/s² betekent dat er elke seconde 3 m/s bij de snelheid wordt toegevoegd.

Je kunt de afgelegde afstand in een (x,t)-diagram zetten, en de snelheid in een (v,t)-diagram. Hiernaast zie je een aantal (x,t)-diagrammen, en hun bijbehorende (v,t)-diagram.

Krachten, massa’s en versnellingen

Een voorwerp met een grote massa heeft een grote traagheid: er is een grote resultante nodig om de bewegingsrichting te veranderen.
Je kunt de resultante berekenen met de formule hiernaast. Hoe groter de massa, hoe groter de kracht die nodig is. Hetzelfde geldt voor de versnelling. Deze formule is de tweede wet van newton.

In een vrije val geldt dat Fres = Fz. Je weet dat Fres = m ∙ a, en dat Fz = m ∙ g. Je kunt dus ook zeggen dat m ∙ a = m ∙ g. Als je vervolgens deelt door m, krijg je a = g. De versnelling van een voorwerp in een vrije val op Aarde, is dus altijd 9,81 m/s². Dit is de valversnelling.

Energie, botsen en druk

Om een kracht uit te voeren over een bepaalde afstand is energie nodig. Deze energie heet arbeid. De arbeid kun je berekenen met de formule hiernaast. Hoe groter de kracht, hoe groter de energie die nodig is. Hetzelfde geldt voor de afstand.

Bij het afremmen in een voertuig, heeft de bestuurder tijd nodig om de remming in te zetten. Tijdens deze periode rijdt het voertuig nog door. De afstand die dan wordt afgelegd is de reactie-afstand. De remweg is de afstand die nodig is om tot stilstand te komen.

Bij een botsing is er een enorme vertraging. Er werkt dus een grote kracht op de passagiers, want Fres = m ∙ a.

Om letsel bij een botsing te voorkomen, kun je alleen de a aanpassen (want massa van de bestuurders kun je niet aanpassen). Je kunt de a zo klein mogelijk maken door de Δv zo klein mogelijk te maken, en de Δt zo groot mogelijk te maken. Je kunt de Δv verkleinen door minder snel te rijden. De Δt wordt groter gemaakt, door de remweg van de inzittenden te vergroten. Zo zijn de meeste voor- en achterkanten van auto’s kreukelzones: ze kunnen in elkaar worden gedrukt bij een botsing.

De druk laat zien hoeveel kracht er per vierkante meter wordt uitgevoerd. Veiligheidsgordels in auto’s zijn bijvoorbeeld breed, zodat de krachten goed over het lichaam kunnen worden verspreid. Als de kracht geconcentreerd wordt op een dunne draad, kan de schade veel groter zijn, omdat het oppervlakte heel klein is.