Krachten

Les 1: Soorten krachten

De lesstof:

Krachten Herkennen

Een kracht kun je soms voelen, bijvoorbeeld wanneer iemand je duwt of als de wind hard waait. Maar krachten die op andere mensen of voorwerpen werken, kun je niet direct zien of voelen. Je ziet alleen het effect dat die krachten hebben.

Krachten kunnen beweging veranderen. Tijdens een volleybalwedstrijd gebeurt dat voortdurend. De snelheid van de bal wordt groter als een speler smasht. De bal vertraagt als een speler hem tegenhoudt. Ook kan de richting van de bal veranderen als iemand hem tikt of slaat.

Krachten kunnen ook de vorm van een voorwerp veranderen. Denk aan een boogschutter die zijn boog spant of een turnster die op de trampoline landt. Bij balsporten vervormt de bal een beetje bij elk contact, ook al zie je dat niet altijd met het blote oog.

Vervorming

Een voorwerp kan elastisch of plastisch vervormen. Bij een elastische vervorming krijgt het voorwerp zijn oorspronkelijke vorm weer terug als de kracht stopt. Denk aan een matras of een fietsband. Bij een plastische vervorming blijft de nieuwe vorm, zoals bij klei.

Spierkracht en Veerkracht

Er zijn verschillende soorten krachten, zoals spierkracht, veerkracht, zwaartekracht en magnetische kracht.

• Bij spierkracht gebruik je je spieren om iets te duwen of te trekken. Bijvoorbeeld: je gooit een bal weg met je hand of trapt op de pedalen van je fiets. Spierkracht ontstaat doordat je spieren samentrekken.

• Veerkracht voel je wanneer je een veerkrachtig voorwerp indrukt of uitrekt, zoals de spiraal in een balpen. Druk je op de knop van een balpen, dan duwt de spiraalveer terug tegen je duim. Als de druk verdwijnt, keert het voorwerp terug naar zijn oude vorm.

Spankracht, Zwaartekracht en Magnetische Kracht

• Spankracht ontstaat als je aan een voorwerp trekt met een touw. Bijvoorbeeld: als je een slee vooruit trekt, ontstaat in het touw een trekkracht.

• Zwaartekracht voel je als je iets optilt en weer loslaat. De zwaartekracht trekt alle voorwerpen naar de aarde toe.

• Magnetische kracht voel je tussen magneten. Een noordpool en een zuidpool trekken elkaar aan, terwijl twee noordpolen of twee zuidpolen elkaar afstoten.

Krachten Meten

Krachten kun je meten met een krachtmeter, die een spiraalveer heeft. Hoe harder je aan de krachtmeter trekt, hoe verder de veer uitrekt. Grote krachten meet je met een stuggere veer, kleine krachten met een soepelere veer. De schaal op een krachtmeter is in newton (N), de eenheid voor kracht. Newton is genoemd naar de natuurkundige Isaac Newton.

Krachten Tekenen

Een kracht heeft grootte, richting en een aangrijpingspunt. Dit noem je een vector, die je tekent als een pijl.

• De lengte van de pijl geeft de grootte van de kracht aan.

• De richting van de pijl geeft de richting van de kracht aan.

• Het begin van de pijl geeft het aangrijpingspunt van de kracht aan.

Bij het tekenen van krachten kies je een schaal. Bijvoorbeeld: 1 cm ≙ 5 N betekent dat 1 cm op papier een kracht van 5 N voorstelt. Een kracht van 15 N teken je dan als een pijl van 3 cm.

Zwaartepunt

De zwaartekracht werkt op alle punten in een voorwerp. Om dit te vereenvoudigen, nemen we één punt, het zwaartepunt (Z), meestal in het midden van het voorwerp.

Les 2: Meer dan één kracht

De lesstof:

Twee krachten in evenwicht

Als twee krachten even sterk zijn en in tegengestelde richtingen werken, heffen ze elkaar op. De zak blijft dan stil hangen, zonder naar boven of beneden te bewegen, omdat de veerkracht en de zwaartekracht elkaar in evenwicht houden.

Als je een voorwerp aan een veer hangt, ontstaat niet meteen evenwicht. Het voorwerp zakt naar beneden en de veer rekt steeds verder uit, waardoor de veerkracht toeneemt. Dit gaat door totdat de veerkracht gelijk is aan de zwaartekracht. Op dat moment is er evenwicht.

Een boek op tafel is ook een voorbeeld van krachten in evenwicht. Zonder tafel zou het boek naar beneden vallen door de zwaartekracht. Maar het tafelblad duwt omhoog met een normaalkracht Fn, loodrecht op de tafel. Deze normaalkracht heft de zwaartekracht op, zodat het boek blijft liggen.

Verband tussen kracht en uitrekking van een veer

Het verband tussen kracht en uitrekking van een veer kun je meten. Door steeds meer gewichtjes aan de veer te hangen en te kijken hoe ver de veer uitrekt, kun je bepalen hoe de veer reageert op verschillende krachten. Je vergelijkt de lengte van de uitgerekte veer met de nulstand (de lengte zonder belasting).

Recht evenredig

Als je gewichtjes met een massa van 100 g gebruikt, neemt de kracht op de veer telkens met 1,0 N toe. Hiermee kun je zien dat de uitrekking van de veer recht evenredig is met de kracht:

• Als de kracht 2× zo groot wordt, wordt de uitrekking ook 2× zo groot.

• Als de kracht 3× zo groot wordt, wordt de uitrekking ook 3× zo groot.

Als je deze gegevens in een grafiek zet, krijg je een rechte lijn door de oorsprong.

De resultante bepalen

Als krachten in evenwicht zijn, heffen ze elkaar op: het is alsof er geen kracht op het voorwerp werkt. We zeggen dan dat de resultante Fres 0 N is. De resultante is de som van alle krachten die op een voorwerp werken en wordt ook wel 'nettokracht' genoemd.

Als krachten langs dezelfde lijn liggen, tel je ze op om de resultante te vinden. Houd rekening met de richting: krachten in de ene richting tel je als positieve getallen, en in de tegengestelde richting als negatieve getallen. Welke richting je als positief neemt, mag je zelf kiezen.

Les 3: Hefbomen

De lesstof:

Kenmerken van een hefboom

Een wip is een voorbeeld van een hefboom. Wanneer de kinderen op de wip omhoog en omlaag gaan, blijft alleen het midden van de balk (het draaipunt) op dezelfde plaats. De rest van de balk draait om dit punt.

Twee krachten

Bij een wip werken twee krachten tegen elkaar in. De zwaartekracht op de linker kant wil de wip tegen de klok in laten draaien, terwijl de zwaartekracht op de rechter kant de wip met de klok mee wil laten draaien. Dit merkt de linker kleuter als haar vriendin aan de andere kant ineens opstaat.

In evenwicht of niet?

Een hefboom kan in evenwicht zijn, afhankelijk van de positie van de krachten.

• In situatie 1 draait de hefboom linksom als je hem loslaat, tegen de klok in.

• In situatie 2 is de hefboom in evenwicht.

• In situatie 3 draait de hefboom rechtsom als je hem loslaat, met de klok mee.

Het moment van een kracht

De grootte van de kracht alleen zorgt nog niet voor evenwicht; het hangt ook af van waar de kracht werkt. Er zijn twee factoren die van belang zijn voor evenwicht: de grootte van de kracht en de afstand tot het draaipunt. Deze afstand noemen we de arm.

Het moment van een kracht bereken je met:  

Moment (M) = Kracht (F) × Arm (r)

Hierin:

• M is het moment in newtonmeter (Nm),

• F is de kracht in newton (N),

• r is de arm in meter (m).

De arm meten

De arm is de kortste afstand tussen de werklijn van de kracht en het draaipunt. De werklijn is de lijn waarlangs de kracht werkt. Je meet de arm loodrecht op deze lijn.

De momentenwet

Een hefboom is in evenwicht als de momenten linksom even groot zijn als de momenten rechtsom. Dit noemen we de momentenwet:  

Som van momenten linksom = Som van momenten rechtsom

In formulevorm:

M1 + M2 + ... linksom = M1 + M2 + ... rechtsom

Hierin zijn M1 en M2 de momenten linksom en rechtsom in newtonmeter (Nm).

Les 4: Werktuigen

De lesstof:

Werken met hefbomen

Elke dag gebruik je je spieren om dingen los te maken, te openen of op te tillen. Soms lukt dit met alleen je spieren, maar als iets vastzit of zwaar is, heb je vaak een werktuig nodig. Een werktuig helpt je om meer kracht uit te oefenen, zodat je taak makkelijker wordt.

Een steeksleutel is zo'n werktuig. Als een moer te strak zit om met je vingers los te draaien, gebruik je de sleutel als hefboom. Zoals elke hefboom heeft een steeksleutel een draaipunt.

Twee krachten

Bij het gebruik van een steeksleutel werken er twee krachten. Jouw spierkracht werkt aan het uiteinde van de sleutel, ver weg van het draaipunt. Hierdoor oefent de sleutel een kracht uit op de moer, dichtbij het draaipunt. De kracht op de moer is daardoor groter dan jouw spierkracht. Dit verschil in kracht maakt het mogelijk om de moer los te draaien.

De momentenwet

Je kunt de momentenwet gebruiken om te begrijpen hoe werktuigen zoals een hefboom werken. Stel dat je een verfblik opent met een schroevendraaier. Je hand drukt de schroevendraaier met kracht F1 naar beneden. Het deksel drukt terug met kracht F2. Net voordat het deksel opent, zijn de krachten in evenwicht en geldt de momentenwet:

F1 * r1 = F2 * r2 

Hierin zijn:

• F1 en F2 de krachten in newton (N).

• r1 en r2 de afstanden tot het draaipunt, in meter (m).

Evenwicht

Veel werktuigen werken doordat een kleine kracht op een grote afstand in evenwicht is met een grote kracht op een kleine afstand. Als de krachtmomenten aan beide kanten gelijk zijn, is er evenwicht.

Dubbele hefbomen

Sommige werktuigen bestaan uit één hefboom, zoals een flesopener of steeksleutel. Dit noemen we enkele hefbomen. Andere werktuigen, zoals een snoeischaar of notenkraker, hebben twee hefbomen die samenwerken. Ook hier kun je berekenen hoe ze je spierkracht vergroten.

Hefbomen met het draaipunt aan een uiteinde

Bij sommige hefbomen ligt het draaipunt tussen de punten waar de krachten werken. Maar soms zit het draaipunt aan een uiteinde, zoals bij een kruiwagen. Het draaipunt is dan de as van het wiel. De zwaartekracht op de kruiwagen (linksom) is in evenwicht met jouw spierkracht op de handvatten (rechtsom).