Krachten

Les 1: Soorten krachten

De lesstof:

Effect van krachten

De volleyballer slaat de bal weg met kracht. Je kunt de kracht zelf niet zien, maar wel wat de kracht doet:

• De bal verandert van richting, want hij gaat een andere kant op.

• De snelheid van de bal verandert ook. Hoe harder je slaat, hoe sneller de bal wegvliegt.

• De vorm van de bal verandert tijdelijk, want er komt een deuk in de bal. Die verdwijnt weer vanzelf.

Spierkracht en veerkracht

Er zijn verschillende soorten krachten. Aan de naam kun je vaak zien wat voor kracht het is. Voorbeelden zijn:

• Spierkracht

• Veerkracht

• Spankracht

• Zwaartekracht

• Magnetische kracht

Spierkracht is de kracht die mensen en dieren gebruiken. Deze kracht komt uit je spieren. Je gebruikt spierkracht als je een bal wegslaat of als je iets optilt.

Als je op een balpen drukt, voel je dat het knopje tegen je duim duwt. Dat is veerkracht. Veerkracht ontstaat als je iets indrukt of uitrekt dat terugveert naar zijn originele vorm, zoals rubber of elastiek. Een steen heeft geen veerkracht, omdat hij zijn vorm niet terugkrijgt als je erop drukt.

Spankracht en zwaartekracht

Spankracht ontstaat in een touw of kabel wanneer je eraan trekt. Het touw wordt dan strak. Bijvoorbeeld: als je een touw strak om planken bindt, houdt de spankracht de planken stevig bij elkaar.

Zwaartekracht is de kracht die de aarde uitoefent om alles naar zich toe te trekken. Hoe zwaarder (hoe meer massa) een voorwerp is, hoe sterker de zwaartekracht erop werkt. Daarom vallen alle voorwerpen naar de grond als je ze laat vallen.

Magnetische kracht

Magnetische kracht is de kracht van een magneet op een andere magneet of op ijzer en nikkel. Magneten kunnen elkaar aantrekken of afstoten, en ijzeren voorwerpen worden altijd door een magneet aangetrokken.

Een magneetsluiting op een kastdeur gebruikt magnetische kracht om de deur dicht te houden, zodat hij niet zomaar opengaat.

Les 2: Krachten tekenen

De lesstof:

Een pijl voor een kracht

In een tekening kun je laten zien waar een kracht werkt door een krachtenpijl te gebruiken. De pijl staat voor de kracht van bijvoorbeeld een man die een auto duwt. Het begin van de pijl is de plek waar de kracht werkt. Dit noem je het aangrijpingspunt van de kracht.

De richting van de pijl laat zien waar de kracht naartoe gaat. Als de pijl naar voren wijst, betekent dat dat de man de auto vooruit duwt. De lengte van de pijl geeft aan hoe groot de kracht is. Een korte pijl betekent een kleine kracht, en een lange pijl betekent een grote kracht.

Met een krachtenpijl kun je dus drie dingen laten zien:

• De plek waar de kracht werkt.

• De richting van de kracht.

• Hoe groot de kracht is.

Eenheid van kracht

Hoe groot een kracht is, meet je in newton. Dit is de eenheid voor kracht, en je schrijft het als N. Als iemand bijvoorbeeld een lichte auto duwt, hoeft hij niet zo hard te duwen, maar bij een zware auto moet hij meer kracht gebruiken. 

In de natuurkunde gebruik je de letter F als symbool voor kracht. Dit komt van het Engelse woord "force," wat kracht betekent. Je zegt bijvoorbeeld: "De kracht is 700 newton." En je schrijft het als: F = 700 N.

Krachtenschaal

Een kracht teken je met een pijl, en bij die pijl schrijf je een F, zodat iedereen weet dat de pijl een kracht voorstelt. Hoe langer de pijl, hoe groter de kracht.

Stel dat twee kinderen touwtrekken en je maakt daarvan een tekening. De lengte van de pijlen laat zien wie harder trekt. Maar als je klasgenoot wil weten hoeveel kracht de kinderen precies gebruiken, moet hij de krachtenschaal weten. 

Bijvoorbeeld: 1 cm van de pijl staat voor 50 N. Dit betekent dat als de pijl 2 cm lang is, de kracht waarmee een van de kinderen trekt 2 x 50 N = 100 N is.

Je kunt de krachtenschaal korter opschrijven als: 1 cm ≙ 50 N. Het teken ≙ betekent "komt overeen met." Dus als de pijl bij een kind 2 cm is en de krachtenschaal is 1 cm ≙ 50 N, dan gebruikt dat kind een kracht van 100 N.

Les 3: Zwaartekracht

De lesstof:

Zwaartekracht en massa

Zwaartekracht is de kracht waarmee de aarde alles naar beneden trekt. Je voelt deze kracht wanneer je iets optilt. Voor het tillen van een krat met volle flessen heb je meer kracht nodig dan voor een krat met lege flessen, omdat de volle krat zwaarder is. De zwaartekracht op de volle krat is dus groter.

Om een voorwerp met een massa van 1 kg op te tillen, heb je 10 N kracht nodig. Dit betekent dat de aarde een voorwerp van 1 kg aantrekt met een kracht van 10 N. Als je de zwaartekracht op een voorwerp wilt uitrekenen, vermenigvuldig je de massa in kilogram met de zwaartekracht van de aarde. 

Dit is de formule:

zwaartekracht = massa × zwaartekrachtsterkte

Of eenvoudiger gezegd:

zwaartekracht = massa × 10

Hierbij geldt:

• Zwaartekracht wordt gemeten in newton (N).

• Massa wordt gemeten in kilogram (kg).

• De zwaartekrachtsterkte van de aarde is 10 N per kilogram (N/kg).

Dus voor een voorwerp met een massa van 100 gram (0,1 kg) is de zwaartekracht 1 N.

Zwaartekracht meten

Als je een massablokje aan een veer hangt, rekt de veer uit door de zwaartekracht. Bij twee massablokjes rekt de veer nog verder uit, omdat de zwaartekracht groter is. Een massablokje van 100 gram heeft een zwaartekracht van 1 N, en twee blokjes van 100 gram samen hebben een zwaartekracht van 2 N.

Krachten zijn niet altijd even groot, en om te weten hoe groot een kracht is, heb je een krachtmeter nodig. Een krachtmeter werkt met een veer, daarom heet het ook een veerunster, een oud soort weegschaal.

In de krachtmeter zit een veer die uitrekt als je er iets aan hangt. Hoe zwaarder het voorwerp, hoe verder de veer uitrekt. Met de krachtmeter meet je de kracht in newton.

Nauwkeurig aflezen

Als je een kracht meet met een krachtmeter, lees je de waarde in newton af. Soms kun je makkelijk zien hoeveel newton het is, maar vaak moet je goed naar de schaalverdeling kijken. Deze drie vragen helpen je om het goed af te lezen:

1. Wat is de grootste kracht die je met deze krachtmeter kunt meten?

2. Tussen welke twee getallen staat de wijzer?

3. Bij welk streepje staat de wijzer precies?

Let op! 

De nul staat bovenaan de meter. Je telt dus altijd van boven naar beneden.

Les 4: Nettokracht

De lesstof:

De nettokracht bij evenwicht

Wanneer twee krachten in evenwicht zijn, moet aan drie voorwaarden worden voldaan:

• De krachten zijn even groot.

• De krachten liggen op dezelfde lijn (dus in elkaars verlengde).

• De krachten werken in tegenovergestelde richtingen.

Als deze voorwaarden zijn vervuld, lijkt het alsof er geen kracht op het voorwerp werkt. In dat geval zeggen we dat de nettokracht op het voorwerp 0 N is. De nettokracht is eigenlijk de optelsom van alle krachten die op het voorwerp werken.

Rekenen met de nettokracht

Om de nettokracht op een voorwerp te berekenen, volg je deze twee regels:

• Tel krachten die in dezelfde richting werken bij elkaar op.

• Trek krachten die in tegenovergestelde richtingen werken van elkaar af.

Les 5: Hefbomen

De lesstof:

Kracht vergroten

Als er een ernstig ongeluk is gebeurd, moet de brandweer soms ingrijpen. Door het ongeluk kan een auto vervormd zijn, waardoor de deuren klem zitten en niet meer open kunnen. Om het slachtoffer uit het wrak te bevrijden, gebruikt de brandweerman een breekijzer. Met een breekijzer kun je veel meer kracht uitoefenen dan met je blote handen; die kracht kan wel twintig keer groter zijn.

Een breekijzer is een sterk stuk metaal met een speciale vorm. De brandweerman plaatst het korte uiteinde tussen de deur en duwt op het lange uiteinde van het breekijzer. Zo kan hij een grote kracht uitoefenen.

Hefboom

Een breekijzer is een voorbeeld van een hefboom. Een hefboom heeft drie belangrijke punten:

• Werkpunt: waar je de kracht uitoefent.

• Draaipunt: het punt waar de hefboom kan draaien.

• Lastpunt: waar de hefboom kracht uitoefent op een voorwerp.

Met een hefboom kun je een kracht groter maken. Bijvoorbeeld, als je een moer met je vingers probeert los te draaien, lukt dat meestal niet. Maar als je een steeksleutel gebruikt, kun je de moer wel losdraaien. Het midden van de moer is het draaipunt van de hefboom, het andere uiteinde van de steeksleutel is het werkpunt, en de punten aan de buitenkant van de moer vormen het lastpunt.

Een flesopener is ook een hefboom. Ook hier heb je een werkpunt, een lastpunt en een draaipunt. Met een flesopener kun je de kracht vergroten; je kunt een fles met je blote handen vaak niet openen, maar met de opener lukt het wel.

Bij een steekwagen zet je zware dozen op het korte uiteinde. De wielen zijn het draaipunt, en aan het lange uiteinde zitten de handvatten. Hierdoor heb je weinig kracht nodig om de dozen op te tillen, en daarna kun je ze gemakkelijk vervoeren.

Dubbele hefboom

Een tang is ook een voorbeeld van een hefboom die de kracht vergroot. Een tang bestaat uit twee hefbomen die samen draaien om één draaipunt. Met een tang kun je bijvoorbeeld metalen draden en kabels doorknippen. Andere soorten tangen en scharen zijn ook voorbeelden van dubbele hefbomen.

Krachtvergroting

Wanneer een brandweerman een autodeur openmaakt, gebruikt hij een breekijzer. Door deze hefboom kan hij meer kracht uitoefenen op de deur. Hij plaatst het lastpunt tussen de deur en het draaipunt tegen de auto. De brandweerman duwt op het werkpunt. Hoe groter de werkarm (het deel waar je op duwt), hoe meer kracht je kunt vergroten. Hoe korter de lastarm (het deel waar de kracht op het voorwerp werkt), hoe meer de kracht wordt vergroot.

Les 6: Druk

De lesstof:

Zwaartekracht op een oppervlak

Je merkt dat het veel pijnlijker is als iemand met een hak op je voet staat dan met een sneaker, terwijl de massa van de schoenen gelijk is. De zwaartekracht is dus ook gelijk in beide gevallen. Maar bij de hak komt alle zwaartekracht samen op de punt, waardoor het veel pijn doet. Bij de sneaker wordt de zwaartekracht verdeeld over een grotere schoenzool, en daardoor wordt de zwaartekracht ook verdeeld over je hele voet. Dit maakt het minder pijnlijk als iemand met sneakers op je voet staat.

Zwaartekracht werkt naar beneden en oefent druk uit op de grond of op je voet. Druk is de kracht die op één vierkante centimeter van een oppervlak werkt. Als het oppervlak groter is, wordt de druk kleiner.

Oppervlak vergroten

Stel je voor dat er een vrouw op hoge hakken loopt. Haar hakken zouden snel in de grond wegzakken, omdat een naaldhak een klein oppervlak heeft waarmee het op de grond drukt. 

Aan de andere kant, hoewel een tractor veel zwaartekracht heeft, zakt hij niet in de grond. Dat komt omdat de banden van de tractor een groot oppervlak hebben. De kracht die de tractor op de grond uitoefent, wordt verdeeld over dit grote oppervlak. Hoe groter het oppervlak, hoe kleiner de druk.

Denk bijvoorbeeld aan de basis van een hijskraan. Het is een zware machine die zware dingen moet tillen, en het mag niet in de grond wegzakken. Daarom zijn er grote platen onder gelegd. De kracht die de hijskraan op de grond uitoefent, wordt verdeeld over een groot oppervlak, waardoor de druk kleiner wordt.

Muren zijn ook gebouwd op een brede fundering, zodat ze niet wegzakken. De kracht die de muren op de grond uitoefenen, wordt verdeeld over een groter oppervlak, waardoor de druk kleiner wordt.

Oppervlak verkleinen

Wanneer je een schroef in een stuk hout draait, kan er een scheur ontstaan in het hout. Het is beter om eerst een gaatje te maken, zodat die scheur niet ontstaat.

Met een priem kun je gemakkelijk een gaatje in het hout maken. Hoe scherper de priem, hoe gemakkelijker het is om een gaatje te maken. Een scherpe priem heeft namelijk een klein oppervlak. Hoe kleiner het oppervlak, hoe groter de druk die wordt uitgeoefend.