Krachten

Krachten om je heen

Je hebt vast weleens gemerkt hoe krachten je lichaam kunnen laten bewegen of dingen om je heen kunnen veranderen. Denk maar eens aan:

• Als iemand je een duwtje geeft.

• Op een winderige dag voel je de wind tegen je aan blazen.

• Als je in een auto zit die plotseling snel optrekt, voel je je naar achteren geduwd.

• Wanneer je per ongeluk een tennisbal tegen je hoofd krijgt.

Er zijn ook krachten die je niet echt kunt voelen of zien wanneer ze op mensen of objecten worden uitgeoefend. Maar je kunt wel zien wat voor effect ze hebben!

Krachten kunnen de manier waarop dingen bewegen veranderen. Bijvoorbeeld, kijk eens naar een volleybalwedstrijd. Als een speler de bal serveert, gaat hij sneller. Maar als een andere speler de bal stopt, vertraagt hij. En de richting van de bal kan veranderen als spelers ertegen tikken of slaan.

Soms kunnen krachten zelfs de vorm van dingen veranderen! Denk aan hoe een boogschutter een boog spant, of hoe een sporter op een trampoline springt. Als krachten op dingen inwerken, kunnen ze strekken of samendrukken.

Een vector

Een kracht is dus een vector. Een kracht heeft een aangrijpingspunt, grootte en een richting.

Je kunt dus drie effecten van een kracht waarnemen:

• De snelheid van het voorwerp is veranderd.

• De richting van het voorwerp is veranderd. 

• De vorm is veranderd. (tijdelijk veranderd noemen we elastische vervorming, blijvend veranderd noemen we plastische vervorming.

Soorten krachten

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

• Wanneer je een sporttas optilt, gebruik je spierkracht.

• Als een auto over een drempel rijdt, voel je de veerkracht van de schokdempers.

• Trek je aan een touw, dan voel je de spankracht.

• Voel je hoe zwaar een fiets is wanneer je hem optilt? Dat is de zwaartekracht die eraan trekt.

• En dan heb je nog magnetische krachten, zoals wanneer je met magneten speelt en ze elkaar aantrekken of afstoten.

• Wanneer ladingen elkaar aantrekken of afstoten heb je te maken met elektrische krachten.

Hoe werkt een krachtmeter?

Een krachtmeter bestaat uit een metalen behuizing, een veer en een haakje. In de metalen buis is een spiraalveer opgehangen. Wanneer je aan het haakje onderaan de veer trekt, rekt de veer uit. Een wijzertje laat dan zien hoe groot de kracht is.

Sommige krachtmeters hebben een slappe veer die gemakkelijk uitrekt. Deze gebruik je om kleine krachten te meten. Een slappe veer rekt al uit bij een kleine kracht.

Andere krachtmeters hebben een stugge veer. Die gebruik je wanneer je grotere krachten moet meten. Voor het meten van kleine krachten zijn ze niet geschikt.

Over zwaartekracht en massa

Krachtmeters gebruiken een schaalverdeling in newton (N). Deze eenheid is vernoemd naar de Engelse natuurkundige Isaac Newton (1642–1727). Newton bestudeerde de rol van zwaartekracht in het universum. Hij ontdekte dat de zwaartekracht niet overal in het universum hetzelfde is. Op aarde is de zwaartekracht bijvoorbeeld sterker dan op de maan.

Je kunt de zwaartekracht op een voorwerp berekenen met de formule:

zwaartekracht = massa van het voorwerp × sterkte van de zwaartekracht

In symbolen:

Fz = m ∙ g

In deze formule staat:

• Fz voor de zwaartekracht op een voorwerp in newton (N).

• m voor de massa van het voorwerp in kilogram (kg).

• g voor de sterkte van de zwaartekracht in newton per kilogram (N/kg).

Op aarde heeft g de waarde 10 N/kg, overal. Als je heel precies meet, is g in Nederland gelijk aan 9,8 N/kg, maar we ronden meestal af naar 10 N/kg.

Twee krachten in balans

Wanneer je een tas met schoolboeken aan een haak hangt, werken er krachten op de tas. 

Op de tas werken twee krachten: zwaartekracht en normaalkracht. Zwaartekracht duwt naar beneden, terwijl normaalkracht omhoog duwt.

In deze situatie zijn de krachten in balans. Ze trekken allebei even hard aan de tas, maar in tegenovergestelde richtingen. Daardoor gebeurt er niets: de tas blijft op dezelfde plek hangen. De normaalkracht en de zwaartekracht heffen elkaar als het ware op.

Hetzelfde geldt als je iets aan een krachtmeter hangt. Als je iets aan een krachtmeter hangt, is er eerst geen balans. Je ziet dat het voorwerp naar beneden beweegt en de veer in de krachtmeter steeds verder uitrekt. Tegelijkertijd wordt de veerkracht groter. Na een tijdje is de veerkracht net zo groot als de zwaartekracht. Op dat moment is er balans, en het voorwerp stopt met bewegen.

Uitrekken en indrukken

Kijk nu naar de afbeelding hiernaast. Daar hangt een man aan een touw. Ook hier maken twee krachten balans: zwaartekracht (Fz) en spankracht (Fs). Spankracht ontstaat omdat het touw wordt uitgerekt, net zoals bij veerkracht.

Er is nog een andere kracht die vaak balans brengt met zwaartekracht. Stel je een fruitschaal op een tafel voor. Het tafelblad wordt heel ietsjes ingedrukt door de schaal. Daardoor ontstaat een kracht die omhoog werkt: normaalkracht (Fn). Normaalkracht brengt balans met zwaartekracht, zodat de schaal niet valt.

Veerkracht, spankracht en normaalkracht ontstaan op dezelfde manier: door uitrekking of indrukking van een voorwerp. Bij veerkracht zie je dat duidelijk: de veer wordt uitgerekt. Bij spankracht en normaalkracht gebeurt iets vergelijkbaars, maar het is moeilijker te zien. Met het blote oog kun je niet zien dat het touw uitrekt of het tafelblad indrukt.

De totale kracht

De situaties in afbeeldingen hiernaast lijken op elkaar. Steeds zijn er twee krachten in balans. Daarvoor moeten drie dingen kloppen:

• De krachten zijn even groot.

• De krachten gaan in tegenovergestelde richtingen.

• De krachten werken langs dezelfde lijn (in een rechte lijn).

Als twee krachten in balans zijn, heffen ze elkaar op. Het lijkt alsof er geen kracht op het voorwerp werkt. Dan is de totale kracht op het voorwerp 0 N. De totale kracht wordt ook wel 'resultante' genoemd.

Om de totale kracht op een voorwerp te vinden, volg je twee regels:

• Tel de krachten op die in dezelfde richting werken.

• Trek de krachten af die in tegenovergestelde richtingen werken.

Soms zijn er meer dan twee krachten op een voorwerp. Denk aan een touwtrekwedstrijd. Dan moet je stap voor stap te werk gaan. Eerst tel je de krachten op die in dezelfde richting werken. Daarna bepaal je de totale kracht.

Het vergroten van je spierkracht

Elke dag gebruik je je spieren om dingen los te draaien, te openen of op te tillen. Soms heb je geen gereedschap nodig, maar soms lukt het niet met je blote handen. Dan komt gereedschap goed van pas. Gereedschap helpt je om meer kracht te gebruiken.

Stel je een steeksleutel voor. Met zo'n sleutel kun je een moer losdraaien die heel vast zit. Je gebruikt de sleutel als een soort wip. Een steeksleutel heeft een punt waar hij om draait, dat is het draaipunt. In een tekening staat dat punt meestal aangeduid met een rode stip.

Bij het gebruik van een steeksleutel zijn er twee krachten aan het werk. Je spierkracht duwt aan het uiteinde van de steeksleutel, ver weg van het draaipunt. Daardoor duwt de sleutel met kracht tegen de moer aan, dichtbij het draaipunt. De kracht op de moer is veel sterker dan je spierkracht. Daarom kan een fietsenmaker de moer gemakkelijk losdraaien.

Hoe hefbomen werken

Een steeksleutel, een hamer, een flessenopener, een deurklink, een tang, zelfs de pedalen van je fiets - ze zijn allemaal hefbomen. Een hefboom is een stevig ding dat kan draaien rond een punt. Je kunt er hard tegenaan duwen zonder dat hij buigt.

Als je een hefboom gebruikt, zijn er twee belangrijke krachten. Dit heb je al gezien bij een steeksleutel. Allereerst duw je zelf tegen de hefboom, dat is je kracht (F1). De hefboom duwt dan op iets anders, dat is de last (F2).

Bij een hefboom duw je met je kracht ver van het draaipunt. De last duwt juist dichtbij het draaipunt. Hierdoor is de last veel sterker dan je eigen kracht.

De hefboomregel

Je kunt de krachten op een hefboom berekenen met een regel:

Je eigen kracht × de afstand die je kracht heeft tot het draaipunt = 

de kracht van de last × de afstand die de last heeft tot het draaipunt

Of in symbolen:

M1 = M2 

dus 

F1 ∙ r1 = F2 ∙ r2

Hierbij is:

• F1 je eigen kracht en F2 de kracht van de last, in newton (N);

• r1 de afstand van je kracht tot het draaipunt en r2 de afstand van de last tot het draaipunt, in meter (m).

Je kunt r1 en r2 ook meten in centimeters, als je dat maar bij beide afstanden doet. Het krachtmoment wordt dan in Ncm uitgedrukt.

De arm

De afstand tot het draaipunt noem je de arm (r) van een kracht. In een tekening zie je hoe je de arm van een kracht kunt meten. De arm staat altijd recht op de lijn waarlangs de kracht werkt. Let op dat de arm niet hetzelfde is als de lengte van de hefboom. Soms is de arm korter dan de lengte van de hefboom.

Bij gereedschap zorgen ze ervoor dat de arm waarmee je duwt (r1) groot is en de arm van de last (r2) klein. Daardoor is je eigen kracht (F1) klein en de kracht van de last (F2) groot. Dat is precies de bedoeling. Je gebruikt een hefboom om met weinig moeite toch veel kracht te kunnen gebruiken.

Bij een lange arm wordt je eigen kracht kleiner. Als de arm waarmee je duwt (r1) 7,5 keer langer is dan de arm van de last (r2), is je eigen kracht (F1) ook 7,5 keer kleiner dan de kracht van de last (F2). Je hebt dus bij een langere werkarm minder kracht nodig om een grote kracht op de last te creëren. 

Dubbele hefbomen

Tangen en scharen hebben twee hefbomen die om hetzelfde punt draaien.