Werktuigen

Les 1: Krachten

De lesstof:

De effecten van krachten

Overal om je heen werken krachten. Bij een touwtrekwedstrijd kun je bijvoorbeeld denken aan:

• de spierkracht van de touwtrekkers;

• de spankracht in het touw;

• de wrijvingskracht tussen het touw en hun handen.

Krachten kunnen twee belangrijke effecten hebben:

1. Vervormen van een voorwerp:

   • Soms is de vervorming tijdelijk. Een duikplank buigt door als je erop staat, maar veert terug als je eraf gaat.

   • Soms is de vervorming blijvend, zoals bij een klomp klei die je knijpt of bewerkt.

2. Veranderen van beweging:

   • Een kracht kan een voorwerp sneller of langzamer laten bewegen.

   • Het kan ook de richting van een bewegend voorwerp veranderen.

Krachten meten

Je meet krachten met een krachtmeter. In een krachtmeter zit een spiraalveer die verder uitrekt als je harder trekt. Een wijzertje laat op een schaalverdeling zien hoe groot de kracht is, uitgedrukt in newton (N), de eenheid van kracht.

Er zijn verschillende soorten krachtmeters:

• Voor grote krachten: Gebruik een krachtmeter met een stugge veer en een groot meetbereik.

• Voor kleine krachten: Gebruik een krachtmeter met een soepele veer en een klein meetbereik, want deze is nauwkeuriger voor kleine krachten.

Krachten tekenen

Een kracht heeft drie kenmerken:

1. Grootte: Hoe sterk de kracht is.

2. Richting: De richting waarin de kracht werkt.

3. Aangrijpingspunt: Het punt waar de kracht begint.

Daarom teken je krachten als pijlen (vectoren). Voor het tekenen gelden drie regels:

• 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 aan.

Kies eerst een schaal voordat je krachten tekent, bijvoorbeeld: 1 cm = 5 N.

• Een kracht van 5 N teken je als een pijl van 1 cm.

• Een kracht van 15 N teken je als een pijl van 3 cm.

Soorten krachten

Er zijn verschillende soorten krachten. Je kunt ze een naam en symbool geven om ze uit elkaar te houden. Voorbeelden:

• Zwaartekracht (Fz): De kracht waarmee de aarde een voorwerp aantrekt.

• Spierkracht (Fspier): De kracht die je met je spieren uitoefent.

• Veerkracht (Fveer): De kracht van een gespannen of ingedrukte veer.

Je gebruikt een kleine letter om het type kracht aan te geven, zoals Fz, Fspier of Fveer.

Zo kun je krachten herkennen, meten en tekenen om te begrijpen hoe ze werken!

Zwaartekracht en de formule

De zwaartekracht die op een voorwerp werkt, kun je berekenen met de formule:

Fz = m x g

Waarbij:

• Fz de zwaartekracht is (in newton, N);

• m de massa is (in kilogram, kg);

• g de zwaartekracht per kilogram is (in N/kg).

De waarde van g

• Op aarde is g ≈ 9,8 N/kg. Vaak gebruiken we de afgeronde waarde 10 N/kg.

• Dit betekent dat een voorwerp met een massa van 1 kg op aarde een zwaartekracht van ongeveer 10 N ondervindt.

• Op de maan is g = 1,6 N/kg, dus de zwaartekracht op de maan is veel kleiner dan op aarde.

Voorbeeld:
Een object met een massa van 5 kg heeft:

• Op aarde: Fz = 5 x 10 = 50 N

• Op de maan: Fz = 5 x 1,6 = 8N

Zo kun je zien dat de zwaartekracht van een voorwerp afhankelijk is van waar het zich bevindt.

Les 2: Hefbomen

De lesstof:

Hefbomen gebruiken

Hefbomen zijn werktuigen die je helpen om met minder inspanning meer kracht uit te oefenen. Denk bijvoorbeeld aan een koevoet. Een timmerman gebruikt een koevoet om gemakkelijk een spijker uit hout te trekken.

• Een hefboom heeft altijd een draaipunt.

• De spierkracht werkt aan het uiteinde van de hefboom, ver van het draaipunt.

• De hefboom oefent een grotere kracht uit dichtbij het draaipunt, op de spijker.

Hierdoor wordt de kracht vergroot, en kan de timmerman met weinig moeite de spijker loshalen.

Hefbomen vind je niet alleen in gereedschap, maar ook in alledaagse voorwerpen, zoals een deurklink, een kraan of een fietsstuur.

De arm van een kracht

De arm van een kracht is de afstand van de kracht tot het draaipunt.

Hoe meet je de arm van een kracht?

1. Teken het draaipunt.

2. Teken de kracht als een lijn.

3. Meet de afstand van de kracht tot het draaipunt.

Let op: de arm van een kracht staat loodrecht op de richting van de kracht. De arm is niet hetzelfde als de lengte van de hefboom.

Hoe een hefboom kracht vergroot

Bij een hefboom werken twee krachten:

• Werkkracht: de kracht die jij uitoefent op de hefboom.

• Last: de kracht die de hefboom uitoefent op het voorwerp.

Bij de meeste hefbomen is de werkarm (de afstand van de werkkracht tot het draaipunt) groter dan de lastarm (de afstand van de last tot het draaipunt).

• Als de werkarm bijvoorbeeld 4 keer zo groot is als de lastarm, wordt de kracht 4 keer zo groot.

Verschillende soorten hefbomen

• Enkele hefbomen: zoals een koevoet, steeksleutel of bandenlichter.

• Dubbele hefbomen: zoals een tang of schaar. Deze bestaan uit twee hefbomen die om hetzelfde draaipunt draaien.

Soms zit het draaipunt:

1. Tussen de werkkracht en de last: zoals bij een schaar.

2. Aan het uiteinde van de hefboom: zoals bij een pincet.

Bij een pincet zit de werkkracht tussen het draaipunt en de last. In dit geval verkleint de hefboom de kracht in plaats van deze te vergroten. Dit maakt het makkelijker om precies te werken, bijvoorbeeld bij het plukken van een splinter.

Les 3: Katrollen & takels

De lesstof:

De vaste katrol
Een katrol is een schijf met een groef waarin een touw of kabel ligt. De schijf draait om een as.

Stel je voor dat je een verhuisdoos van 20 kg omhoog tilt met behulp van een katrol die vastzit aan een balk. De katrol kan niet bewegen, dus dit is een vaste katrol. De doos heeft een massa van 20 kg, dus er werkt een kracht van 200 N (newton) op het touw.

Om de doos omhoog te hijsen, moet je met een kracht van 200 N aan het touw trekken. In het begin is de kracht zelfs een beetje groter, omdat de doos eerst in beweging moet komen. Daarna is 200 N genoeg om de doos verder omhoog te krijgen.

Een vaste katrol zorgt er niet voor dat je minder kracht hoeft te gebruiken. Het verandert alleen de richting van de kracht. Toch is een vaste katrol handig, omdat het gemakkelijker is om naar beneden te trekken dan om iets omhoog te tillen. Je kunt bijvoorbeeld je eigen gewicht gebruiken om aan het touw te trekken.

Hijsen met een takel
Soms zijn voorwerpen zo zwaar dat je ze niet omhoog kunt hijsen met alleen een vaste katrol, zoals een piano. In dit geval gebruik je een takel.

Een takel bestaat uit minstens één vaste en één losse katrol. De losse katrol beweegt mee met het voorwerp dat je wilt verplaatsen. Het voorwerp hangt aan twee stukken touw: het ene uiteinde is vast, het andere houd je vast.

Winst en verlies van een takel
Stel, een takel maakt de kracht die je nodig hebt om het voorwerp op te tillen twee keer zo groot. Je hoeft dan maar 300 N aan het touw te trekken om een voorwerp van 600 N omhoog te krijgen. Dit is de winst van de takel.

Maar er is ook verlies. Omdat de twee touwen waarmee het voorwerp hangt korter moeten worden, beweegt het voorwerp maar één meter omhoog als je het touw twee meter naar beneden trekt. Dit is het verlies van de takel.

Als een takel meerdere katrollen heeft, wordt de hijskracht groter, maar de afstand die het voorwerp omhoog beweegt, kleiner. Voor elke takel geldt:

• Als het voorwerp aan n touwen hangt, wordt de hijskracht n keer zo groot, maar de hijsafstand wordt n keer zo klein.

Les 4: Druk

De lesstof:

Kracht en oppervlakte

Na veel regen kan een boer niet zomaar met zijn trekker over de akkers rijden, omdat de trekker te ver in de natte grond zakt. Om dit te voorkomen, kan de boer extra wielen aan de trekker toevoegen. Hierdoor zakt de trekker minder diep in de grond.

Voor de vervorming door kracht zijn twee dingen belangrijk:

1. Hoe groot de kracht is die uitgeoefend wordt.

2. Hoe groot de oppervlakte is waarop de kracht werkt.

Als de oppervlakte groter is, wordt de kracht beter verdeeld en is de vervorming kleiner. Daarom kijken we vaak naar de druk, die de kracht per oppervlakte-eenheid is.

Druk berekenen

Druk kun je berekenen met de formule:

p= F : A

In deze formule is:

• p de druk in pascal (Pa).

• F de kracht in newton (N).

• A de oppervlakte in vierkante meter (m²).

1 pascal (Pa) is gelijk aan 1 newton per vierkante meter (N/m²). Je kunt de oppervlakte ook in cm² invullen. In dat geval krijg je de druk in N/cm².

Druk verkleinen

Soms wil je de druk laag houden. Bijvoorbeeld bij het bouwen van een muurtje langs een terras. De druk op de bodem mag niet te groot worden, anders zakt het muurtje weg.

Je kunt de druk verlagen door lichte materialen te gebruiken, waardoor de kracht kleiner wordt. Je kunt de oppervlakte ook groter maken, zoals bij de fundering van een muur. Als de fundering breed genoeg is, blijft de druk op de bodem klein en zakt de muur niet weg.

Druk vergroten

In sommige gevallen wil je juist de druk vergroten. Dit kun je doen door de oppervlakte zo klein mogelijk te maken. Denk bijvoorbeeld aan het scherpe snijvlak van een mes, de bek van een nijptang of de punt van een injectienaald.