Artikel over Newtons bewegingswet
1. Definitie van kracht
Kracht is iets dat dingen doet versnellen. Met andere woorden, kracht is iets dat een object in beweging brengt, stopt of de bewegingsrichting ervan verandert. Kracht is een vectorgrootheid en heeft daarom een grootte en een richting. Het symbool voor kracht is F (Kracht). F is een algemeen symbool voor kracht. Er bestaan verschillende soorten krachten en niet alle krachten hebben het symbool F. De internationale systeemeenheid is kg m/s², ook wel Newton genoemd.
2. Definitie van nettokracht
De resulterende kracht (ΣF) is de som van alle krachten die op een object inwerken. Kracht is een vectorgrootheid, dus de totale kracht wordt berekend volgens de vectoroptelregel.
De totale kracht bedraagt 10 Newton, en de kracht is naar rechts gericht.
De totale kracht bedraagt 8 Newton, en de kracht is naar rechts gericht.
De totale kracht = 0
De totale kracht = 0
3. De bewegingswetten van Newton
De bewegingswetten van Newton zijn de natuurkundige wetten betreffende de beweging van een object, opgesteld door de Engelse natuurkundige Isaac Newton.
3.1 De eerste wet van Newton
De eerste wet van Newton stelt dat elk object dat in rust is, in rust zal blijven, of dat elk object dat rechtuit beweegt met een constante snelheid, in rust zal blijven.
Het object zal met een constante snelheid in rechte lijn blijven bewegen als de totale kracht die erop inwerkt nul is.
ΣF = 0
Deze vergelijking is een wiskundige formulering afgeleid van Newtons eerste wet.
Kijk naar een voorwerp om je heen, zoals een tafel, een steen of een ander object. Een tafel die stilstaat, blijft stil staan als er geen externe kracht op wordt uitgeoefend, zoals een duw of een trek. Werken er dan geen krachten op tafels, stenen of andere objecten die stil staan? Er werkt wel degelijk een kracht op het object, maar de som van alle krachten die op het object werken, oftewel de totale kracht, is nul. De krachten die werken op objecten die zich op het oppervlak van planeten zoals de aarde bevinden, zijn de zwaartekracht (w) en de normaalkracht (N). De zwaartekracht is loodrecht op het middelpunt van de aarde gericht, de normaalkracht is loodrecht naar boven gericht. De grootte van deze twee krachten is gelijk, maar ze hebben een tegengestelde richting, dus de totale kracht is gelijk aan nul.
Hoe zit het met objecten die rechtuit bewegen met een constante snelheid? Om dit te verduidelijken, stel je voor dat je een object, bijvoorbeeld een stuk metaal, over de vloer duwt. Na het duwen vertraagt het metaal en komt het tot stilstand door wrijving. Om metalen voorwerpen verder of langer te laten bewegen, moet je het vloeroppervlak en het oppervlak van het metalen voorwerp glad maken. Als het vloeroppervlak glad is en er geen wrijving is, zal het metalen voorwerp blijven bewegen en niet stoppen. Werkt er dan geen enkele kracht op het metalen voorwerp dat over een perfect gladde vloer beweegt? Er werken wel degelijk krachten op metalen voorwerpen, namelijk de zwaartekracht en de normaalkracht. Beide krachten werken in verticale richting en hebben geen invloed op de horizontale beweging van metalen voorwerpen als de vloer glad is.
De tweede wet van Newton stelt dat als de totale kracht die op een object werkt niet gelijk is aan nul, het object zal versnellen. De grootte van de versnelling is evenredig met de grootte van de totale kracht en omgekeerd evenredig met de massa van het object. De richting van de versnelling is gelijk aan de richting van de totale kracht.
ΣF = ma
ΣF = totale kracht (kg m/s² ) , m = massa (kg), a = versnelling (m/ s² )
Vergelijking 1.2 is een wiskundige formulering van de tweede wet van Newton.
Als de versnelling gelijk is aan nul (a = 0), verandert vergelijking 1.2 in vergelijking 1.1. De eerste wet van Newton is dus een speciaal geval van de tweede wet van Newton. Op basis van vergelijking 1.2 kan worden geconcludeerd dat hoe groter de kracht, hoe groter de versnelling. Omgekeerd geldt dat hoe groter de massa, hoe kleiner de versnelling. Het verband tussen kracht, massa en versnelling wordt beter begrepen nadat je hierover een experiment hebt uitgevoerd.
Voorbeeldopgave 1:
Bepaal de grootte en richting van de versnelling van de objecten aan de hand van de bovenstaande afbeelding...
Oplossing:
ΣF = ma
4 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
De grootte van de versnelling is 4 m/s² , de versnelling is naar rechts gericht.
Voorbeeldopgave 2:
Bepaal de grootte en richting van de versnelling aan de hand van de bovenstaande afbeelding...
Oplossing:
ΣF = ma
4 kg m/s 2 – 1 kg m/s 2 = (1 kg)
3 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 3 kg m/s 2 : 1 kg
a = 3 m/ s²
De grootte van de versnelling is 3 m/s² , de versnelling is naar rechts gericht.
3.2.1 Gewicht (w)
Gewicht is de zwaartekracht die op een object met massa inwerkt.
ΣF = ma
w = mg
Vergelijking 1.3 is de vergelijking voor het berekenen van het gewicht van een object.
w = gewicht (kg m/s² ) , m = massa (kg), g = zwaartekrachtversnelling (m/s² ) . De grootte van de zwaartekrachtversnelling (g) aan het aardoppervlak is 9.8 m/s² . Om de berekeningen te vereenvoudigen, wordt g afgerond naar 10 m/ s².
3.2.2 Normale kracht (N)
De normaalkracht is de kracht die inwerkt op twee objecten die elkaar raken, waarbij de richting van de normaalkracht loodrecht staat op het raakvlak.
Observeer objecten die zich nog boven het tafelblad bevinden. De zwaartekracht, oftewel het gewicht, werkt ook op het object. Objecten vallen niet vrij, zoals fruit dat van een boom valt, omdat er een normaalkracht op werkt. Het gewicht (w) en de normaalkracht (N) zijn gelijk, maar werken in tegengestelde richting, waardoor de totale kracht op een object nul is.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 De derde wet van Newton
De derde wet van Newton stelt dat als object 1 kracht uitoefent op object 2, object 2 tegelijkertijd ook kracht uitoefent op object 1. De twee krachten zijn gelijk, maar de richting ervan is tegengesteld. De ene kracht wordt actie genoemd, de andere reactie.
F actie = – F reactie
Vergelijking 1.3 is een wiskundige formulering van Newtons derde wet. Het minteken in vergelijking 1.3 verklaart de richting van de kracht.
Experimenteer om de derde wet van Newton beter te begrijpen. Als je een skateboard hebt, duw dan tegen een muur terwijl je erop staat. Na het duwen beweegt het skateboard achteruit. De richting van jouw kracht is naar voren, terwijl de richting van het skateboard naar achteren is.
Dit geeft aan dat de muur ook een kracht op jou uitoefent. Wanneer je tegen de muur duwt, duwt de muur tegelijkertijd ook tegen jou. Jouw duwkracht werkt op de muur, terwijl de duwkracht van de muur op jou werkt. Beide krachten werken in dezelfde, maar tegengestelde richting. Je kunt de ene kracht actie noemen en de andere reactie.
Een ander experiment dat je kunt doen, is een rubberen ballon opblazen en, nadat de ballon is uitgezet doordat hij met lucht is gevuld, de ballon loslaten. Na het loslaten 'vliegt' de ballon. De bewegingsrichting van de ballon is tegengesteld aan de richting waarin de lucht uit de ballon ontsnapt. Hoe is dit te verklaren?
Wanneer de opening van de ballon wordt losgelaten, perst de ballon de lucht eruit. Tegelijkertijd duwt de lucht de ballon ook weg. De duwkracht van de lucht zorgt ervoor dat de ballon vliegt. De kracht die de ballon uitoefent, werkt in op de ballon, de kracht die de lucht op de ballon uitoefent. Beide krachten zijn gelijk, maar de richting is tegengesteld.
Bekijk figuur 2 en vergelijk deze met figuur 3. De normaalkracht die op een object werkt (N) is de kracht die wordt uitgeoefend door een vlak oppervlak, zoals een tafelblad. Tegelijkertijd oefenen objecten ook een kracht uit op het tafelblad (N'). Beide normaalkrachten (N en N') hebben dezelfde grootte, maar werken in tegengestelde richting en beïnvloeden verschillende objecten. In tegenstelling tot w en N, die dezelfde grootte hebben en op hetzelfde object werken. N en N' zijn dus actie-reactiekrachten.
