Wat zijn krachten? (Fysica)

Hoewel je waarschijnlijk bekend bent met het woord 'kracht' en het hebt horen gebruiken in alledaagse gesprekken ("Ik had geen keus - hij dwong me om het te doen!"), ken je de natuurkundige definitie van kracht?

In dit artikel leer je niet alleen wat een kracht werkelijk is, maar ook waar het idee vandaan komt en hoe het wordt gebruikt in de natuurkunde.

Om in de juiste fysica-mentaliteit te komen voor het begrijpen van krachten, moet u zich herinneren wat u weet over beweging. Je kunt de positie van een object (locatie in de ruimte) beschrijven en je kunt beschrijven hoe die positie in de tijd verandert; de snelheid van positieverandering per tijdseenheid is desnelheid. Je kunt ook beschrijven hoe die snelheid verandert - de snelheid van verandering van snelheid per tijdseenheid wordt genoemdversnelling​.

Deze fysieke grootheden - positie, snelheid en versnelling - zijn allemaal vector hoeveelheden, wat betekent dat ze een grootte en richting hebben die ermee samenhangt.

Als een object in rust is, zoals een steen die op een trottoir ligt, bent u er waarschijnlijk redelijk zeker van dat het daar zal blijven totdat iets het in beweging brengt. Ofwel schopt iemand die over het trottoir loopt er tegen, of misschien is de rots licht genoeg om door een sterke wind te worden voortgeduwd. Wanneer dit gebeurt, verandert de beweging ervan. De fysieke hoeveelheid die deze verandering veroorzaakt, is, zoals we zullen leren, een kracht.

Je hebt waarschijnlijk ook het gevoel dat bepaalde objecten moeilijker te verplaatsen zijn dan andere. Stel je een kleine kiezelsteen voor in vergelijking met een zware kei. Je zou veel harder tegen de rots moeten trappen om hem te laten bewegen. Evenzo, als twee objecten - een lichte en een zware - al in beweging waren, is het veel moeilijker om de zwaardere te laten stoppen.

Deze weerstand van een object tegen elke verandering in zijn beweging wordt zijn. genoemd traagheid. Hoeveel kracht er nodig is om een ​​bepaalde verandering uit te voeren, hangt af van massa, wat een maat voor traagheid is.

Het idee van een kracht bestaat al heel lang, maar werd voor een groot deel niet goed begrepen vanwege verkeerde interpretaties van wrijving.

Aristoteles stelde voor dat alle objecten een natuurlijke staat hebben waarin ze willen rusten en dat ze dat zullen doen tenzij er een kracht inwerkt. Hij gebruikte dit idee om uit te leggen waarom objecten op de aarde vallen, of langzaam tot stilstand komen nadat ze zijn geduwd.

Galileo weerlegde dit idee echter en legde het bestaan ​​uit van een stopkracht die wrijving wordt genoemd. Hij stelde vast dat objecten in rechte lijnen zouden blijven bewegen als er geen wrijving was om ze te vertragen.

Sir Isaac Newton gaf een grotere formalisering aan de waarnemingen van Galileo met zijn beroemde drie wetten van beweging. Hij was in staat om te beschrijven wat krachten doen, hoe ze werken en zelfs getallen met eenheden toe te kennen aan het concept.

De eerste bewegingswet van Newton - ook wel de traagheidswet genoemd - stelt dat een object in rust in een rusttoestand blijft tenzij er een onevenwichtige kracht op inwerkt. Dit deel is vrij intuïtief als je terugdenkt aan het trappen tegen de rots op de stoep. Verder stelt deze wet dat elk object dat een constante snelheidsbeweging ondergaat (beweging met een constante snelheid in een rechtlijnig pad) dit zal blijven doen tenzij erop wordt ingewerkt door een netto externe kracht.

Dat tweede deel van de eerste wet is minder intuïtief omdat objecten in onze dagelijkse interacties niet de neiging hebben om eeuwig te blijven bewegen. Maar dat komt omdat ze worden beïnvloed door een weerstandskracht die wrijving wordt genoemd.

De tweede bewegingswet van Newton stelt dat de nettokracht op een object (de vectorsom van alle werkende krachten) gelijk is aan het product van de massa- en versnelling. Met andere woorden:

De tweede bewegingswet van Newton was in staat om uit te leggen waarom je harder moet duwen op zware objecten dan op lichtere objecten om ze van beweging te krijgen. Formeel relateerde het ook kracht aan de fysieke hoeveelheid versnelling, wat de verandering in de beweging van het object is.

De derde bewegingswet van Newton legde verder uit hoe krachten in paren komen. Het stelt dat als object A kracht uitoefent op object B, object B kracht uitoefent op object A die even groot is en in de tegenovergestelde richting van de kracht op object B.

De derde wet van Newton verklaart waarom geweren terugdeinzen wanneer ze worden beschoten en waarom, als je op een skateboard staat en tegen een muur duwt, je uiteindelijk achteruit rolt.

Een kracht kan worden gezien als een duw of een trekkracht. Als slechts één enkele kracht op een object inwerkt, zal die enkele kracht ervoor zorgen dat de beweging van het object omgekeerd evenredig met zijn massa verandert.

Kracht is een vectorgrootheid, wat betekent dat het een grootte en richting heeft. De richting van een netto kracht is altijd dezelfde als de richting van de versnelling of verandering van beweging (die tegengesteld kan zijn aan de bewegingsrichting in situaties waarin een object vertraagt) naar beneden.)

De SI-eenheid van kracht is de newton waarbij 1 N = 1 kgm/s². De CGS-eenheid is de dyne waarbij 1 dyne = 1gcm/s².

Je weet al dat je zelf een kracht op een voorwerp kunt uitoefenen door erop te duwen of eraan te trekken. Dit wordt contactkracht genoemd omdat er contact voor nodig is. Maar er zijn ook veel andere soorten krachten.

Een lijst van enkele veelvoorkomende krachten die je tegenkomt bij het bestuderen van natuurkunde omvat de volgende:

• ​Zwaartekracht:De zwaartekracht op een object kan worden waargenomen tijdens een vrije valbeweging, waarbij een object naar de grond versnelt. Maar de zwaartekracht is ook wat planeten in een baan om de aarde houdt, en wat je ervan weerhoudt om de ruimte in te vliegen.
• ​Normale kracht:Dit is een steunkracht die loodrecht op een oppervlak werkt en voorkomt dat voorwerpen door de vloer of een tafelblad vallen.
• ​Elektromagnetische kracht:Dit verwijst gezamenlijk naar magnetische krachten en elektrostatische krachten. Dit soort krachten is het resultaat van lading of bewegende lading. Het is de reden waarom elektronen elkaar afstoten en magneten aan elkaar plakken.
• ​Wrijvingskrachten:De wrijvingskracht is een kracht die de beweging van een voorwerp tegenwerkt. Dat is de reden waarom het moeilijker is om een ​​boek over de tafel te schuiven dan om een ​​boek over een ijslaag te schuiven. De wrijvingskracht varieert afhankelijk van de oppervlakken die met elkaar in contact staan.
• ​Luchtweerstand:Deze kracht is vergelijkbaar met wrijving. Het komt voort uit de lucht zelf die de beweging van objecten die er doorheen vallen tegenwerkt. Als een voorwerp lang genoeg valt, zal de luchtweerstand ervoor zorgen dat het zijn eindsnelheid bereikt.
• ​Spanningskracht:Dit is een soort kracht die wordt overgedragen langs een touwtje, draad of iets dergelijks.
• ​Andere fundamentele krachten:Er zijn vier fundamentele natuurkrachten. Twee zijn zwaartekracht en elektromagnetisme, die al werden genoemd, en de andere twee zijn de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht. Deze laatste twee hebben meestal alleen invloed op dingen op subatomaire schaal, daarom heb je er misschien nog nooit van gehoord.

De tweede wet van Newton maakte melding van a netto kracht. De netto kracht op een object is de vectorsom van alle krachten die op een object inwerken.

U kunt bijvoorbeeld twee mensen met gelijke krachten in tegengestelde richting op een blok laten duwen. Maar de netto kracht wordt uiteindelijk 0, wat betekent dat het blok niet beweegt omdat die twee krachten elkaar opheffen.

Vrijlichaamsdiagrammen zijn schetsen die u kunt tekenen die de grootte en richting van elke krachtvector op een object aangeven met een pijl van proportionele lengte die in de richting van de kracht wijst. Bij het oplossen van natuurkundige problemen waarbij krachten betrokken zijn, zul je waarschijnlijk veel van deze diagrammen schetsen omdat het helpt visualiseren welke krachten werken en maakt het duidelijker hoe de krachten bij elkaar kunnen worden opgeteld om het net te krijgen dwingen.

Als er geen netto kracht op een object staat, betekent dit, via de tweede wet van Newton, dat de versnelling van het object 0 is. Met andere woorden, het object moet een constante snelheid hebben.

• Merk op dat constante snelheid niet hetzelfde is als snelheid 0. Een object dat bijvoorbeeld met een constante snelheid van 2 m/s beweegt, heeft noodzakelijkerwijs geen netto kracht die erop werkt.

Je hebt misschien gehoord van een kracht die de middelpuntzoekende kracht wordt genoemd. Dit werd niet vermeld bij de andere krachten in de vorige paragraaf omdat het eigenlijk een soort nettokracht is. Het is de netto kracht in radiale richting voor elk object dat een cirkelvormige beweging ondergaat.

Cirkelvormige beweging, zelfs met een constante snelheid, is geen beweging met constante snelheid omdat het geen rechtlijnig pad handhaaft. Er moet een combinatie van krachten optreden om een ​​cirkelvormige beweging te veroorzaken. De middelpuntzoekende kracht is de radiale nettokracht die dit type beweging veroorzaakt.

• Verwar middelpuntvliedende kracht niet met middelpuntvliedende kracht. De laatste wordt eigenlijk als een pseudo-kracht beschouwd. Het is de kracht die lijkt te werken op een object dat een cirkelvormige beweging ondergaat. Als u bijvoorbeeld in een auto zit die een bocht omgaat, kunt u het gevoel hebben dat er op u wordt gedrukt tegen de zijkant van de auto, maar wat er feitelijk gebeurt, is dat een kracht je in een gebogen pad.

Bepaalde krachten lijken mysterieus te handelen zonder contact. Een voorbeeld dat u kent, is de zwaartekracht. Wanneer een object valt, trekt de aarde dat object ernaartoe zonder het zelfs maar aan te raken.

Een wiskundig hulpmiddel dat natuurkundigen hebben ontwikkeld om dit fenomeen te beschrijven, is het begrip veld. (Ja, een "krachtveld" maar niet het soort dat je beschermt tegen fotontorpedo's!)

Een zwaartekrachtveld is de toewijzing, aan elk punt in de ruimte, een vector die de relatieve grootte en. aangeeft richting van de zwaartekracht op die locatie, onafhankelijk van welk object daar een kracht kan ervaren plaats. De waarde van het zwaartekrachtveld op een bepaald punt zou eenvoudigweg de zwaartekracht zijn die door een massa zou worden gevoeldmop die locatie, maar gedeeld doorm​.

Dit idee van een krachtveld zorgt voor een verklaring van deze "mysterieuze" krachten die lijken te werken zonder iets aan te raken, door de kracht te beschrijven als het resultaat van een object dat in wisselwerking staat met de veld.

Net als gravitatievelden kun je ook een elektrisch veld of een magnetisch veld hebben die de beschrijven relatieve kracht per eenheid lading of (kracht per eenheid magnetisch moment) die een object in een bepaald geval zou voelen plaats.