Het woord dwingen komt voor in praktisch elk denkbaar aspect van het dagelijks leven, van sport tot weer tot militaire conflicten. Maar in wezen is kracht een concept dat geworteld is in de natuurkunde, waar het een zeer specifieke en kritische betekenis heeft. De standaardeenheid van kracht is de newton (N), gelijk aan kg ⋅ m/s2.
Kracht is een van de twee hoeveelheden natuurkunde die de beweging van een object beïnvloeden, de andere is massa. De beschrijving van de beweging van objecten in de ruimte heet kinematica, waarbij rekening wordt gehouden met positie, snelheid en versnelling; met inbegrip van kracht en massa in de studie van beweging introduceert het concept van dynamiek.
De bewegingswetten van Newton
Alvorens te leren over specifieke krachten en hoe berekeningen met deze hoeveelheid te doen, is het nuttig om de drie basiswetten van beweging te bekijken die door Isaac Newton zijn bedacht:
1. Elk object in een staat van constante beweging (inclusief rust) zal in die staat blijven tenzij er door externe kracht op wordt ingewerkt.
2. Kracht is het product van massa en versnelling.
3. Voor elke kracht bestaat er een kracht tegengesteld in richting en even groot.
De tweede wet van Newton is degene die het meest interessant is als je kracht wilt berekenen, of massa of versnelling wilt bepalen als je informatie krijgt over de kracht en een van de andere twee grootheden. Versnelling is een verandering in snelheid.
Voorbeelden van krachten
Je kunt een kracht zien als iets dat duwt of trekt; hoewel nuttig als een metafoor, doet dit echter niet veel om uw begrip in de echte wereld te vergroten. In plaats daarvan is een lijst met het bereik van natuurlijke krachten een beter hulpmiddel om vertrouwd te raken met de krachten die u in uw natuurkundige berekeningen zult gebruiken.
Gewicht is een mysterieuze kracht die inwerkt op alle objecten met massa en voortvloeit uit de zwaartekracht, die aan het aardoppervlak een waarde heeft van 9,8 meter per seconde kwadraat (9,8 m/sec)2). Spanning, elasticiteit, wrijving en de zogenaamde normale kracht zijn krachten die op vaste stoffen inwerken; drijfvermogen, lift, stuwkracht en weerstand zijn krachten die uniek zijn voor vloeistoffen (vloeistoffen en gassen).
De elektrostatisch en magnetisch krachten worden geassocieerd met geladen deeltjes. Ook de natuur omvat vier fundamentele krachten die aanleiding geven tot alle andere krachten. Een daarvan is de zwaartekracht, die verreweg de zwakste fundamentele kracht is; de anderen zijn elektromagnetisme en de sterk en zwak nucleair interacties in atomen.
De krachtvergelijking
De standaardvorm van de krachtformule in de natuurkunde stelt dat de netto externe kracht op een object is het product van zijn massa en zijn versnelling:
\textbf{F} = m\textbf{a}
Hier zijn kracht en versnelling vector hoeveelheden, wat betekent dat ze zowel een waarde (grootte, weergegeven door een getal) als een bijbehorende richting in de ruimte hebben. Massa is een scalaire kwantiteit, wat betekent dat het volledig wordt beschreven in termen van zijn omvang.
Voorbeeld van berekening van kracht
Een compacte auto met een massa van 1.000 kg accelereert pal naar het noorden met 5 m/s2. Wat is de kracht die door deze versnelling wordt geproduceerd?
F = (1.000 kg) (5 m/s2) = 5.000 N.
De auto bereikt uiteindelijk een snelheid van 40 m/s (ongeveer 90 mijl per uur) en vlakt af bij deze snelheid. Wat is nu de externe kracht op de auto?
Dit is een soort strikvraag. Terwijl een snel rijdende auto veel momentum heeft, als de auto geen acceleratie ervaart, hebben beide kanten van de kracht vergelijking nul zijn, en er is geen netto externe kracht die op het systeem inwerkt, in dit geval uitsluitend bestaande uit de auto. De fysieke hoeveelheid van het grootste belang hier, momentum, is het product van massa en snelheid v (vergelijk dit met de krachtvergelijking).