2Soorten krachten

Voor we dieper ingaan op de effecten van een kracht, zoomen we in op een aantal krachten die belangrijk zijn voor het verband tussen kracht en beweging.

In module 5 ‘Kracht en veld’ worden zwaartekracht en normaalkracht uitgebreider besproken.

2.1Zwaartekracht

2.1.1Grootheid en eenheid

Een kracht waarmee je op aarde overal en altijd te maken hebt, is de zwaartekracht. Op aarde valt alles recht naar beneden, denk maar aan een appel die uit de boom valt of de regen. Deze kracht is niet uniek voor de aarde, andere hemellichamen zoals de maan oefenen een soortgelijke kracht uit.De oorsprong van de zwaartekracht ligt in het feit dat alle massa’s elkaar aantrekken.

De zwaartekracht is de kracht waarmee de aarde voorwerpen aantrekt. We stellen de zwaartekracht voor door #–Fz . De eenheid van zwaartekracht is de newton (N).

De gravitatiewet, die je later zal zien, beschrijft deze aantrekking.

2.1.2Richting, zin en aangrijpingspunt van de zwaartekracht

De zwaartekracht is een vector en heeft een richting, zin, aangrijpingspunt en grootte. We laten deze vector aangrijpen in het massamiddelpunt, ook wel zwaartepunt genoemd. (Niet te verwarren met het geometrisch zwaartepunt uit wiskunde.)

Zwaartekracht op een voorwerp werkt verticaal (richting) en is naar het middelpunt van de aarde (zin) gericht.

In fysica wordt een lichaam vaak vervangen door een punt, een puntmassa. Deze puntmassa ligt in het massamiddelpunt en bevat alle massa van het volledige lichaam. Dit gebeurt vooral in de bewegingsleer, om zo de studie van een beweging te vereenvoudigen.

2.1.3Grootte van de zwaartekracht

We kennen ondertussen de richting, de zin en het aangrijpingspunt van de zwaartekracht. De grootte van de zwaartekracht op een voorwerp vind je door de massa m van dat voorwerp te vermenigvuldigen met de zwaarteveldsterkte g

We krijgen dus: Fz = m g

De zwaarteveldsterkte (g) wordt uitgedrukt in 9,81 N kg .

We gebruiken voor g de constante waarde 9,81 N kg .

De zwaarteveldsterkte bespreken we verder in module 5.

Omdat de aarde niet perfect rond is, is de zwaarteveldsterkte op aarde niet overal even groot. g is in België gelijk aan 9,81 N kg , aan de Noordpool 9,83 N kg en aan de evenaar 9,78 N kg

Hoe verder je van het middelpunt van de aarde bent verwijderd, hoe kleiner de g.

Geef de vier kenmerken voor de zwaartekracht. Noteer.

2.2Normaalkracht

We beperken ons in dit deel tot een horizontale ondergrond.

2.2.1Grootheid en eenheid

Op een plantje dat op een tafel staat, werkt de zwaartekracht #–Fz

De tafel oefent op het plantje een kracht #–FN uit, die even groot is, maar tegengesteld aan #–Fz

De kracht #–FN staat altijd loodrecht op het oppervlak dat het voorwerp ondersteunt, vandaar de naam normaalkracht

Op een voorwerp dat steunt op een ondergrond, oefent de steun op het voorwerp een normaalkracht uit. Deze kracht werkt op het voorwerp en staat loodrecht op het steunvlak.

We stellen de normaalkracht voor door #–FN .

De eenheid van normaalkracht is de newton (N).

2.2.2Richting, zin en aangrijpingspunt van de normaalkracht

Bij een horizontale ondergrond is de normaalkracht even groot als de zwaartekracht. Deze krachten zijn wel tegengesteld aan elkaar en heffen elkaar daardoor op.

De normaalkracht op een voorwerp werkt loodrecht op het steunvlak (richting) in en is naar boven (zin) gericht.

De normaalkracht grijpt aan in het steunpunt van een voorwerp. Aangezien we een kracht mogen verschuiven volgens zijn werklijn, wordt als aangrijpingspunt voor de normaalkracht vaak het zwaartepunt genomen.

2.2.3Grootte van de normaalkracht

Bij een horizontale ondergrond is de normaalkracht even groot als de zwaartekracht.

In module 5 ‘Kracht en veld’ kom je te weten hoe de normaalkracht werkt bij een schuine ondergrond.

2.3Wrijvingskracht

2.3.1Grootheid

En Eenheid

Op aarde hebben we zo goed als altijd te maken met wrijvingskrachten, denk maar aan het filmfragment uit het ISAAC-moment. We kennen wrijvingskracht vooral als een kracht die tegenwerkt, een kracht waardoor we een zware kast niet kunnen verschuiven of waardoor we vertragen als we aan het rijden zijn. Anderzijds hebben we geleerd om de wrijvingskrachten te gebruiken op een nuttige manier. Dankzij de wrijving kunnen we goed lopen, fietsen en autorijden.

De kracht die ontstaat door de wrijving noemen we de wrijvingskracht.

We stellen de wrijvingskracht voor door #–Fw .

De eenheid van wrijvingskracht is de newton (N).

De wrijvingskracht is altijd tegengesteld aan de beweging of tegengesteld aan de zin waarin we het voorwerp proberen te bewegen.

We bespreken hieronder verschillende soorten wrijvingskrachten.

Als een voorwerp zich beweegt in een gas of vloeistof ondervindt het voorwerp een weerstand van dat fluïdum. Deze weerstandskracht proberen we meestal zo klein mogelijk te maken, daarom hebben vliegtuigen en auto’s een aerodynamische vorm.

Heel wat voertuigen maken gebruik van wielen. Deze wielen rollen over het wegdek. Tijdens dat contact vervormt de band rondom het wiel. Op die plaats ontstaat rolweerstand Als je al eens fietste met een platte band, dan heb je zeker het effect gemerkt. Door dunne en goed opgepompte banden te gebruiken, wordt de rolweerstand kleiner. Denk hierbij aan de tubes bij wielrenners tijdens wedstrijden.

Een andere mogelijkheid is dat oppervlaktes over elkaar schuiven, in dat geval spreken we van glijdende wrijving of dynamische wrijving. Als een fiets remt dan rollen de banden niet meer over het wegdek, maar schuiven ze over het wegdek. Deze wrijving krijgen we ook bij: ski’s, schaatsen, sleeën …

In alle bovenstaande voorbeelden bewegen de twee systemen ten opzichte van elkaar. Er kan ook wrijving zijn tussen systemen die niet bewegen ten opzichte van elkaar. We spreken dan van statische wrijving. Wie al eens geprobeerd heeft om een zware zetel te verschuiven, heeft die kracht ervaren. Misschien krijg je de zetel in je eentje niet in beweging en heb je hulp van iemand nodig. Voor je de zetel in beweging krijgt, moet je immers eerst de wrijvingskracht overwinnen. Je moet dus een kracht uitoefenen die groter is dan die statische wrijvingskracht.

2.3.2Richting, zin en aangrijpingspunt van de wrijvingskracht

De richting, zin en aangrijpingspunt zijn afhankelijk van de situatie. We bespreken hieronder enkele voorbeelden.

Astronauten die terugkeren van het ISS trekken, kort voor de landing op aarde, hun parachute open. Hier werkt natuurlijk de zwaartekracht, maar ook een aanzienlijke wrijving van de lucht om af te remmen. Op de parachute werken dus twee krachten: de zwaartekracht #–Fz en de luchtweerstand #–Fw .

Tijdens het rijden ondervindt de auto altijd wrijving, van de lucht en van het wegdek, wat resulteert in een wrijvingskracht die werkt in tegengestelde zin als de bewegingszin van de auto. Op de auto werken dus vier krachten: de zwaartekracht #–Fz , de normaalkracht #–FN , de motorkracht van de auto #–Fm en de wrijvingskracht #–Fw . De zwaartekracht en de normaalkracht zijn altijd even groot. De motorkracht en de wrijvingskracht kunnen even groot zijn, maar kunnen ook een verschillende grootte hebben. Welk effect dat precies heeft op de beweging, zien we verder in deze module.

Deze man probeert een hele zware steen weg te duwen. Hij krijgt de steen pas in beweging als hij een kracht uitoefent op de steen die groter is dan de statische wrijvingskracht. Hoe hard de man ook probeert te duwen, hij slaagt er niet in om de steen in beweging te krijgen.

De foto toont Einstein die een bocht neemt. Einstein rijdt in een cirkel met middelpunt rechts van hem. Zoals je kunt zien aan de krachten, is het fietsen in een bocht een complex gebeuren. De wrijving belet Einstein dat hij wegschuift, bovendien zorgt heel het systeem van krachten ook voor een resulterende centripetale kracht die nodig is om een bocht te kunnen maken.

De centripetale kracht wordt uitgebreid behandeld in de derde graad, maar zo begrijpen jullie wel waarom motorrijders ( of motards) in de bocht bijna de grond raken met hun knie.

Merk op dat de zin van de wrijvingskracht hier niet tegengesteld is aan de bewegingszin, maar wel tegengesteld aan de zin waarin het wiel van de fiets zou wegschuiven zonder wrijving.

2.3.3Grootte van de wrijvingskracht

We verdiepen ons even in de statische en dynamische wrijving. Statische wrijving

We hernemen het voorbeeld van de zware zetel die we willen verschuiven. De zetel verschuift pas als je hard genoeg duwt of trekt. Bij een te kleine kracht blijft de zetel gewoon staan.

De kracht #–F wordt dan tegengewerkt door de statische wrijvingskracht #–Fw

#– #– #– #– #–

Pas als de kracht F groot genoeg is, komt de zetel in beweging. Je moet dus een kracht uitoefenen die groter is dan een maximale wrijvingskracht

∣ is recht evenredig met de normaalkracht Fw,max = μs FN .

De grootte berekenen we met deze formule: µs is de statische wrijvingscoëfficiënt. Het is een constante (een getal) die de mate van de wrijving tussen twee oppervlakken weergeeft. Een constante die afhankelijk is van de materialen van beide oppervlakken. Zo zal de zetel net iets makkelijker schuiven op een houten vloer dan op een betonnen vloer.

De statische wrijvingscoëfficiënt is de evenredigheidsfactor in de formule μs = Fw,max FN .

De waarde van de wrijvingscoëfficiënt hangt af van de materialen die over elkaar schuiven. Bij een lage wrijvingscoëfficiënt glijden de materialen makkelijker over elkaar.

In de tabel op pagina 16 vind je enkele typische waarden voor de wrijvingscoëfficiënt.

Merk op dat deze constante geen eenheden heeft, we spreken in zo’n geval over een onbenoemde constante.

De zin van de statische wrijvingskrachtis tegengesteld aan de zin van de uitgeoefende kracht.

WIST-JE-DAT

Het klinkt misschien raar, maar het is dankzij deze wrijvingskracht dat we kunnen stappen. Door deze statische wrijving schuiven we niet uit bij elke stap. Je hebt wel al gemerkt dat je met gladde zolen minder grip hebt. De statische wrijvingscoëfficiënt voor leer op hout is slechts 0,35. Daarom glij je gemakkelijk uit met leren zolen op een houten vloer.

Dynamische wrijving

Dynamische wrijving ontstaat wanneer twee oppervlakken over elkaar schuiven. Uit heel wat experimenten is gebleken dat de grootte van Fw recht evenredig is met de grootte van de normaalkracht Fw,max = μs ⋅ FN .

De grootte bereken je met deze formule: Fw = μd FN .

Fw = μd ⋅ FN is de dynamische wrijvingscoëfficiënt en een constante die afhankelijk is van de materialen van beide oppervlakken.

Hoe groter de wrijvingscoëfficiënt, hoe groter de wrijvingskracht.

Fw en Fw = μd FNzijn dus recht evenredig.

We merken dat de grootte van de dynamische wrijvingskracht onafhankelijkis van de grootte van het contactoppervlak en van de snelheid waarmee het voorwerp over het oppervlak glijdt. Deze factoren beïnvloeden de dynamische wrijving niet.

De zin van de dynamische wrijvingskracht is tegengesteld aan de zin van de snelheid van het voorwerp.

De grootte van de wrijvingscoëfficiënt kun je opzoeken in onderstaande tabel.

Nicolas wil zijn slee voorttrekken in de woonkamer over het parket. Is het makkelijker of moeilijker om de slee in beweging te krijgen dan op sneeuw? Leg uit.

Tijdens een slipcursus schuift een auto over het wegdek. Welke wrijvingskracht speelt hier een rol? Noteer.