Soorten krachten

Leerdoelen

•Je kunt benoemen met welke soorten krachten je moet kunnen werken.

•Je kunt de volgende formules toepassen: F_{z}=m\cdot g,F_{veer}=C\cdot u,F_{w,s\operatorname{ch}uif,\max}=f\cdot F_{N}en F_{w,lu\operatorname{ch}t}=\frac12C_{w}\rho Av^2

Soorten krachten in de natuurkunde

Hieronder vind je een overzicht van de krachten die in opgaven vaak voorkomen:

Zwaartekracht (F_z)

De zwaartekracht, met symbool F_{z}, is de kracht waarmee de aarde (of een ander hemellichaam) een voorwerp aantrekt. Deze kracht grijpt altijd aan in het massamiddelpunt of zwaartepunt van een voorwerp.

•Heb je een regelmatig voorwerp, zoals een perfect ronde bal, dan grijpt de zwaartekracht aan in het exacte midden van de bal.

•Bij een onregelmatig voorwerp, bijvoorbeeld een driehoek, kun je het massamiddelpunt vinden door loodlijnen te tekenen vanuit de hoeken. Waar deze lijnen elkaar kruisen, daar bevindt zich het zwaartepunt.

De zwaartekracht wijst altijd naar het midden van de aarde.

De formule voor de zwaartekracht is: F_{z}=m\cdot g

Hierbij geldt:

•F_z is de zwaartekracht in Newton (N).

•m is de massa van het voorwerp in kilogram (kg).

•g is de valversnelling in meter per seconde kwadraat (m/s²). Op aarde is deze constante ongeveer 9,81 m/s². Op de maan is de valversnelling bijvoorbeeld kleiner, omdat de maan minder massa heeft en daardoor minder hard aan voorwerpen trekt.

Normaalkracht (F_n)

Stel je voor dat een voorwerp op een tafel ligt. De aarde trekt aan dit voorwerp, wat we de zwaartekracht noemen. Het voorwerp oefent door zijn massa ook een kracht uit op de ondergrond, dit noemen we het gewicht. Deze gewichtskracht wijst omlaag en grijpt aan op het ondersteunende vlak.

De normaalkracht (F_n) is de reactiekracht van de ondergrond op dit gewicht. De ondergrond 'duwt' terug tegen het voorwerp. Het is belangrijk om te onthouden dat de normaalkracht altijd loodrecht op de ondergrond staat. De ondergrond kan immers alleen maar haaks tegen een voorwerp aan duwen.

Als een voorwerp stil ligt op een horizontale ondergrond, is de normaalkracht net zo groot als de zwaartekracht. De normaalkracht grijpt dan aan op het voorwerp zelf, maar wordt veroorzaakt door de ondergrond.

De normaalkracht kan zich aanpassen aan de omstandigheden. Denk aan een situatie in een lift:

•Als de lift stilstaat of met constante snelheid beweegt, is F_n = F_z.

•Als de lift met het voorwerp erop versnelt omhoog, blijft de zwaartekracht Fz hetzelfde. Echter, de ondergrond moet nu niet alleen het voorwerp dragen, maar ook een extra duwkracht leveren om het voorwerp omhoog te versnellen. Hierdoor wordt de normaalkracht (F_n) groter dan de zwaartekracht. Je voelt je dan zwaarder.

•Als de lift versnelt omlaag, dan wordt de normaalkracht kleiner dan de zwaartekracht. Je voelt je dan lichter.

Veerkracht (F_{veer})

De veerkracht ($ F_{veer} $) treedt op bij elastische materialen, zoals elastiekjes, veren en rubber. Deze materialen hebben de eigenschap dat ze na vervorming terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm.

De formule voor veerkracht is: F_{veer}=C\cdot u

Hierin staat:

•F_{veer} voor de veerkracht in Newton (N).

•C voor de veerconstante in Newton per meter (N/m). De veerconstante geeft aan hoe stug of slap een veer is. Een grote veerconstante betekent een stuggere veer (er is veel kracht nodig om deze uit te rekken), terwijl een kleine veerconstante duidt op een slappere veer (er is weinig kracht nodig).

•u voor de uitrekking (of de indrukking) van de veer in meter (m).

Het verband tussen de veerkracht en de uitrekking is recht evenredig. Dit betekent dat als je de uitrekking van een veer twee keer zo groot maakt, de veerkracht ook twee keer zo groot wordt.

Dit verband kun je goed zien in een grafiek:

•Bij de blauwe lijn, als de uitrekking 1 meter (u = 1 m) is, is de veerkracht 200 Newton (F_{veer}=200N). De veerconstante (C=\frac{F_{veer}}{u}) is dan 200 N / 1 m = 200 N/m. Deze veer is stugger.

•Bij de rode lijn, als de uitrekking 1 meter (u = 1 m) is, is de veerkracht slechts 50 Newton (F_{veer}=50N). De veerconstante (C=\frac{F_{veer}}{u}) is dan 50 N / 1 m = 50 N/m. Deze veer is slapper.

Je ziet hier ook het recht evenredige verband: als je bij de rode lijn kijkt naar een uitrekking van 2 meter, heb je een veerkracht van 100 Newton nodig (2 keer zoveel als bij 1 meter uitrekking).

Weerstandskrachten (F_w)

Weerstandskrachten zijn krachten die de beweging van een voorwerp tegenwerken. Ze zorgen ervoor dat voorwerpen vertragen of extra kracht nodig hebben om in beweging te komen of te blijven. Er zijn verschillende soorten weerstandskrachten.

Schuifwrijvingskracht

De schuifwrijvingskracht (F_{w,s\operatorname{ch}uif}) treedt op wanneer twee oppervlakken langs elkaar schuiven. Stel je een voorwerp voor op een schuine helling; het glijdt niet altijd meteen naar beneden. Dit komt door de schuifwrijvingskracht.

•De schuifwrijvingskracht werkt altijd evenwijdig aan het contactvlak en tegen de bewegingsrichting in.

•Deze kracht kan variëren van nul Newton tot een maximale waarde, de maximale schuifwrijvingskracht.

•Zolang de kracht die een voorwerp probeert te bewegen (bijvoorbeeld een component van de zwaartekracht langs de helling of een duwkracht) kleiner of gelijk is aan de maximale schuifwrijvingskracht, zal het voorwerp niet bewegen. De wrijvingskracht past zich dan aan de duwkracht aan.

•Pas als de bewegende kracht groter is dan de maximale schuifwrijvingskracht, komt het voorwerp in beweging. Daarna blijft de schuifwrijvingskracht constant op zijn maximale waarde.

De grootte van de schuifwrijvingskracht hangt af van:

•De ruwheid van de contactoppervlakken. Ruwere oppervlakken geven meer wrijving.

•De kracht waarmee het voorwerp op het vlak drukt (dit is gelijk aan de normaalkracht). Hoe zwaarder het voorwerp, hoe moeilijker het schuift.

Rolweerstandskracht

De rolweerstandskracht (F_{w,rol}) is een kracht die de beweging tegenwerkt bij rollende voorwerpen, zoals een koffer met wieltjes. Deze weerstand ontstaat door kleine vervormingen van zowel het wiel als de ondergrond tijdens het rollen.

Kenmerken van rolweerstand:

•Rolweerstandskrachten zijn vrijwel altijd kleiner dan schuifwrijvingskrachten. Daarom is rollen ook veel gemakkelijker dan schuiven, en zetten we wieltjes onder een koffer.

•De rolweerstandskracht neemt toe bij hobbelige oppervlakken.

•De rolweerstandskracht neemt toe bij zwaardere voorwerpen (een grotere kracht op de ondergrond).

•De rolweerstandskracht is nauwelijks afhankelijk van de snelheid.

Luchtweerstandskracht

De luchtweerstandskracht (F_{w,lu\operatorname{ch}t}) is de kracht die nodig is om de lucht voor een bewegend voorwerp te verplaatsen. Het is letterlijk de kracht die je moet uitoefenen om de lucht opzij te duwen.

De luchtweerstandskracht is afhankelijk van vier factoren:

1.Snelheid (v): Dit is de belangrijkste factor. De luchtweerstand is afhankelijk van de snelheid in het kwadraat (v^2). Dit betekent:

1.Als je twee keer zo snel gaat, wordt de luchtweerstand 2^2=4 keer zo groot.

2.Als je drie keer zo snel gaat, wordt de luchtweerstand 3^2{}=9 keer zo groot.

2.Luchtdichtheid (ρ): Hoe dichter de lucht (bijvoorbeeld op zeeniveau of bij lagere temperatuur), hoe meer kracht je nodig hebt om deze te verplaatsen, en hoe groter de luchtweerstandskracht.

3.Frontaal oppervlak (A): Dit is het oppervlak van het voorwerp dat in de bewegingsrichting loodrecht op de luchtstroom staat. Hoe groter je frontale oppervlak, hoe meer lucht je moet verplaatsen en hoe groter de luchtweerstandskracht.

4.Stroomlijn (C_w-factor): De C_w-factor (weerstandscoëfficiënt) geeft aan hoe gestroomlijnd een voorwerp is. Een gestroomlijnd voorwerp (zoals een sportauto of een ligfiets) zorgt ervoor dat de lucht er gemakkelijk omheen kan stromen, waardoor er minder kracht nodig is om de lucht te verplaatsen en de luchtweerstand kleiner is (lagere C_w-waarde). Een minder gestroomlijnd voorwerp (zoals een vrachtwagen of een rechtopzittende fietser) heeft een hogere C_w-factor.

Overige krachten

Naast de eerder besproken krachten zijn er nog enkele andere krachten die je in natuurkunde-opgaven kunt tegenkomen. Hoewel er geen specifieke formules aan deze krachten gekoppeld worden in dit artikel, is het belangrijk te weten dat ze bestaan:

•Spankracht (F_{span}): Dit is de kracht die ontstaat in materialen die onder spanning staan, zoals een touw, een kabel of een ketting.

•Spierkracht (F_{spier}): Dit is de kracht die wordt uitgeoefend door spieren, bijvoorbeeld wanneer een voetballer tegen een bal schopt.

•Motorkracht (F_{motor}): Dit is de kracht die wordt geleverd door een motor, bijvoorbeeld de motor van een auto of een vliegtuig.