Kracht

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Nuvola single chevron right.svg Voor de gelijknamige film, zie Kracht (film).
Enkele voorbeelden van optredende krachten.

Een kracht is een natuurkundige grootheid die, uitgeoefend op een lichaam, daarin een spanning of druk doet ontstaan, of die het lichaam van beweging doet veranderen, doet versnellen.Door de werking van een kracht kan arbeid verricht worden. Sommige krachten hebben op grond van hun oorzaak of werking een eigen naam gekregen, zoals wrijvingskracht, zwaartekracht en middelpuntvliedende kracht. Kracht heeft een grootte en een richting, en wordt voorgesteld als een vectorgrootheid. Een kracht kan worden overgebracht door contact tussen voorwerpen of deeltjes (vast, vloeistof, gas) of door een krachtenveld (in de klassieke natuurkunde zijn die van elektromagnetische of gravitationele aard).

Begripsontwikkeling[bewerken]

Het woord kracht is van Oergermaanse oorsprong, verbonden met het beeld van spierspanning. Kracht betekent aanvankelijk de lichamelijke (spierkracht) of geestelijke (geestkracht) voorwaarde voor bepaalde handelingen, en later ook de uitvoering van de handeling, de kracht uitoefenen,

In de rechtspraak betekent kracht de geldigheid of werkzaamheid; een wet wordt van kracht of is niet meer van kracht. Ook buiten de rechtspraak komt de betekenis van werkzaamheid, vermogen voor: geneeskracht, daadkracht, overredingskracht.

Sinds ongeveer het einde van de 18e eeuw wordt het begrip kracht ook op mensen als drager van kracht betrokken: strijdkrachten, leerkracht, mankracht. In de 20e eeuw ook op machinaal opgewekte energie: krachtbron, krachtcentrale.

In het Engels heeft 'craft' zich ontwikkeld tot ambacht, handwerk, bekwaamheid.

Van het Griekse woord voor kracht, δύναμις, is de CGS-eenheid dyne afgeleid en het begrip dynamica, de leer van beweging onder invloed van krachten. In de natuurkundige terminologie is 'kracht' al zeker sinds de 17e eeuw gelijkgesteld met het Latijnse 'vis'.

Het lange tijd weinig precieze en volgens tegenwoordige inzichten gedeeltelijk verkeerde gebruik van het begrip 'kracht' in de natuurkunde is grotendeels terug te voeren op de visie van Aristoteles op beweging, die tot ver in de Renaissance doorgewerkt heeft. In deze visie is de grondslag van iedere beweging een werkende oorzaak, die we nu 'kracht' zouden noemen. Een daardoor veroorzaakte beweging eindigt vanzelf als de kracht niet meer werkt. Deze kracht kan alleen werken door direct contact, en wordt daarom in verband gebracht met de snelheid van het lichaam, een verband dat door latere commentatoren als evenredig uitgelegd werd.

In de Middeleeuwen ontstond uit de leer van Aristoteles de nu achterhaalde impetus-theorie die een groep bewegingsleren samenvat.Hun gemeenschappelijke kern is het idee van een opgelegde kracht, de 'impetus', die door een 'eerste beweger' aan een lichaam wordt meegegeven. Deze impetus bevindt zich in het lichaam en slaapt met de tijd in, wat versterkt wordt door de weerstand van het medium, zoals lucht. Ook in deze theorie eindigt een beweging vanzelf wanneer het lichaam "geen kracht meer heeft". In tegenstelling tot Aristoteles was er geen externe beweger nodig. De prangende vraag op welke wijze een in de lucht geworpen voorwerp in beweging wordt gehouden, was daarmee schijnbaar opgelost. Wel werd vastgehouden aan de evenredigheid van kracht en snelheid.

Ook Galilei steunde op de ideeën van Aristoteles, maar hij kwam dichtbij de traagheidswet. In deze wet is een kracht niet meer nodig om een beweging in stand te houden, maar juist om een beweging te veranderen. Het was Newton die in zijn bewegingswetten uit 1687 het begrip kracht beschreef op de manier waarop het nu nog gebruikt wordt. Tot ver in de 19e eeuw gebruikten natuurkundigen het woord 'kracht' ook in betekenissen die niet door de wetten van Newton gedekt worden, in het bijzonder in de betekenis van energie. Zo werd bijvoorbeeld, voordat het moderne energiebegrip ingevoerd was, de kinetische energie met de, door Leibniz bedachte en nog door Helmholtz gebruikte, uitdrukking 'vis viva' (levende kracht) gebruikt.

Wetten van Newton[bewerken]

Eerste wet[bewerken]

De eerste wet van Newton stelt dat wanneer er op een voorwerp geen resulterende kracht werkt dit voorwerp geen snelheidsverandering zal ondergaan. Met een resulterende kracht wordt een kracht bedoeld die niet wordt opgeheven door andere krachten. Dit is in de alledaagse wereld heel vaak van toepassing doordat het effect van zwaartekracht en andere krachten vaak wordt opgeheven door weer andere krachten, zoals normaalkracht, wrijving, adhesie en cohesie. [1] Vooral door wrijvingskracht was deze wet niet evident, omdat bijvoorbeeld de ervaring leerde dat om een kar een gelijke snelheid te laten houden er constant een kracht moet worden uitgeoefend.

Tweede wet[bewerken]

De tweede wet van Newton definieert een resulterende kracht als verandering van beweging. De verandering van de beweging is evenredig met de kracht en volgt de richting waarin de kracht werkt.

De kracht \vec F op een voorwerp is gelijk aan de verandering per tijdseenheid van de impuls ("beweging") \vec p van het voorwerp. De impuls \vec p is het product van de massa m en de snelheid \vec v .

De tweede wet van Newton luidt in formulevorm:

 \vec F = \frac{d\vec p}{dt} = \frac{d}{dt} (m \vec v) = \vec v \, \frac{dm}{dt} + m \, \frac{d\vec v}{dt}.

Als de massa niet verandert[2] geldt voor de kracht

\vec F = m\, \frac{d\vec v}{dt}=m\, \vec a

met

  • m de massa van het lichaam
  •  \vec a de versnelling (verandering van de snelheid per tijdseenheid) van het zwaartepunt van het lichaam.

De richting van de kracht is de richting van de versnelling.

Derde wet[bewerken]

De derde wet van Newton (actie = reactie) stelt dat krachtwerking tussen twee voorwerpen altijd wederzijds is, met tegengestelde richtingen.[3]

Bij krachten die op afstand werken, wordt impuls uitgewisseld door middel van de krachtvoerende deeltjes (ijkbosonen).

Krachtwerking op een vervormbaar lichaam[bewerken]

Indien de som van alle krachten op een lichaam nul is dan ondergaat het massamiddelpunt geen versnelling. Het lichaam kan onder invloed van die krachten wel vervormen. Bijvoorbeeld het lichaam kan door twee tegengestelde krachten uitrekken. Zie ook vrijmaken.

Newton[bewerken]

De eenheid van kracht, de newton, is vernoemd naar Sir Isaac Newton. Tijdgenoten van Newton zoals Christiaan Huygens, Edmond Halley, Robert Hooke en Christopher Wren, onderschreven het idee dat planeten in hun banen lopen door een zwaartekracht die kwadratisch afneemt met de afstand tot de zon. De bijdrage van Newton was dat hij er in slaagde een wiskundig bewijs te leveren dat zo'n zwaartekracht inderdaad de planeten in de geobserveerde planeetbanen laat lopen waarmee de experimenteel bepaalde wetten van Kepler verklaard werden en dat dit dezelfde zwaartekracht is die ook op aarde heerst.[4]

De wetten van Newton vormen de fundamenten van de mechanica en dynamica.

Verwarrende benamingen[bewerken]

Fundamentele krachten[bewerken]

Alle krachten in natuurkundige zin zijn een samenstelling van een of meer van de vier fundamentele natuurkrachten. Naast de alomtegenwoordige zwaartekracht (zelf een van de fundamentele natuurkrachten) zijn de meeste alledaagse verschijnselen zoals wrijving en hardheid gebaseerd op de elektromagnetische kracht waarmee vaste stoffen bij elkaar gehouden worden.

Standaardmodel[bewerken]

In het standaardmodel, waarin elementaire deeltjes worden geclassificeerd, is een kracht een verschijnsel dat wordt veroorzaakt door impulsoverdracht door opnemen en uitzenden van ijkbosonen. De bekendste van deze ijkbosonen is het foton verantwoordelijk voor de elektromagnetische kracht.

De drie volgens het standaardmodel (en een eventuele vierde) bekende krachten zijn[5]:

  1. De elektromagnetische kracht met als ijkboson het foton
  2. De sterke kracht met als ijkbosonen de gluonen
  3. De zwakke kracht met als ijkbosonen de W- en Z-bosonen
  4. De zwaartekracht met als ijkboson het graviton[6]

Noten en referenties[bewerken]

  1. Als voorbeeld kan dienen een touw dat aan een boom is gebonden. De boom oefent een tegengestelde gerichte en even grote kracht uit als aan het touw wordt getrokken (Derde wet van Newton, waardoor het touw niet versnelt
  2. In de relativistische mechanica is een massa niet altijd constant. Maar ook in de klassieke mechanica kunnen niet-constante massa’s optreden, bijvoorbeeld in een raket waar de massa van de brandstof een niet-verwaarloosbaar aandeel in de totale massa heeft. Het brandstofverbruik veroorzaakt hier een geleidelijke vermindering van de massa.
  3. Nemen we als voorbeeld een centrale botsing tussen een stilstaande en een bewegende biljartbal van gelijk gewicht, dan oefent tijdens het contact de bewegende bal op de stilstaande bal een kracht uit in de richting van zijn beweging. Deze kracht neemt toe tot een maximum en neemt daarna weer af. Tegelijkertijd ondervindt deze bal zelf een kracht van de stilstaande bal die tegengesteld op zijn bewegingsrichting werkt. De stilstaande bal zal dus gaan bewegen en de oorspronkelijk bewegende bal komt tot stilstand bij gelijke massa's. Uit de beschouwing van de actiekracht en reactiekracht volgt de wet van behoud van impuls.
  4. De afleiding van Keplers wetten met behulp van Newtons veronderstelling is later herhaald door Richard Feynman, zonder de differentiaalrekening die ook door Newton is uitgevonden. In de 19e eeuw werd echter de onverklaarde periheliumbeweging van Mercurius waargenomen, die slechts met behulp de Algemene relativiteitstheorie verklaard kon worden.
  5. Hyperphysics, The Forces
  6. De zwaartekracht neemt een aparte plaats in, aangezien ze volgens de Algemene relativiteitstheorie een lokale kromming in het tijdruimtecontinuüm veroorzaakt, die bewegingen van hemellichamen verklaart. De neerwaartse kracht die wij op het aardoppervlak ondervinden (ons gewicht) in het zwaartekrachtveld van de aarde is in dit model fundamenteel niet te onderscheiden van inertiële krachten, zoals de versnelling die we in een lift, een bocht of een raket ondervinden. Dit is geheel analoog aan het vervallen van het onderscheid tussen magnetische en elektrische krachten doordat de aanduiding afhangt van de wijze van beschouwing van een beweging van een spoel om een magneet, ofwel een magneet die binnen een spoel beweegt. Het Standaardmodel en de Algemene Relativiteitsheorie zijn nog niet verenigd in een enkele consistente theorie. Er wordt dan ook naarstig gezocht naar een Theorie van alles om beide theorieën te omvatten.

Zie ook[bewerken]