Kracht

Natuurkundige grootheid
Zie Kracht (doorverwijspagina) voor andere betekenissen van Kracht.

Een kracht is een natuurkundige grootheid die een voorwerp van vorm of van snelheid kan doen veranderen. Door de werking van een kracht kan arbeid verricht worden. Krachten kunnen worden genoemd naar de werking die ze op een voorwerp hebben, zoals trekkracht, drukkracht en dwarskracht. Krachten kunnen ook worden genoemd naar hun oorzaak of werking, zoals wrijvingskracht, zwaartekracht en middelpuntzoekende kracht. Krachten worden doorgaans aangeduid met het symbool F (vroeger P) en worden uitgerukt in de SI-eenheid newton met symbool N.

Enkele voorbeelden van optredende krachten.

Een kracht kan worden overgebracht door contact tussen voorwerpen of deeltjes die in vaste, vloeibare, gasvormige aggregatietoestand verkeren, of door een krachtenveld. Deze krachtenvelden zijn in de klassieke natuurkunde van elektromagnetische of gravitationele aard.

Kracht heeft een grootte en een richting, en kan daardoor grafisch (visueel) worden voorgesteld als een vectorgrootheid.

WetenschapsgeschiedenisBewerken

De oorspronkelijke, inmiddels achterhaalde opvatting van het begrip 'kracht' was afkomstig van Aristoteles, en heeft tot ver in de renaissance doorgewerkt. 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 'werkende oorzaak' niet meer werkzaam is. Deze werkende oorzaak 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 werd uitgelegd.

Ook de nu achterhaalde impetus-theorie ontstond (in de middeleeuwen) uit de leer van Aristoteles. Deze theorie ging uit 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. Een beweging eindigt ook in deze theorie 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 dicht bij 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) Latijnse uitdrukking vis viva, 'levende kracht', aangeduid.

Van het Griekse woord voor kracht, δύναμις, dunamis, zijn de termen dyne (een cgs-eenheid), en dynamica afgeleid. De dynamica of krachtenleer is een deel van de (nog steeds geldende) klassieke mechanica, en houdt zich bezig met de beweging die ontstaat door de werking van een of meerdere krachten op een lichaam.

Wetten van NewtonBewerken

Eerste wetBewerken

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 wetBewerken

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

De tweede wet van Newton luidt in formulevorm:

 

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

 

met

  • m de massa van het lichaam
  •   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 wetBewerken

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).

KrachtwerkingBewerken

Een kracht wordt behalve door grootte en richting bepaald door de plaats waar deze op een lichaam inwerkt. Er wordt bijvoorbeeld verschil gemaakt tussen oppervlaktekrachten en volumekrachten. Een belasting is in de constructieleer een kracht of moment, die op een bepaald deel van een voorwerp of constructie inwerkt.

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. Vrijmaken is in de klassieke mechanica een manier om berekeningen mogelijk te maken door alle starre onderdelen van een geheel apart te nemen en daarna alle uitwendige krachten als vectoren voor te stellen.

NewtonBewerken

De SI-eenheid van kracht, de newton, is naar Sir Isaac Newton genoemd. 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 erin 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.


PondkrachtBewerken

Een niet-SI-eenheid van kracht is de pondkracht (pound-force), deze is een avoirdupois pound (exact 0.45359237 kg) maal de standaardvalversnelling (exact 9.80665 m/s²), dit is exact 4.4482216152605 N.

Verwarrende benamingenBewerken

Fundamentele krachtenBewerken

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.

StandaardmodelBewerken

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, dat voor de elektromagnetische kracht verantwoordelijk is.

De drie volgens het standaardmodel (en een eventuele vierde) bekende krachten zijn[6]:

  1. De elektromagnetische kracht met als ijkboson het foton
  2. De sterke kernkracht met als ijkbosonen de gluonen
  3. De zwakke kernkracht met als ijkbosonen de W- en Z-bosonen
  4. De zwaartekracht met als ijkboson het graviton[7]
Grootheden en eenheden in de (klassieke) mechanica
lineaire/translatie grootheden
Wat meten tijdsintegralen? 'nabijheid' ('nearness') 'verheid' ('farness')
Dimensie L−1 1 L L2
T9 presrop (Engels)
m−1·s9
absrop (Engels)
m·s9
T8 presock (Engels)
m−1·s8
absock (Engels)
m·s8
T7 presop (Engels)
m−1·s7
absop (Engels)
m·s7
T6 presackle (Engels)
m−1·s6
absrackle (Engels)
m·s6
T5 presounce (Engels)
m−1·s5
absounce (Engels)
m·s5
T4 preserk (Engels)
m−1·s4
abserk (Engels): D
m·s4
T3 preseleration (Engels)
m−1·s3
abseleration (Engels): C
m·s3
hoek/rotatie grootheden
T2 presity (Engels)
m−1·s2
absity (Engels): B
m·s2
Dimensie 1 geen (m·m−1) geen (m2·m−2)
T presement (Engels)
m−1·s
tijd: t
s
absition/absement (Engels): A
m·s
T tijd: t
s
1 placement (Engels)
golfgetal
m−1
afgelegde weg: d
plaatsvector: r, s, x
afstand:  s
m
oppervlakte: A
m2
1 hoek: θ
rad
ruimtehoek: Ω
rad2, sr
Wat meten tijdsafgeleiden? 'rasheid' ('swiftness')
T−1 frequentie: f
s−1, Hz
snelheid (scalar): v
snelheid (vector): v
m·s−1
kinematische viscositeitν
diffusiecoëfficiënt: D
specifiek impulsmomenth
m2·s−1
T−1 frequentie: f
s−1, Hz
hoeksnelheid: ω, ω
rad·s−1
T−2 versnelling: a
m·s−2
verbrandingswarmte
geabsorbeerde dosis: D
radioactieve-dosisequivalent
m2·s−2, J·kg−1, Gy, Sv
T−2 hoekversnelling: α
rad·s−2
T−3 ruk: j
m·s−3
T−3 hoekruk: ζ
rad·s−3
T−4 jounce/snap (Engels): s
m·s−4
T−5 crackle (Engels): c
m·s−5
T−6 pop (Engels): Po
m·s−6
T−7 lock (Engels)
m·s−7
T−8 drop (Engels)
m·s−8
M lineaire dichtheid:  
kg·m−1
massa: m
kg
ML2 massatraagheidsmomentI
kg·m2
Wat meten tijdsafgeleiden? 'sterkheid' ('forceness')
MT−1 dynamische viscositeit: η
kg·m−1·s−1, N·m−2·s, Pa·s
impuls: p (momentum),
stoot: J,  p (impulse)
kg·m·s−1, N·s
actie: 𝒮
actergie:
kg·m2·s−1, N·m·s, J·s
ML2T−1 impulsmoment (momentum angularis): L
kg·m2·s−1
actie: 𝒮
actergie:
kg·m2·s−1, N·m·s, J·s
MT−2 druk: p
mechanische spanning 
energiedichtheid: U
kg·m−1·s−2, N·m−2, J·m−3, Pa
oppervlaktespanning:   of  
kg·s−2, N·m−1, J·m−2
kracht: F
gewicht: Fg
·kg·m·s−2, N
energie: E
arbeid: W
warmte: Q
kg·m2·s−2, Nm, J
ML2T−2 krachtmoment (torque): M, τ
kg·m2·s−2, Nm
energie: E
arbeid: W
warmte: Q
kg·m2·s−2, Nm, J
MT−3 yank (Engels): Y
kg·m·s−3, N·s−1
vermogen: P
kg·m2·s−3W
ML2T−3 rotatum: P
kg·m2·s−3, N·m·s−1
vermogen: P
kg·m2 ·s−3W
MT−4 tug (Engels): T
kg·m·s−4, N·s−2
MT−5 snatch (Engels): S
kg·m·s−5, N·s−3
MT−6 shake (Engels): Sh
kg·m·s−6, N·s−4