Kracht, beweging, gewicht en druk

Waarom dit ertoe doet

"Ik weeg 40 kilo" is perfect gewoon Nederlands, maar natuurkundig fout. De minimumdoelen vragen dat leerlingen op het einde van de lagere school het onderscheid tussen gewicht en massa kennen, gewicht als kracht en massa als maat voor de hoeveelheid materie begrijpen, en weten dat krachten de bewegingstoestand veranderen 1. In de tweede graad komen de begrippen kracht, massa, plaats, beweging, snelheid, weerstand, versnellen, vertragen en richting aan bod 1. Dit is een domein vol hardnekkige misvattingen; als leerkracht moet je ze herkennen.

Wat is een kracht?

Een kracht is een duw of een trek die een voorwerp van vorm of van beweging kan doen veranderen. Je ziet een kracht nooit zelf; je ziet haar effecten:

1. De bewegingstoestand verandert: een voorwerp in rust komt in beweging, een bewegend voorwerp versnelt, vertraagt of verandert van richting.
2. De vorm verandert: een veer rekt uit, een spons wordt ingedrukt, klei wordt plat.

De eerste wet van Newton zegt: een voorwerp in rust blijft in rust, en een bewegend voorwerp blijft met constante snelheid in een rechte lijn bewegen, tenzij er een (onevenwichtige) kracht op werkt 2. Die neiging om de bewegingstoestand te behouden heet traagheid 2.

De tweede wet zegt dat de versnelling van een voorwerp afhangt van de massa van het voorwerp en de grootte van de kracht 2. In woorden, zoals de tweede graad het vraagt 1:

• zelfde massa, grotere kracht: de beweging verandert sterker (een harde trap geeft de bal meer snelheid dan een zachte);
• zelfde kracht, grotere massa: de beweging verandert minder sterk (dezelfde duw zet een lege kar sneller in beweging dan een volgeladen kar).

De eenheid van kracht: de newton

Kracht wordt uitgedrukt in newton (N), de SI-eenheid van kracht 3. In basiseenheden is 1 N = 1 kg·m/s² 4: de kracht die een massa van 1 kg een versnelling van 1 m/s² geeft 3. Je meet kracht met een krachtmeter (veerunster): een veer die verder uitrekt naarmate de kracht groter is.

Massa en gewicht

• Massa is een eigenschap van materie die de hoeveelheid van een stof aanduidt; de eenheid is de kilogram 5.
• Gewicht is de kracht die een voorwerp, als gevolg van de zwaartekracht, op zijn ondersteuning of ophanging uitoefent 6. Massa mag niet verward worden met gewicht 5.

Op aarde ondervindt een massa van 1 kg (in België, op zeeniveau) een zwaartekracht van ongeveer 9,81 N; in het dagelijks leven rondt men dat soms af op 10 N 3. Een rugzak van 5 kg heeft op aarde dus een gewicht van ongeveer 49 N (afgerond 50 N).

De zwaartekracht is de aantrekkingskracht van de aarde, die ervoor zorgt dat voorwerpen naar beneden vallen in plaats van te blijven zweven 7. Omdat de maan veel kleiner is dan de aarde, is de zwaartekracht er kleiner: op de maan weegt alles ongeveer zes keer zo weinig als op aarde 8. De massa van een astronaut is op de maan precies dezelfde als op aarde; zijn gewicht is ongeveer zes keer kleiner.

Wrijving

Wrijving is de tegenwerkende kracht die optreedt tussen twee oppervlakken en die beweging tegengaat 9. Hoe harder de oppervlakken tegen elkaar gedrukt worden, hoe groter de wrijving 9. Ruwe oppervlakken geven meer wrijving dan gladde.

• Nuttige wrijving: remmen van een fiets, het profiel van schoenen en banden, zand strooien op een ijzige weg, een lucifer aanstrijken.
• Hinderlijke wrijving: slijtage van onderdelen, warmteverlies in machines, een zware kast die je moeilijk verschuift.
• Wrijving verminderen: een smeermiddel tussen de oppervlakken (olie op een fietsketting) 9, wieltjes of kogellagers, gladde oppervlakken.

Weerstand in lucht en water

Een voorwerp dat door lucht of water beweegt, ondervindt stromingsweerstand: een kracht die tegen de bewegingsrichting in werkt 10. In lucht heet dat luchtweerstand. De weerstand is groter naarmate:

• de snelheid groter is;
• het oppervlak loodrecht op de beweging groter is (een open parachute versus een gesloten);
• de vorm minder gestroomlijnd is;
• de dichtheid van de stof waardoor je beweegt groter is 10.

Omdat water veel dichter is dan lucht, is de weerstand in water veel groter dan in lucht: lopen in een zwembad is veel zwaarder dan lopen op de kant. Dit is precies het voorbeeld dat de minimumdoelen geven bij het begrip weerstand 1. Vissen, boten, raceauto's en wielrenners hebben een gestroomlijnde vorm om de weerstand te verkleinen.

Druk

Druk is de kracht per oppervlakte-eenheid. De SI-eenheid is de pascal (Pa) 11: 1 Pa is de druk die een kracht van 1 newton uitoefent op 1 vierkante meter 12.

$p = \frac{F}{A}$

Dezelfde kracht geeft dus een grotere druk op een kleinere oppervlakte en een kleinere druk op een grotere oppervlakte.

• Een scherp mes snijdt beter: de kracht werkt op een heel kleine oppervlakte, dus de druk is groot.
• Sneeuwschoenen of brede banden van een tractor spreiden het gewicht over een grote oppervlakte: kleine druk, je zakt minder weg.
• Een punaise heeft een brede kop (kleine druk op je duim) en een scherpe punt (grote druk op de muur).

Ook lucht oefent druk uit: een luchtkolom heeft een gewicht en veroorzaakt daardoor een druk op het aardoppervlak 13. De luchtdruk wordt in de weerkunde uitgedrukt in hectopascal (zie de les over weer).

Samengevat

• Een kracht kan de bewegingstoestand (versnellen, vertragen, van richting veranderen) of de vorm van een voorwerp veranderen.
• Grotere kracht bij dezelfde massa: grotere verandering van beweging. Grotere massa bij dezelfde kracht: kleinere verandering.
• Kracht meet je in newton (N) met een krachtmeter.
• Massa (kg) is de hoeveelheid materie en is overal gelijk; gewicht (N) is een kracht door de zwaartekracht en hangt af van waar je bent. Op aarde: 1 kg heeft een gewicht van ongeveer 9,81 N (afgerond 10 N).
• Wrijving werkt tegen de beweging in tussen oppervlakken; smeren vermindert ze.
• Weerstand in water is veel groter dan in lucht; stroomlijnen vermindert de weerstand.
• Druk is kracht per oppervlakte: $p = \frac{F}{A}$, in pascal (1 Pa = 1 N/m²).