Een kracht is een duw of een trek die op een voorwerp inwerkt. Je kunt een kracht niet zien, maar je kunt haar gevolgen waarnemen: een voorwerp vervormt, versnelt, vertraagt of verandert van richting. Krachten zijn overal: de zwaartekracht trekt alles naar de aarde, spierkracht beweegt je lichaam, een magneet trekt ijzer aan.

Soorten krachten

Er zijn veel verschillende soorten krachten. De meest voorkomende in het dagelijks leven zijn:

Zwaartekracht (F_z) — De aantrekkingskracht die de Aarde uitoefent op elk voorwerp met massa. De zwaartekracht werkt altijd neerwaarts, recht naar het middelpunt van de Aarde. Hoe groter de massa van een voorwerp, hoe groter de zwaartekracht. Op Aarde geldt: F_z ≈ 10 N per kilogram massa. Een persoon van 60 kg ervaart dus een zwaartekracht van ongeveer 600 N.

Normaalkracht (F_N) — De kracht die een oppervlak uitoefent op een voorwerp dat erop rust, loodrecht (= rechthoekig) op dat oppervlak. Een boek dat op een tafel ligt, wordt omlaag getrokken door de zwaartekracht, maar de tafel oefent een even grote kracht omhoog uit: de normaalkracht. Zonder normaalkracht zou het boek door de tafel zakken.

Wrijvingskracht (F_w) — De kracht die beweging tegengaat of de neiging tot beweging vermindert tussen twee oppervlakken die met elkaar in contact zijn. Wrijving zorgt ervoor dat je kunt lopen zonder uit te glijden, maar ook dat een rijdend voorwerp vertraagt als er geen aandrijving is. Ruw oppervlak → grote wrijving; glad oppervlak → kleine wrijving.

Veerkracht (F_v) — De kracht die een uitgerekte of samengedrukte veer uitoefent. Een veer die je uitrekt, trekt terug; een veer die je samendrukt, duwt terug. Hoe meer je een veer vervormt, hoe groter de veerkracht (Hookesche wet).

Actief uitgeoefende krachten — Trekkracht, duwkracht, spierkracht, motorkracht: krachten die wij of machines actief uitoefenen. Je duwt een kar, een motor trekt een trein voort, een spier buigt een gewricht.

Luchtweerstand — Een bijzondere vorm van wrijving: de wrijving van een voorwerp met de lucht. Hoe sneller een voorwerp beweegt, hoe groter de luchtweerstand. Hoe groter het oppervlak dat de lucht raakt (frontaal oppervlak), hoe groter de weerstand. Daarom rijden wielrenners gebogen voorover en hebben sprintraces gestroomlijnde pakken.

Een kracht is meer dan alleen een getal. Om een kracht volledig te beschrijven heb je vier kenmerken nodig. Dat maakt een kracht een vectoriële grootheid.

De vier kenmerken van een kracht

1. Aangrijpingspunt — De plek op het voorwerp waar de kracht inwerkt. Je duwt een doos aan de linkerkant of de rechterkant: het effect is anders, ook al is de kracht even groot.

2. Werkingslijn — De rechte lijn die de richting van de kracht aangeeft, verlengd naar beide kanten. De werkingslijn loopt door het aangrijpingspunt en heeft de richting van de kracht.

3. Richting en zin — Naar welke kant de kracht wijst langs de werkingslijn. Twee krachten kunnen dezelfde werkingslijn hebben maar tegengestelde zin: “naar rechts” of “naar links”. We stellen een kracht voor als een pijl: de punt wijst in de zin van de kracht.

4. Grootte — Hoe sterk de kracht is, uitgedrukt in Newton (N). Groter getal = sterkere kracht. De lengte van de pijl in een diagram stelt de grootte voor.

Wanneer een kracht op een voorwerp inwerkt, kan er twee dingen gebeuren: het voorwerp vervormt, of zijn bewegingstoestand verandert. Soms gebeuren beide tegelijk. We noemen dit de statische en de dynamische uitwerking van een kracht.

Statische uitwerking: vervorming

Bij een statische uitwerking verandert de vorm van het voorwerp, maar zijn bewegingstoestand niet. De kracht drukt, trekt, buigt of draait het materiaal.

We onderscheiden twee soorten vervorming:

Elastische vervorming — Het voorwerp neemt na het wegnemen van de kracht zijn oorspronkelijke vorm terug aan. Het “veert terug”. Voorbeelden: een veer uitrekken en loslaten, een rubber band uitrekken, een trampolinedoek dat omlaag buigt en terugspringt, een sportschoen die de schok opvangt bij elke stap.

Plastische (blijvende) vervorming — Het voorwerp behoudt zijn nieuwe vorm nadat de kracht is weggenomen. Voorbeelden: klei pletten en een bol vormen, een auto-onderdeel in een pers stampen, een dent in een auto, een spijker inslaan die krom wordt.

Of een materiaal elastisch of plastisch vervormt, hangt af van de grootte van de kracht en de eigenschappen van het materiaal. Staal is elastisch bij kleine krachten, maar plastisch bij heel grote krachten. Klei is al bij kleine krachten plastisch.

Dynamische uitwerking: verandering van bewegingstoestand

Bij een dynamische uitwerking verandert de bewegingstoestand van het voorwerp: het begint te bewegen, stopt, versnelt, vertraagt of verandert van richting.

Er zijn drie soorten dynamische uitwerkingen:

Versnelling — De snelheid neemt toe. Een kracht in de richting van de beweging versnelt het voorwerp. Voorbeelden: gas geven in een auto, een bal trappen, een pijl afschudden van een boog.

Vertraging — De snelheid neemt af. Een kracht tegengesteld aan de bewegingsrichting vertraagt het voorwerp. Voorbeelden: remmen van een fiets, een fietser die bergop rijdt met tegenwind, luchtweerstand op een vallend voorwerp.

Richtingsverandering — De grootte van de snelheid blijft hetzelfde, maar de richting verandert. Dit vereist een kracht loodrecht op de bewegingsrichting. Voorbeeld: een auto die een bocht neemt (de banden grijpen in de weg), een planeet in een cirkelbaan rond de zon.

In werkelijkheid werken er op de meeste voorwerpen tegelijk meerdere krachten. Een fietser wordt vooruitgetrokken door zijn spierkracht, maar wordt tegengehouden door luchtweerstand en wrijving. We willen weten wat het nettoresultaat is van al die krachten samen: dat is de resulterende kracht (F_res).

Krachten samenvoegen langs dezelfde lijn

Krachten in dezelfde richting en zin: optellen. F_res = F₁ + F₂. De resulterende kracht heeft dezelfde zin als beide krachten.

Krachten in tegengestelde richting: aftrekken. F_res = F_groot − F_klein. De resulterende kracht heeft de zin van de grootste kracht.

Krachtenevenwicht: als de krachten in tegengestelde richting even groot zijn, is F_res = 0 N. Het voorwerp verandert zijn bewegingstoestand niet.

Snelheid geeft aan hoe snel een voorwerp beweegt: hoeveel afstand het aflegt per tijdseenheid. Een fiets rijdt 15 km per uur; een sprinter loopt 10 meter per seconde. Om snelheid te berekenen hebben we twee grootheden nodig: de afgelegde weg (Δx) en de tijdsduur (Δt).

Constante snelheid

Een voorwerp beweegt met constante snelheid als het in gelijke tijdsintervallen steeds even grote stukken weg aflegt. Op een positie-tijdgrafiek ziet dat eruit als een rechte lijn (zie sectie 7). Een auto op de snelweg met cruisecontrol op 120 km/h, een trein op een rechte spoorlijn — dat zijn voorbeelden van (benadering van) constante snelheid.

Constante snelheid vereist krachtenevenwicht: de motorkracht compenseert exact de wrijving en luchtweerstand. F_res = 0 N.

In de wetenschap werk je met de SI-eenheden (Internationaal Stelsel). Voor snelheid is de basisenheid meter per seconde (m/s). In het dagelijks leven gebruiken we ook kilometer per uur (km/h). Het is essentieel om vlot tussen die twee te kunnen omzetten.

Waarom is 1 km/h gelijk aan 1/3,6 m/s?

1 km/h betekent: 1 kilometer per uur. We zetten beide eenheden om naar de basisgrootheden:

• 1 km = 1000 m
• 1 uur = 3600 seconden

Afstand omzetten

• 1 km = 1000 m  (vermenigvuldig met 1000 om km → m; deel door 1000 om m → km)
• 1 m = 100 cm  (vermenigvuldig met 100 om m → cm; deel door 100 om cm → m)

Tijd omzetten

• 1 uur (h) = 60 minuten (min) = 3600 seconden (s)
• 1 minuut (min) = 60 seconden (s)

Een positie-tijdgrafiek (ook wel x-t-grafiek of plaatsgrafiek genannt) toont hoe de positie van een voorwerp verandert in de tijd. De y-as (verticaal) geeft de positie in meter, de x-as (horizontaal) geeft de tijd in seconden.

Door de grafiek te lezen kun je veel afleiden over de beweging: staat het voorwerp stil? Beweegt het snel of traag? Keert het terug?

Wat zegt de helling?

De helling (ook: rico, rico, of steilheid) van de lijn in een x-t-grafiek geeft de snelheid:

• Steile helling omhoog = grote snelheid voorwaarts
• Flauwe helling omhoog = kleine snelheid voorwaarts
• Horizontale lijn = het voorwerp staat stil (Δx = 0, maar de tijd verstrijkt)
• Negatieve helling = het voorwerp beweegt terug (positie neemt af)
• Rechte lijn = constante snelheid (even steil over het hele segment)

De snelheid bereken je uit de grafiek met:

Snelheid berekenen vanuit een grafiek

De meeste krachten die je kent, ontstaan door contact: je duwt een deur, een touw trekt aan een slee, een schoenzool wrijft over de grond. Maar sommige krachten werken zonder dat er iets de andere raakt. Dat noemen we een kracht op afstand.

Drie krachten op afstand

• Zwaartekracht: de aarde trekt aan alles met massa, ook al raakt ze die voorwerpen niet aan. Een appel valt naar beneden, de maan blijft rond de aarde draaien — allemaal door de zwaartekracht over een afstand. Elke massa (zoals de aarde) oefent zwaartekracht uit.
• Magnetische kracht: een magneet trekt ijzeren voorwerpen aan of duwt een andere magneet weg, zonder ze te raken. Twee gelijke polen stoten elkaar af, twee ongelijke polen trekken elkaar aan. Een kompasnaald draait door de magnetische kracht van de aarde zelf.
• Elektrische kracht: wrijf een ballon over je haar en houd hem boven kleine snippertjes papier: ze springen omhoog naar de ballon. De ballon is elektrisch geladen geworden en oefent een kracht op afstand uit op de snippers.

Krachten en veiligheid

In sectie 3 leerde je dat een kracht de bewegingstoestand van een voorwerp kan veranderen: versnellen, vertragen of van richting veranderen. Bij een botsing of een val verandert je snelheid heel plóts — en dat betekent een heel grote kracht op je lichaam. Slimme uitvindingen zorgen ervoor dat die snelheidsverandering langzamer en gespreid verloopt, waardoor de kracht op je lichaam veel kleiner wordt:

De gemeenschappelijke truc: hoe langer een snelheidsverandering duurt, hoe kleiner de kracht. Daarom “geven” al deze beschermingsmiddelen een beetje mee in plaats van keihard te blokkeren.

De hefboom: een kleine kracht groot maken

Krachten kun je ook slim versterken met gereedschap. Een hefboom is een stevige staaf die om een vast punt (het steunpunt) draait. Door ver van het steunpunt te duwen, lever je met een kleine kracht een grote uitwerking. Een kruiwagen, een schaar, een notenkraker en een koevoet zijn allemaal hefbomen. Daarom kun je met een lange koevoet een zware steen optillen die je met je blote handen nooit zou kunnen verzetten.