Overzicht
Natuurkunde definieert geweld als een invloed die veranderingen in de beweging van een lichaam, het externe beweging of beweging in het lichaam, zoals het veranderen van de vorm. Bijvoorbeeld, wanneer een steen wordt vrijgegeven, valt hij naar beneden omdat hij wordt getrokken door de zwaartekracht van de aarde. Tijdens de inslag buigt het de grassprieten waarop het valt — de kracht van het gewicht van de steen doet ze bewegen en hun vorm veranderen.
kracht is een vector, wat betekent dat het een richting heeft. Wanneer meerdere krachten op een object inwerken en het in verschillende richtingen trekken, kunnen deze krachten in evenwicht zijn, wat betekent dat hun vectorsom nul is. In dit geval zou het object in rust zijn. De steen uit het eerdere voorbeeld kan rollen nadat hij de grond raakt, maar hij zal uiteindelijk stoppen. De zwaartekracht trekt hem nog steeds naar beneden, maar tegelijkertijd duwt de normale kracht, of grondreactie kracht, de steen omhoog. De netto som van deze krachten is nul, ze zijn in evenwicht en de steen beweegt niet.
de SI – krachteenheid is de newton. Een newton komt overeen met de netto kracht die een object versnelt met de massa van één kilogram bij één meter per seconde kwadraat.
evenwicht
een van de eerste wetenschappers die krachten onderzocht en een model van hun interactie met materie in het heelal creëerde, was Aristoteles. Volgens zijn model, als de netto Vector som van de krachten die op een object inwerken nul is, zijn de krachten in evenwicht en staat het object stil. Dit model werd later gecorrigeerd om objecten te omvatten die met een constante snelheid bewegen wanneer de krachten in evenwicht zijn. Dit type evenwicht wordt dynamisch evenwicht genoemd, terwijl degene met het object in rust statisch evenwicht wordt genoemd.
fundamentele krachten in het universum
krachten in de natuur zorgen ervoor dat objecten bewegen of op hun plaats blijven. Er zijn vier fundamentele krachten in de natuur: sterk, elektromagnetisch, zwak, en zwaartekracht. Alle andere krachten zijn deelverzamelingen van deze vier. In tegenstelling tot elektrische en gravitatiekrachten hebben sterke en zwakke krachten alleen invloed op materie op nucleair niveau. Ze werken niet over grote afstanden.
sterke kracht
sterke kracht is de sterkste van de vier krachten. Het werkt op de elementen van de kern van het atoom en houdt neutronen en protonen bij elkaar. Deze kracht wordt gedragen door gluonen en bindt quarks samen om grotere deeltjes te vormen. Quarks vormen neutronen, protonen en andere grotere deeltjes. Gluonen zijn kleinere elementaire deeltjes, die geen onderstructuur hebben en zich als krachtdragers tussen quarks bewegen. De beweging van gluonen creëert een sterke kracht tussen quarks. Dit is de kracht die materie in het universum maakt.
elektromagnetische kracht
elektromagnetische kracht is de op een na sterkste kracht. Het is een interactie tussen deeltjes met de tegenovergestelde of dezelfde elektrische lading. Als twee deeltjes dezelfde lading hebben, dat wil zeggen dat ze beide positief of beide negatief zijn, stoten ze elkaar af. Als ze aan de andere kant de tegengestelde lading hebben, waarbij de ene positief is en de andere negatief, worden ze tot elkaar aangetrokken. Deze beweging van deeltjes, die worden afgestoten of aangetrokken door andere deeltjes, is elektriciteit — een fysiek fenomeen dat we gebruiken in ons dagelijks leven en in de meeste van de technologie.
de elektromagnetische kracht kan verantwoordelijk zijn voor chemische reacties, licht en elektriciteit, evenals interacties tussen moleculen, atomen en elektronen. Deze interacties tussen deeltjes zijn verantwoordelijk voor de vormen die vaste objecten in de wereld aannemen. De elektromagnetische kracht voorkomt dat twee vaste objecten elkaar doordringen omdat de elektronen in een object de elektronen van dezelfde lading van het andere object afstoten. Historisch gezien werden elektrische en magnetische krachten behandeld als afzonderlijke invloeden, maar uiteindelijk werd ontdekt dat ze verwant zijn. De meeste objecten hebben een neutrale lading, maar het is mogelijk om de lading van een object te veranderen door twee objecten tegen elkaar te wrijven. De elektronen reizen tussen de twee materialen en worden aangetrokken door de tegenovergesteld geladen elektronen in het andere materiaal. Dit zal meer van dezelfde lading elektronen op het oppervlak van elk object, waardoor de dominante lading van het object in het algemeen veranderen. Bijvoorbeeld, als men wrijft haar met een trui, en dan tilt de trui weg, het haar zal opstaan en “volgen” de trui. Dit komt omdat elektronen op het oppervlak van het haar meer aangetrokken worden door de atomen op het oppervlak van de trui dan elektronen op het oppervlak van de trui aangetrokken worden door de atomen op het oppervlak van het haar. Haar of andere soortgelijke geladen objecten zullen ook worden aangetrokken tot de neutraal geladen oppervlakken ook.
zwakke kracht
zwakke kracht is zwakker dan de elektromagnetische kracht. Net zoals gluonen de sterke kracht dragen, dragen W-en Z-bosonen de zwakke kracht. Het zijn elementaire deeltjes die worden uitgestoten of geabsorbeerd. W bosonen vergemakkelijken het proces van radioactief verval, terwijl de Z bosonen geen invloed hebben op de deeltjes waarmee ze in contact komen, anders dan het overbrengen van momentum. Koolstofdatering, een proces om de leeftijd van organisch materiaal te bepalen, is mogelijk vanwege de zwakke kracht. Het wordt gebruikt om de leeftijd van historische artefacten vast te stellen en is gebaseerd op het evalueren van het verval van koolstof aanwezig in deze organische stof.
Gravitatiekracht
zwaartekracht is de zwakste van de vier. Het houdt de astronomische objecten op hun posities in het heelal, is verantwoordelijk voor getijden, en zorgt ervoor dat objecten op de grond vallen wanneer ze worden losgelaten. Het is de kracht die op objecten werkt en ze naar elkaar aantrekt. De kracht van deze aantrekking neemt toe met de massa van het object. Net als de andere krachten, wordt aangenomen dat het wordt gemedieerd door deeltjes, gravitonen, maar deze deeltjes zijn nog niet gedetecteerd. Zwaartekracht beïnvloedt hoe astronomische objecten bewegen, en de beweging kan worden berekend, gebaseerd op de massa van de omringende objecten. Deze afhankelijkheid stelde wetenschappers in staat om het bestaan van Neptunus te voorspellen door te kijken naar de beweging van Uranus voordat Neptunus in de telescoop werd gezien. Dit was omdat de beweging van Uranus niet in overeenstemming was met zijn voorspelde beweging, gebaseerd op de astronomische objecten die op dat moment bekend waren, daarom concludeerden wetenschappers dat een andere planeet, maar ongezien, zijn bewegingspatronen moet beïnvloeden.Volgens de relativiteitstheorie verandert de zwaartekracht ook het ruimtetijdcontinuüm, de vierdimensionale ruimte, waarin alles, inclusief mensen, bestaat. Volgens deze theorie neemt de kromming van de ruimtetijd toe met de massa, en daarom is het makkelijker om op te merken met objecten zo groot als planeten of groter in massa. Deze kromming werd experimenteel bewezen en kan worden gezien wanneer twee gesynchroniseerde klokken worden vergeleken, waar men stilstaat en men zich over een aanzienlijke afstand langs een lichaam met een grote massa beweegt. Bijvoorbeeld, als de klok rond de baan van de aarde wordt bewogen, zoals in Hafele–Keating experiment, dan is de tijd die het laat zien zal achter de stationaire klok, omdat de kromming van de ruimtetijd ervoor zorgt dat de tijd langzamer loopt voor de klok in beweging.
de zwaartekracht zorgt ervoor dat objecten versnellen wanneer ze naar een ander object vallen, en dit is merkbaar wanneer het verschil in Massa tussen de twee groot is. Deze versnelling kan worden berekend op basis van de massa van de objecten. Voor objecten die naar de aarde vallen, is het ongeveer 9,8 meter per seconde kwadraat.
getijden
getijden zijn voorbeelden van gravitatiekracht in werking. Ze worden veroorzaakt door de zwaartekracht van de Maan, De Zon en de aarde. In tegenstelling tot vaste voorwerpen kan water gemakkelijk van vorm veranderen wanneer er krachten op inwerken. Als de zwaartekracht van de Maan en de zon op de aarde inwerkt, wordt het aardoppervlak niet zo sterk door deze krachten getrokken als het water. De Maan en de zon bewegen langs de hemel, en het water op aarde volgt hen, waardoor getijden ontstaan. De krachten die inwerken op het water worden getijdekrachten genoemd; ze zijn een verscheidenheid aan gravitatiekrachten. De maan, die dichter bij de Aarde staat, heeft een sterkere getijdenkracht dan de zon. Wanneer de getijdekrachten van de zon en de Maan in dezelfde richting werken, is het getij het sterkst en wordt het springtij genoemd. Wanneer deze twee krachten in oppositie zijn, is het getij de zwakste en wordt een neaptij genoemd.
getijden komen met een verschillende frequentie voor, afhankelijk van het geografische gebied. Omdat de zwaartekracht van de Maan en de zon zowel het water als de hele planeet aarde trekt, komen in sommige gebieden getijden voor, zowel wanneer de zwaartekracht het water en de aarde in dezelfde of verschillende richtingen trekt. In dit geval gebeurt het hoog-en laagwaterpaar twee keer op één dag. In sommige gebieden gebeurt dit slechts één keer per dag. Getijdepatronen aan de kust hangen af van de vorm van de kust, de getijdepatronen in de diepe oceaan en de locatie van de Maan en de zon, evenals de interactie van hun gravitatiekrachten. Op sommige plaatsen kan de tijd tussen getijden tot enkele jaren duren. Afhankelijk van de kustlijn en de diepte van de oceaan kunnen getijden stromingen, stormen, veranderingen in windpatronen en schommelingen in luchtdruk veroorzaken. Sommige plaatsen gebruiken speciale klokken om te berekenen wanneer het volgende tij zal gebeuren. Ze worden geconfigureerd op basis van de getijdenvoorvallen in het gebied en moeten opnieuw worden geconfigureerd wanneer ze naar een andere locatie worden verplaatst. In sommige gebieden zijn getijdeklokken niet effectief omdat getijden daar niet gemakkelijk te voorspellen zijn.
de getijdekracht die water van en naar de kust beweegt, wordt soms gebruikt om energie op te wekken. Getijdenmolens gebruiken deze kracht al eeuwen. De basisconstructie heeft een waterreservoir, en het water wordt bij hoogwater binnengelaten en bij laagwater weer uitgelaten. De kinetische energie van het stromende water beweegt het wiel van de molen, en de opgewekte kracht wordt gebruikt om werk uit te voeren, bijvoorbeeld het Malen van granen in meel. Hoewel er een aantal problemen zijn met dit systeem, waaronder gevaren voor het ecosysteem waar deze molen wordt gebouwd, heeft deze methode voor het opwekken van energie potentieel, omdat het een hernieuwbare en betrouwbare bron van energie is.
niet-fundamentele krachten
de krachten die derivaten zijn van de fundamentele krachten worden niet-fundamentele krachten genoemd.
normale kracht
een van de niet-fundamentele krachten is de normale kracht, die loodrecht op het oppervlak van het object werkt en naar buiten duwt en weerstand biedt aan de druk van andere objecten. Wanneer een object op een oppervlak wordt geplaatst, is de grootte van de normale kracht gelijk aan de nettokracht die tegen het oppervlak drukt. Op een vlak oppervlak, wanneer andere krachten dan de zwaartekracht in evenwicht zijn, is de normale kracht gelijk aan de gravitatiekracht in grootte en tegenovergesteld in richting. De vector som van de twee krachten is dan nul en het object staat stil of beweegt met een constante snelheid. Wanneer het object op een helling staat en andere krachten in evenwicht zijn, wijst de som van de zwaartekracht en normale krachten naar beneden (maar niet direct naar beneden, loodrecht op de horizon), en het object glijdt naar beneden, langs de helling.
wrijving
wrijving is een kracht evenwijdig aan het oppervlak van een object en tegengesteld aan de beweging ervan. Het komt voor wanneer twee objecten tegen elkaar glijden (kinetische wrijving), of wanneer een stilstaand object op een hellend oppervlak wordt geplaatst (statische wrijving). Deze kracht wordt gebruikt bij het instellen van objecten in beweging, bijvoorbeeld wielen grip op de grond als gevolg van wrijving. Zonder dat, zouden ze niet in staat zijn geweest om voertuigen voort te stuwen. De wrijving tussen het rubber van de banden en de grond is sterk genoeg om ervoor te zorgen dat de banden niet glijden langs de grond en zorgt voor de rollende beweging en een betere controle van de richting van de beweging. De wrijving van een rolling object, rolwrijving of Rolweerstand, is niet zo sterk als de droge wrijving van twee objecten die tegen elkaar glijden. Wrijving wordt gebruikt bij het stoppen met het gebruik van pauzes — de wielen van een voertuig worden vertraagd door droge wrijving in de schijf of trommelremmen. In sommige gevallen is wrijving ongewenst omdat het de beweging vertraagt en mechanische onderdelen slijt. Vloeistoffen of gladde oppervlakken worden gebruikt om wrijving te minimaliseren.
interessante feiten over krachten
krachten kunnen vaste objecten vervormen of het volume en de druk in vloeistoffen en gassen veranderen. Dit gebeurt wanneer krachten ongelijk worden toegepast op verschillende delen van het object of de stof. In sommige gevallen, wanneer voldoende kracht wordt uitgeoefend op een zwaar voorwerp, kan het worden gecomprimeerd in een zeer kleine bol. Als deze bol klein genoeg is, kleiner dan een bepaalde straal, dan kan een zwart gat worden gevormd. Deze straal wordt de schwarzschildradius genoemd. Het varieert op basis van de massa van het object en kan worden berekend met behulp van een formule. Het volume van deze bol is zo klein, dat het in vergelijking met de massa van het object bijna nul is. Omdat de massa van zwarte gaten zo sterk gecondenseerd is, hebben ze een extreem hoge zwaartekracht, zodat andere objecten er niet aan kunnen ontsnappen, en licht ook niet. Zwarte gaten reflecteren geen licht, dus ze lijken helemaal zwart te zijn. Daarom worden ze zwarte gaten genoemd. Wetenschappers geloven dat grote sterren aan het einde van hun leven veranderen in zwarte gaten en kunnen groeien in massa door het absorberen van andere objecten die zich binnen een bepaalde straal.
