Kraft

Inledning – Kraft

Fysik 1 fortätter nu kring ämnet kraft, som vi kommer att stöta på även i våra två senare kapitlen (dvs. kapitel 8: Krafter åt alla håll samt kapitel 9: Kraft och Rörelse). Men bry dig inte om dessa kapitel nu – de är mer avancerade, och därför börjar vi här i detta kapitel med att klargöra grunderna inom just kraft. Du kommer i resterande kapitel av Fysik 1 att kunna utöka din kunskap kring andra delar, som kommer göra det enklare för dig att sedan ta dig an kapitel 8 och 9.

Just ordet “kraft” har du säkert hört hur många gånger som helst. Men vad är krafter egentligen? Krafter är ett begrepp som används i många sammanhang. För att demonstrera vad en kraft är kan du prova att lyfta din penna. Jämför hur jobbigt detta är med att lyfta en femkilosvikt. Det är ju jobbigare att lyfta femkilosvikten för att den har en större tyngd.

Alla föremål på jorden har en massa och en tyngd (vi ska senare se skillnaden mellan dessa begrepp). Kraften som verkar på alla föremål kallas för tyngdkraften och ju större tyngdkraften är för ett föremål, desto större blir tyngden. Ett tyngre föremål blir jobbigare att lyfta.

Vi kommer senare att se att tyngdkraften på ett föremål är proportionell mot föremålets massa. Detta innebär att ju större massa (vikt) ett föremål har, desto tyngre kommer det att vara.

För att lyfta ett föremål med massa krävs en kraft. För att få ett föremål med massa att börja röra på sig krävs också en kraft.

Ordet kraft har du säkert hört hur många gånger som helst. Men vad är krafter egentligen?

Krafter är ett begrepp som används i många sammanhang. För att demonstrera vad en kraft är kan du prova att lyfta din penna. Jämför hur jobbigt detta är med att lyfta en femkilosvikt. Det är ju jobbigare att lyfta femkilosvikten för att den har en större tyngd.

Alla föremål på jorden har en massa och en tyngd (vi ska senare se skillnaden mellan dessa begrepp). Kraften som verkar på alla föremål kallas för tyngdkraften och ju större tyngdkraften är för ett föremål, desto större blir tyngden. Ett tyngre föremål blir jobbigare att lyfta.

Vi kommer senare att se att tyngdkraften på ett föremål är proportionell mot föremålets massa. Detta innebär att ju större massa (vikt) ett föremål har, desto tyngre kommer det att vara.

För att lyfta ett föremål med massa krävs en kraft. För att få ett föremål med massa att börja röra på sig krävs också en kraft.

Några andra exempel på krafter är:

• Muskelkraft
• Normalkraft
• Friktionskraft
• Elektrisk kraft
• Magnetisk kraft

Kraft mäts i enheten Newton och storleken på kraften mäts med en dynamometer.

Kraft är en vektorstorhet vilket betyder att den både har storlek och riktning.

---

Några krafter

Normalkraft

En kraft kan, som vi sade tidigare, bland annat få ett föremål att röra sig eller lyftas. Dessa krafter ska vi titta närmare på nu.

På bilden ovan har vi en tyngd som ligger stilla på ett bord. Den påverkas som alltid av tyngdkraften. Den måste dock påverkas av en annan kraft också, som tar ut tyngdkraften. Annars skulle ju tyngden inte ligga stilla på bordet utan falla mot marken.

Den kraft som motverkar tyngdkraften kallas för normalkraften. Bordet kommer nämligen att påverka tyngden med en normalkraft som är precis lika stor, men motsatt riktad, som tyngdkraften.

Normalkraften och tyngdkraften tar ut varandra och tyngden ligger stilla på bordet.

Normalkraften brukar betecknas F_N.

Friktionskraft

På bilden ovan är en exakt likadan tyngd som i förra exemplet. Den påverkas alltså även nu av en normalkraft och en tyngdkraft som tar ut varandra. Nu börjar dock Olle att putta på tyngden. Det gå ganska trögt, vilket man kan tycka är rätt konstigt. Tyngdkraften och normalkraften tar ju ut varandra, så det måste alltså finns någon annan kraft som bromsar upp Olles ”puttkraft”. Denna kraft kallas för friktionskraften och den beror av vilket underlag tyngden står på. Om tyngden står på ett skrovligt underlag så kommer den att fastna i en massa små skrovligheter när Olle försöker putta den i sidled. Det blir då jobbigare att putta tyngden.

Ett annat exempel med friktionskraft är om Olle en vinterdag tar ut sin tyngd på isen. Då kommer han att märka att det går mycket lättare att putta tyngden i sidled. Detta beror inte på att Olle har blivit starkare, utan främst på att isen har mycket färre skrovligheter som bromsar upp ”puttrörelsen”.

Tips!

När du ska rita upp kraftpilar (vektorer) i en figur så bör du tänka på tre saker:

1. Längd, en längre pil motsvarar en större kraft.
2. Riktning, en kraft är alltid riktad åt något håll.
3. Angreppspunkt, kraften verkar alltid på en viss del av föremålet och därför bör pilen börja i denna punkt. Observera att vi i figurerna har ritat tyngdkraft från mitten av föremålet, då tyngdpunkten ligger där medan normalkraften har ritats långt ner då bordet påverkar tyngdens nedre del.

---

Massa, tyngd och densitet

Nu ska vi reda ut skillnaden mellan begreppen massa och tyngd, samt prata lite om ett annat begrepp, nämligen densitet.

Massa

Egentligen vet vi (inte bara vi som skriver detta utan forskarvärlden!) inte vad massa är. Dock så är det lätt att mäta massa och räkna på massa. Lite luddigt kan man säga att massa är en inre egenskap som finns hos alla föremål, och att denna egenskap är helt oberoende av läget. Det senare innebär att ett föremåls massa är precis lika stor på jorden som på Mars eller någon annanstans i universum.

Massan medför dock två egenskaper som vi redan har pratat om:

1. Tyngd, föremålet blir svårt att lyfta.
2. Tröghet, föremålet blir svårt att flytta.

Tyngd

Tyngd är ett fenomen som uppstår på grund av tyngdkraften. Eftersom tyngdkraften är olika på olika planeter(du hoppar högre på månen än på jorden) så kommer även tyngden hos ett föremål att variera på olika planeter.

Ovanstående är alltså en skillnad från massa. En tiokilosvikt kommer att väga tio kilo på månen såsom på jorden men den kommer inte vara lika tung att lyfta på månen då månens tyngdkraft är mycket svagare än jordens.

Densitet

Densitet är ett annat mycket vanligt begrepp inom fysiken. Densitet betyder egentligen täthet och det är en materialkonstant.

Densiteten kan beräknas på följande vis:

Enheten blir därför kg/m³.

Ju större massa som får plats av ett ämne på en viss volym desto högre densitet har ämnet. Exempelvis kan man tänka sig en klump bly. Även en liten klump bly är ganska tung att lyfta. Om man istället lyfter en lika stor bit bomull så är denna bra mycket enklare att lyfta. Detta beror på att bly har en mycket högre densitet än bomull.

Massan påverkar tyngden

I inledningen påstod vi att massan är proportionell mot tyngden. Vi sade att ju större massa ett föremål har, desto större kommer föremålets tyngd att bli.

Det finns en formel som beskriver detta:

I denna formel står (F) för kraften, (m) står för massa och (g) är en konstant som gäller för föremål på jorden.

g=9,82 N/kg

Exempel

Flitiga Lisa bär på sina skolböcker. Böckerna väger 11kg(hon har mycket böcker!). Hur stor tyngd har böckerna?

Lösning

m = 11kg

g = 9,82N/kg

Svar: Tyngden är ungefär 110N. Notera att vi väljer att använda två värdesiffror. Detta är för att vi bara fick två värdesiffror i vikten.

---

Mer om friktionskraft

Nu när vi lärt oss lite mer om krafter känns det rätt att lära sig lite mer om friktionskraften. Vi har tidigare beskrivit hur friktionskraften gör att det blir svårt att putta ett föremål på träbordet men mycket lättare på is. Vi kan alltså konstatera att friktionskraften ändras beroende på vilka ytor som rör sig mot varandra.

Men det är dock inte enbart ytornas egenskaper som påverkar friktionskraften. Ett tyngre föremål blir ju också svårare att putta i sidled än ett lättare.

Friktionskraften kan beskrivas med följande formel:

F_fr står för friktionskraften.

står för friktionskoefficienten, som är beroende av underlaget. Sandpapper får en högre friktionskoefficient än is.

F_N står som tidigare sagt för normalkraften på föremålet när det ligger stilla.

Fullt utbildad friktion

Nu gör vi ett experiment där vi tar en tyngd som står på ett bord och fäster en dynamometer till den. Sedan drar vi i dynamometern åt sidan med allt större kraft. Tyngden kommer till en början inte att röra på sig, trots att kraften i sidled ökar. Detta beror på att friktionskraften också kommer att bli större och större. När vi drar med en viss kraft kan dock inte friktionskraften bli större. Vi har uppnått fullt utbildad friktion. Då kommer tyngden att börjar röra på sig.

Vi måste alltså påverka tyngden med en större kraft än den fullt utbildade friktionen för att få den att börja röra sig.

Här kommer en till intressant tanke om friktion. Har du märkt att det svåraste med att släpa någonting är att få det att börja röra sig. När föremålet väl har börjat röra sig så är det lättare att få det att fortsätta röra sig. Detta tyder på att glidfriktionen är mindre än den fullt utbildade friktionen.

Glidfriktion är alltså den friktion som finns mellan ett föremål i rörelse och ytan som föremålet rör sig på.

Nytt experiment!

Vi sätter tyngden på en bricka med hjul på. Nu märker vi att det är mycket lättare att rulla tyngden än att släpa den. Alltså kan även konstateras att rullfriktionen är mindre än glidfriktionen.

---

Resulterande krafter

Vi har tidigare antytt att krafter som är riktade mot varandra tar ut varandra. Nu ska vi titta lite närmare på hur krafter kan samverka eller motverka varandra.

Enkelt kan sägas att två krafter som verkar i samma riktning kommer att kunna adderas, och förstärker alltså varandra medan två krafter som verkar i motsatt riktning kommer att motverka varandra, vilket gör att man kan subtrahera dessa krafter. När man adderar eller subtraherar olika krafter så får man en resulterande kraft.

Jämvikt

På bilden ser vi fyra personer som har en dragkamp.

Två av personerna drar bägge i repet med en kraft åt höger. Den ena drar med kraften 150 N och den andra med kraften 200 N. Dessa två krafter samverkar och kan adderas till en resulterande kraft åt höger på 350 N.

På andra sidan av repet står två personer och drar repet åt vänster. Deras krafter ger också en resulterande kraft på 350 N.

De två ovanstående krafterna kommer att motverka varandra och till och med ta ut varandra då krafterna är lika stora fast motsatt riktade. Detta innebär att den lilla flaggan på repet inte kommer att röra sig.

Detta fenomen kallas för jämvikt och det uppstår när alla krafter på ett föremål tar ut varandra så att den resulterande kraften blir 0.

Inte jämvikt!

Nu kommer vår gode vän Olle. Han ställer sig på det vänstra laget och börjar dra med en kraft på 75 N(han är fortfarande lite trött efter att ha släpat tyngder i tidigare exempel!). Detta gör att hela repet flyttar sig och det vänstra laget vinner dragkampen. Anledningen till detta är att alla krafter inte längre tar ut varandra. Nu kommer det högra laget att dra med den sammanlagda kraften 350 N medan det vänstra laget drar med den sammanlagda kraften 425 N och vi får en resulterande kraft åt vänster på 75 N som flyttar repet(och det högra laget) åt vänster.

Newtons 3:e lag

Nu säger vi att stackars Olle får för sig att han ska springa med huvudet rakt in i en vägg. Vad som händer då är att han får ont. Detta sker för att när huvudet dunkar in i väggen med en kraft så kommer väggen att påverka huvudet med en lika stor men motriktad motkraft.

När Olle sedan faller till marken(knockad) så kan man ju tänka sig att jorden påverkar Olle med en kraft(tyngdkraften) som drar honom mot marken. Men sanningen är att Olle påverkar jorden med en lika stor men motriktad kraft när han faller. Anledningen till att jorden inte rör på sig är att den är så mycket större än Olle att den är svårare att flytta på. Detta fenomen kallas för övrigt för tröghet.

Ovanstående två exempel förklaras med Newtons tredje lag som mer specifikt säger detta:

”Till varje kraft hör en lika stor, men motriktad, motkraft.”

Newtons tredje lag ger följande konsekvenser:

1. Krafter uppträder parvis
2. Kraft och motkraft verkar på olika föremål(när olle faller påverkar Olle jorden med en kraft och jorden påverkar Olle med en kraft).
3. Kraft och motkraft är av samma typ.

Ett par exempel

1. Bok på bänk
   1. Krafterna på boken är normalkraften från bordet och dragningskraften från jorden.
   1. Motkrafterna blir då normalkraften från boken på bordet samt dragningskraften från boken på jorden.
2. Springande Olle
   1. Krafterna på Olle är friktionskraften på golvet från Olles skosulor, jordens dragningskraft på Olle och normalkraften från golvet på Olle.
   1. Motkrafterna är friktionskraften från Olles skosulor på golvet, dragningskraften på jorden från Olle och normalkraften från Olle på golvet.