Kraft
Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Kraft er enhver påvirkning på et legeme som kan deformere legemet eller forandre dets hastighet og retning.
Begrepet kraft brukes også i utenom-naturvitenskapelig språkbruk både i betydningen energi og effekt. Innenfor naturvitenskapen er det imidlertid vesentlig å skille mellom de tre begrepene. Kraft, energi og effekt er forskjellige fysiske størrelser.
SI-enheten for kraft er Newton som forkortes N og er definert som den kraft som skal til for å akselerere en masse på en kilogram en meter per sekund, per sekund, det vil si: endre et 1 kilograms legemes fart med +/- 1 m/s, i løpet av 1 s. Av dette fremgår at grunnenhetene for Newton er: N=kg*m/s², der kg=kilogram, m=meter og s=sekund.
En alternativ betegnelse som ofte benyttes i dagligtale er kilogram kraft som tilsvarer den kraft jordas gravitasjon forårsaker på en kilogram masse på jordoverflaten. En kilogram kraft tilsvarer 9,8 Newton.
Innhold |
[rediger] Inndeling av krefter
Forskjellig fysiske fenomener kan vise seg ved resulterende kraft. Eksempler på dette er ...
- treghetskrefter
- gravitasjon
- pseudokrefter, «sentripetalkrefter», «fiktive krefter»
- krefter mellom elektrisk ladede partikler
- magnetisme
- friksjon
- elastiske krefter, elastisk kraftstøt.
- trykkrefter, dss. spenningskrefter.
- «dragkrefter», plastiske krefter.
- kapillarkrefter, dss. hårrørskrefter
Listen er ikke uttømmende, og de forskjellige typer av krefter har i mange tilfeller sin årsak i samme fysiske fenomen, men kan hende i mikroskopisk målestokk. For eksempel kan kapillarkrefter, som har evne til å trekke en veskesøyle opp i et rør, også sees som krefter som har sin årsak i væskens overflatespenning. Videre kan kreftene i en trykktank betraktes i en målestokk som en gassens trykk mot tankveggen. Samtidig kan en i en finere målestokk betrakte samme kraftvirkning som den gjennomsnitlige treghetskraften av gassmolekylenes elastiske kraftstøt mot tankmaterialet.
[rediger] Egenskaper
Krefter kan, etter sin virkemåte, deles i kontaktkrefter og avstandsvirkende krefter. De kan også deles inn i proposjonale (dss. elastiske ) og konservative krefter.
Som eksempel på kontaktkrefter kan nevnes kraftsystemet i en spaserstokk der hånden trykker på håndtaket på stokken og bakken presser med en like stor kraft mot tuppen av spaserstokken. Stokken er i likevekt da den yter en tilsvarende, men motsatt rettet kraft mot hånden og bakken. Stokken er å betrakte som et stivt legeme som transporterer kraften fra den ene enden av kraftsystemet til den andre.
Som eksempel på avstandsvirkende krefter kan nevnes en kompassnål som stiller seg inn etter jordas magnetfelt. Kreftene som beveger kompassnålen til rett posisjon og kreftene virker uten noen form for kontakt.
Visse krefter er proposjonale. Eksempler på dette er fjærkrefter hvor motkraften fjæren yter er proposjonal med hvor mye fjæren er sammentrykket. Et annet eksempel kan være neddykkingen av en sylinder i vann hvor oppdriftskraften er proposjonal med hvor dypt sylinderen er dykket ned. Felles for disse to eksemplene er at kraftens størrelse er proposjonal med et lengdemål og kreftene kan da benevnes som elastiske. Et annet eksempel på proposjonale krefter er motkraften mot bevegelse i viskøse væsker. Sirup er eksempel på en viskøs væske. Dersom vi fører en rørepinne med konstant og moderat hastighet gjennom sirupen, vil motkraften være tilnærmet konstant og proposjonal med hastigheten på rørepinnen. En slik kraftvirkning kan sies å være plastisk. I en dynamisk analyse av kraftsystemer vil forskjellen mellom elastiske (dss lengdeproposjonale) og plastiske (dss. hastighetsproposjonale) krefter være vesentlig. Typisk vil plastiske krefter virke dempende på bevegelsen.
Andre krefter er (tilnærmet) uavhengige av lengdekoordinater og hastigheter og de sies da å være konservative. Ett eksempel er kraftvirkningen fra jordas gravitasjon på f.eks. et eple. Kraften som eplet trekkes mot jorden med er uavhengig av om eplet henger høyere eller lavere, og kraftvirkingen er også den samme om eplet er i bevegelse ved at det faller mot bakken.
[rediger] Fundamentale typer
Grunntypene av krefter regnes å være...
- sterke nukleære krefter
- elektriske krefter
- svake nukleære krefter
- gravitasjonskrefter
[rediger] Treghetskrefter, Newtons lover
Ifølge tvilsomme overleveringer skal Sir Isaac Newton (1642–1727) ha sittet under et tre og sett et eple falle mot jorden. Dette beveget han til å beskrive gravitasjonskrefter som krefter som virker mellom to legemer på grunn av legemenes masse. Sir Isaac Newton har i sitt hovedverk fra 1687 Philosiphiae Naturalis Principia Mathematica (ofte benevnt Principia), formulert sammenhengen mellom kraft og bevegelse i tre lover.
- Newtons første lov: Om summen av kreftene som virker på et legeme er null, har ikke legemet noen akselerasjon (hastighetsendring).
- Newtons andre lov: Om summen av krefter som virker på et legeme er forskjellig fra null, vil legemet akselereres proposjonalt med summen av kreftene som virker på legemet, og proposjonalt med legemets masse. Dette kan uttrykkes
- der F er den vektorielle summen av kreftene som virker på legemet, ofte kalt resultantkraft,
- og m er legemets masse, en skalar størrelse,
- og a er legemets resulterende akselereasjon.
- Newtons tredje lov: For hver aksjonskraft finnes det en like stor, men motsatt rettet reaksjonskraft.
Newtons første lov er egentlig et spesialtilfelle av Newtons andre lov for det tilfellet at summen av kreftene er null. Likevel er det tradisjon for å skille mellom disse to lovene fordi Newtons første lov beskriver en forutsetning for et legemes likevekt, likevektsbetingelsene, mens Newtons andre lov gir det matematiske grunnlaget for å beskrive et legemes dynamiske bevegelse, se dynamikk.
[rediger] Kraftens virkning
Kraftens virkning på et legeme er at det fører til en økt bevegelse den retningen som kraften virker, dvs. akselerasjon. For det tilfellet at kraftens akse ikke virker sentrisk gjennom massemiddelpunktet i legemet, vil legemet i tillegg til å akselereres i rommet også få en rotasjon, dss spinn. Rotasjonsaksen vil gå gjennom legemets massemiddelpunkt og retningen på spinnaksen vil være perpendikulært på både kraftens akse og kraftes akses korteste avstand til massemiddelpunktet. Se figur.
Dette leder til å betrakte akselerasjonen ikke bare som en økt hastighet i x-y-z rommet, men også som økt spinn. Akselerasjon fører til økt bevegelsesenergi, og økt rotasjonsenergi kan sees som en del av dette.
Boltzmanns superposisjonsprinsipp er at man kan flytte en krafts virkelinje perpendikulært på kraftaksen dersom man samtidig introduserer et moment som er proposjonal med kraften og kraftaksens avstand til massemiddelpunktet. Se figur.
[rediger] Kraft- og momentlikevekt
Kraft- og momentlikevekt er det tilfellet at summen av krefter som virker på legemet er null og summen av de momenter som virker på legemet er null. Statikk er læren om stive legemer i kraft- og momentlikevekt.
