KRAFT – KLASSISK MEKANIK

Den klassiska mekaniken – kraft, rörelse och tryck – är något som människan funderat på sedan lång tid tillbaka. Hjulet och hävstången är två redskap som vi knappast kan tänka oss vara utan. 

Kraft

En kraft kan påverka ett föremål på olika sätt. Enheten för kraft är newton (N). En kraft på 1 N påverkar ett föremål med massan 1 kg så att det får hastigheten 1 meter per sekund på en sekund.

En kraft kan påverka ett föremål på olika sätt:

Två motriktade krafter kan ändra form på föremålet

En kraft kan ändra hastighet på föremålet.

En kraft kan ändra riktning på föremålet.

Massa

Massa är ett mått på hur mycket ett föremål påverkas av en kraft. Ett föremål med större massa innehåller mer material än ett med mindre massa. Enheten för massa är kilogram (kg). En liter rent vatten väger ett kg. En av egenskaperna hos massa är tröghet. Föremål strävar efter att bli kvar där de är eller att fortsätta röra sig med den hastighet de har.

För att slippa skriva många nollor använder an prefix istället. Det är viktigt att du lär dig använda de prefix som finns i tabellen här till höger.

Tyngd

Detta är inte samma sak som massa. Tyngd är den kraft med vilken jorden eller annan himlakropp påverkar föremålet. Ett föremål kan ha samma massa men olika tyngd beroende på hur stor gravitationskraften är. Som du ser i tabellen till höger är gravitationskonstanten på jorden 9,81. Man brukar avrunda detta till 10. Tyngden på jorden för en person som har massan 70 kg blir därför 700 N. På månen har samma person tyngden 113 N.

Enkla maskiner

För att underlätta vår vardag, använder vi oss några enkla maskiner. En del av dessa har funnits med oss under mycket lång tid så vi vet inte vem som var "uppfinnare" av till exempel hjulet.

Lutande plan

En tung last kan skjutas uppför ett lutande plan med mindre kraft än om man skulle lyfta upp det.

Hjul

Hjul gör det lättare att förflytta saker och kan omvandla en linjär rörelse till en roterande och tvärtom.

Kil

Formen gör att rörelseenergin från till exempel en yxa omvandlas till stora krafter åt sidorna som bryter vedträet.

Skruv

En skruv omvandlar en roterade rörelse till en linjär rörelse med större kraft.

Hävstång

En kraft på ena sidan av hävstången omvandlas till en motsatt kraft på den andra sidan om balanspunkten.

Block

Detta är ett rep som går runt ett eller flera hjul. Kraften ändrar rikting och med flera hjul (talja) kan man få kraften att minska.

 Räkneexempel

Exempel: Du har en vikt på 500 g på höger sida med 30 cm till balanspunkten (centrum) och en vikt på 1 kg på den andra sidan. Hur långt från balanspunkten måste 1 kg vikten placeras.

F1 = 500 g                                               Beteckningen F står för en kraft. I våra beräkningar här har vi förenklat detta till massa (kg).
L1 = 30 cm                                             För att det skall bli vetenskapligt korrekt, behöver vi omvandla massa till kraft. Detta gör vi genom
F2 = 1 kg = 1000g                                multiplicera massan med konstanten för gravitationen, alltså 9,81. Men resultatet blir det samma.

F1 x L1 = F2 x L2      ⇒      L2 = (F1 x L1)/F2      ⇒      L2 = (500 x 30)/1000 = 15 cm

Talja med ett block

Ett block ger att F1 och F2 är lika stora och då även att L1 och lika med L2

Talja med två block

Två block gör att F1 är hälften så stor som F2. L1 är dubbelt så lång som L2

Talja med tre block

Tre block gör att F1 är en tredjedel så stor som F2. L1 är tre gånger så lång som L2

Talja med fyra block

Fyra block gör att F1 är en fjärdedel så stor som F2. L1 är fyra gånger så lång som L2

Detta ger oss en tydlig regel för taljor: Det man vinner i kraft förlorar man i väg. 

Ett räkneexemepel
Du vill lyfta ett föremål som väger 60 kg en sträcka på 12 meter. Till din hjälp har du en talja med fyra block. Vilken kraft måst du använda för att lyfta föremålet och hur lång måste linan minst vara?

Med fyra block blir kraften en fjärdedel. Detta innebär att du måste ta i motsvarande 15 kg.

Med fyra block blir sträckan du drar fyra gånger så lång som höjden. Linan måste alltså vara minst 48 meter lång, plus den bit det tar för taljan och att du skall ha något att hålla i.

Samma resonemang gäller som ovan: Egentligen handlar detta om krafter, så alla massor skall göras om till krafter. Resultatet blir det samma.

Vi kan också räkna på hur stort fysikaliskt arbete (W) du uträttat. Fyskilaiskt arbete kan definieras som en vikt lyft till en viss höjd. Här måste vi dock använda begreppet kraft eftersom enheten är Newton per meter (Nm). Denna enhet har ett eget namn – Joule (J). I exemplet ovan för vi då:

F = 60 • 10 = 600 N                                               Observera att om du bär en vikt horisontellt uträttar du inget
s = 12 m                                                                   fysikaliskt arbete. Detta är bara om du flyttar vikten mot gravitationen.

W = 600 • 12 = 7200 Nm (J)
 

Fler viktiga begrepp

När vi diskuterar kraft är det viktigt att känna till några ytterligare begrepp. När ett föremål som inte kan röra sig påverkas av en kraft, kan formen förändras. Förändringen beror på hur kraften verkar och föremålets sammansättning

Typer av belastning

Hur formen på ett föremål förändras beror på vilka krafter som verkar på föremålet. Materialet påverkas av denna mekaniska spänning beroende på storlek, riktning och styrka. När ett föremål utsätts för mekanisk spänning kan det reagera på tre sätt: det kan gå sönder, det kan ändra form permanent, eller så kan det ändra form så länge det är utsatt för spänning och sedan återgå till sin ursprungliga form.

Tryck

Tryck definieras som kraft per ytenhet. Vi kan förstå detta genom ett enkelt exempel:

Om vi står rakt upp och ner kommer vår massa att ge ett tryck mot golvet. Ytan som massan trycker mot motsvarar våra fotsulor. Om vi istället lägger oss ner blir trycket mot golvet mindre – vår massa är fortfarande lika stor, men ytan mot golvet är betydligt större.

Tryck (p) = Kraft (N)/yta (A)

Exempel
Kalle väger 73 kg. Hans fot är 25 cm lång och 7 sm bred. Vad blir trycket mot golvet om han står upp?

F = 73 x10 = 730 N
A = 0,25 x 0,07 x 2 = 0,035 m2 (För att få fram ytan är det enklast att göra om måtten till meter direkt och vi har ju två fötter)

p = 730/0,035 = 20857 N/m2          Denna enhet har ett eget namn – Pascal (Pa)

Vätskor
Du har kanske funderat på varför en båt flyter eller varför du känner dig lättare när du badar. Detta beror på en fysikalisk lag som kallas för Archimedes princip:
 

Lyftkraften på ett föremål som är nedsänkt i en vätska blir lika stor som den undanträngda vätskans tyngd.


Exempel
Du väger 75 kg och din volym är 73 dm3. Flyter eller sjunker du när du badar?

Kraften från din massa är 75 x 10 = 750 N
Lyftkraften från det undanträngda vattnet är 73 x 10 = 730 N (en dm3 vatten väger 1 kg)

Eftersom kraften som får dig att sjunka är 20 N större än kraften som får dig att flyta kommer du att sjunka.

Gaser
Gaser skiljer sig från vätskor genom att de kan komprimeras – du kan alltså pumpa in mer gas i en fast behållare än behållarens volym. Detta används för olika typer av gasbehållare, till exempel för gasol, svetsgaser och för dykarnas gasflaskor.

Den fysikaliska lag som styr detta kallas Boyles lag:

p1 x V1 = p2 x V2

Exempel
Du blåser upp en ballong till 2 liters volym. Trycket inne i ballongen är 2,5 gånger större än det omgivande lufttrycket. Hur många liter luft blåste du in i ballongen?

p1 = 1 (det omgivande lufttrycket)
V1 =  det är detta vi skall ta reda på
p2 = 2,5 (trycket inne i ballongen)
V2 =  2 liter (ballongens volym)

V1 = p2 x V2/p1 = 2,5 x 2/1 = 5 liter