Beweging is een belangrijk onderwerp in de mechanica.
Er zijn verschillende wetten die beweging en de oorzaken van veranderingen in beweging verklaren. De meest bekende van deze bewegingswetten werden voorgesteld door Sir Issac Newton. Hij stelde de drie bewegingswetten samen in Mathematical Principles of Natural Philosophy (gepubliceerd in 1687).
Laten we, voordat we de bewegingswetten van Newton gaan bespreken, eens kijken naar bepaalde basistermen en concepten die worden gebruikt om beweging te beschrijven.
Kracht is een duw of een trekkracht die op een object inwerkt om het te verplaatsen of zijn beweging te veranderen.
Snelheid wordt ook wel snelheid genoemd. De snelheid van een voorwerp wordt beïnvloed door krachten.
Versnelling is een maat voor hoeveel snelheid van een object verandert in een bepaalde tijd (één seconde).
Massa is de hoeveelheid van iets dat aanwezig is en wordt gemeten in gram of kilogram.
Momentum is de totale hoeveelheid beweging die in een lichaam aanwezig is.
Newtons eerste bewegingswet
Een lichaam blijft in zijn rusttoestand of in eenparige beweging langs een rechte lijn tenzij er een externe kracht op wordt uitgeoefend. Of we nu op de fietspedalen duwen om de heuvel op te gaan, op de grond duwen om naar het park te lopen of aan een vastzittende la trekken om hem open te maken, de kracht die we uitoefenen zorgt ervoor dat dingen bewegen. De eerste wet van Newton vertelt ons dat wanneer de nettokracht nul is, de snelheid van het object constant moet blijven. Als het object stilstaat, blijft het stilstaan. Als het aanvankelijk beweegt, blijft het met een constante snelheid in een rechte lijn bewegen.
De eerste wet van Newton definieert traagheid en wordt terecht de traagheidswet genoemd . Om ketchup van de bodem van een ketchupfles te verwijderen, wordt deze vaak ondersteboven gekeerd en met hoge snelheid naar beneden geduwd en vervolgens abrupt gestopt.
Enkele toepassingen van de eerste bewegingswet van Newton zijn als volgt:
- Om een rijdende bus veilig te kunnen halen, moeten we vooruit rennen in de richting van de beweging van de bus.
- Wanneer het nodig is om van een rijdende bus te springen, moeten we altijd een korte afstand rennen nadat we op de weg zijn gesprongen om te voorkomen dat we in voorwaartse richting vallen.
- Bloed stroomt van je hoofd naar je voeten terwijl het snel stopt wanneer je in een dalende lift rijdt.
- De kop van een hamer kan op het houten handvat worden vastgedraaid door met de onderkant van het handvat tegen een harde ondergrond te slaan.
- Hoofdsteunen worden in auto's geplaatst om whiplash-letsel bij kop-staartbotsingen te voorkomen.
- Tijdens het rijden op een skateboard (of wagen of fiets), vlieg je naar voren van het bord af wanneer je een stoeprand of rots of een ander object raakt dat de beweging van het skateboard abrupt stopt.
De tweede bewegingswet van Newton
Volgens de tweede bewegingswet van Newton is de snelheid van verandering van momentum recht evenredig met de uitgeoefende kracht en deze verandering vindt altijd plaats in de richting van de uitgeoefende kracht. De netto kracht die op een voorwerp inwerkt is gelijk aan het product van de massa van het voorwerp en zijn versnelling.
Netto kracht = massa * versnelling of F = ma
Hoe meer massa het object heeft, hoe meer netto kracht er moet worden gebruikt om het te verplaatsen.
Enkele toepassingen van de tweede bewegingswet van Newton zijn als volgt:
- Als je dezelfde kracht gebruikt om een vrachtwagen te duwen en een auto te duwen, zal de auto meer acceleratie hebben dan de vrachtwagen, omdat de vrachtwagen minder massa heeft.
- Het is gemakkelijker om een lege winkelwagen te duwen dan een volle, omdat de volle winkelwagen meer massa heeft dan de lege. Dit betekent dat er meer kracht nodig is om de volle winkelwagen te duwen.
- Een cricketspeler laat zijn handen zakken terwijl hij de bal vangt. Als een speler zijn handen niet laat zakken terwijl hij de bal vangt, is de tijd om de bal te stoppen erg klein. Er moet dus een grote kracht worden uitgeoefend om de snelheid van de bal tot nul te verminderen of om het momentum van de bal te veranderen. Wanneer een speler zijn handen laat zakken, neemt de tijd die nodig is om de bal te stoppen, toe en daarom hoeft er minder kracht te worden uitgeoefend om dezelfde verandering in het momentum van de bal te veroorzaken. Daarom zijn de handen van de speler niet gewond.
- Een karatespeler breekt de stapels tegels of stenen met een enkele slag. Als een karatespeler met zijn handen op de stapels tegels slaat, doet hij dat zo snel mogelijk. Met andere woorden, de tijd die nodig is om de stapels tegels te slaan is erg klein. Aangezien het momentum van de hand van een karatespeler tot nul afneemt wanneer zijn handen de stapels tegels raken in een heel erg klein tijdsinterval, wordt er daarom een heel grote kracht uitgeoefend op de stapel tegels. Deze kracht is voldoende om de stapel tegels te breken.
Newtons derde bewegingswet
De derde bewegingswet stelt dat er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is die met hetzelfde momentum en de tegenovergestelde snelheid werkt. De verklaring betekent dat er bij elke interactie een paar krachten is die op de twee op elkaar inwerkende objecten inwerken. De grootte van de krachten op het eerste object is gelijk aan de grootte van de kracht op het tweede object. De richting van de kracht op het eerste object is tegengesteld aan de richting van de kracht op het tweede object. Krachten komen altijd in paren voor - gelijke en tegengestelde actie-reactiekrachtparen.
Enkele toepassingen van de derde bewegingswet van Newton zijn als volgt:
- Wanneer lucht uit een ballon stroomt, is de tegenovergestelde reactie dat de ballon omhoog vliegt.
- Als je van een duikplank duikt, duw je op de springplank. Het board veert terug en dwingt je de lucht in.
- Bedenk hoe vissen door het water zwemmen. Een vis gebruikt zijn vinnen om water naar achteren te duwen. Het water duwt de vis ook naar voren, waardoor de vis door het water wordt voortgestuwd. De grootte van de kracht op het water is gelijk aan de grootte van de kracht op de vis; de richting van de kracht op het water (achteruit) is tegengesteld aan de richting van de kracht op de vis (vooruit). Voor elke actie is er een gelijke (in grootte) en tegengestelde (in richting) reactiekracht. Actie-reactiekrachtparen maken het voor vissen mogelijk om te zwemmen.
- Denk aan de vliegende beweging van vogels. Een vogel vliegt met behulp van zijn vleugels. De vleugels van een vogel duwen lucht naar beneden. Omdat krachten het gevolg zijn van onderlinge interacties, moet de lucht de vogel ook omhoog duwen. De grootte van de kracht op de lucht is gelijk aan de grootte van de kracht op de vogel; de richting van de kracht op de lucht (naar beneden) is tegengesteld aan de richting van de kracht op de vogel (naar boven). Deze actie-reactiekrachtparen maken het voor vogels mogelijk om te vliegen.
