Kraft, tyngdkraft och jämvikt

Kraft och dess enhet

• Kraft mäts i Newton (N).
• En dynamometer, som består av en fjäder och ett rör, används för att mäta kraft.

Tyngdkraft

• Tyngdkraften är alltid riktad nedåt.
• En massa på 100 gram har en tyngd på ungefär 1 N.
• En massa på 1 kg har en tyngd på ungefär 10 N.
• En massa på 10 kg har en tyngd på ungefär 100 N.
• En massa på 0,65 kg har en tyngd på ungefär 6,5 N.
• Om en dynamometer visar 8 N för ett upphängt föremål, har föremålet en vikt på ungefär 800 gram.
• Gravitationen är den kraft som drar oss nedåt på jorden.
• Gravitation påverkas av föremålens massor och avståndet mellan dem.
• Massa är mängden materia i ett föremål, medan tyngd är jordens dragningskraft på föremålet.
• En person med tyngden 800 N påverkar jorden med samma kraft. Men uppåt.
• Gravitationskraften mellan två föremål med massan 1 kg på 1 meters avstånd är 0,0009 N.

Krafter och jämvikt

• Om en planka är i jämvikt och en kraft på 70 N appliceras på ena sidan, måste det finnas en lika stor motkraft på andra sidan.
• En kraft på 70 N åt vänster balanseras av en kraft på 70 N åt höger.
• Om två krafter, 9,5 N och 2,5 N, verkar i motsatta riktningar, blir resultanten 7 N i riktningen av den större kraften.
• En kraft definieras av sin storlek, riktning och angreppspunkt.
• Vågrätt och horisontell är samma sak, liksom lodrätt och vertikal.
• Tyngdpunkten är punkten mitt i stödytan på ett föremål.
• Regelbunden jämvikt innebär att ett föremål är stabilt.
• Ett föremål med lägre tyngdpunkt är stabilare eftersom det inte lika lätt hamnar utanför tyngdpunkten.

Hävstänger

• En enarmad hävstång har vridningspunkten nära föremålet och påverkas mindre av motkraften från hävarmen.

Definitioner

• Kraft: En vektor med storlek och riktning som kan orsaka acceleration, mäts i Newton.
• Tyngdkraft: Gravitationskraften som drar föremål mot varandra.
• Massa: En skalär storhet som anger mängden materia.
• Tyngd: Kraften med vilken ett föremål dras mot jorden, beräknad som massa gånger gravitationsacceleration.
• Motkraft: En reaktionskraft som är lika stor och motsatt riktad mot den applicerade kraften.
• Dynamometer: Ett instrument för att mäta kraft med hjälp av en fjäder.
• Kraftpil: En grafisk representation av en kraft med längd som anger storlek och riktning som visar kraftens riktning.
• Friktionskraft: Den kraft som motverkar rörelse mellan två ytor i kontakt.
• Tröghetslagen: Ett föremål förblir i vila eller rör sig med konstant hastighet om ingen obalanserad kraft verkar på det.
• Resultant: Den sammanlagda kraften.

Newtons lagar

• Newtons 1:a lag: Ett föremål i vila eller med konstant hastighet förblir så om ingen annan kraft påverkar det.
• Newtons 2:a lag: Accelerationen beror på objektets kraft och massa.
• Newtons 3:e lag: Varje aktion har en lika stor och motsatt reaktion.

Krafter och rörelse

• En kraft kan ändra rörelsen eller formen på ett föremål.
• En kraft kan ändra en rörelse genom att påverka riktningen.
• För att lyfta en kompis som väger 45 kg krävs en kraft på minst 451 N.
• Resultanten är den sammanlagda kraften som påverkar ett föremåls rörelse eller jämvikt.
• Tröghetslagen innebär att ett föremål vill behålla sin rörelse (fart och riktning) tills den störs.
• Om två flaskor står på ett bord påverkas de av gravitationen till jorden, gravitationen mellan flaskorna, friktionen och en motverkande kraft uppåt.

Tyngdacceleration

• En rymdfärja kan väga ungefär 36 ton.
• Detta motsvarar ungefär 5,4 MN (5 400 000 N).
• Tyngdaccelerationen varierar beroende på platsen på jorden, från 9,73 m/s² vid ekvatorn till 9,83 m/s² vid polerna, och är cirka 9,82 m/s² i Sverige.
• Ett fritt fallande föremål har hastigheten 10 m/s efter 1 sekund, 50 m/s efter 5 sekunder och 100 m/s efter 10 sekunder.
• Den optimala kastvinkeln för att maximera kastlängden är 45 grader.
• Vid ett fallskärmshopp accelererar personen först olikformigt tills maxhastighet uppnås, sedan likformigt. När fallskärmen fälls ut sker en olikformig retarderad rörelse.
• Utan jordens dragningskraft skulle ett kastat spjut fortsätta i samma hastighet och riktning tills det stoppas av något.

Centralrörelse och centrifugalkraft

• Exempel på centralrörelse/centrifugalkraft är en bil i en snabb kurva eller kläder i en torktumlare.
• Centripetalkraften drar föremålet inåt i en cirkelrörelse, medan centrifugalkraften trycker föremålet utåt.

Arbete och energi

• Arbete uträttas när kraft och rörelse sker i samma riktning.
• Att gå upp för en trappa eller lyfta en väska är exempel på arbete.
• Att lyfta en låda på 15 kg 3 meter kräver ungefär 45 Nm arbete.
• Att bära lådan 50 meter på plan yta utför inget arbete, eftersom lägesenergin inte förändras.
• En person på 50 kg på Eiffeltornets topp har en lägesenergi på ungefär 150 000 Nm.
• En effekt på ungefär 50W.

Hävstänger och jämvikt

• En gungbräda med en pappa som väger 90 kg och en son som väger 20 kg kräver att pappan sitter 4,5 gånger närmare vridningspunkten än sonen för att balansera.

Rörelse

• Likformig rörelse innebär konstant hastighet, varken acceleration eller retardation, medan olikformig rörelse innebär förändring i hastighet.
• Accelererad rörelse innebär ökande hastighet, retarderad rörelse innebär minskande hastighet.
• Fart beskriver hur snabbt något rör sig, medan hastighet anger både fart och riktning.
• Sträckan är lika med hastigheten gånger tiden (s = v*t).
• Medelhastighet beräknas på samma sätt som likformig rörelse.

Krafter och massa

• En kraft påverkar ett föremåls rörelse eller form.
• Exempel på krafter är gravitation och motkraft.
• Massa (kg) är mängden materia, medan tyngd (N) är kraften på grund av gravitationen.
• Tyngden varierar beroende på platsen, t.ex. är den lägre på månen.
• Motkraft är den kraft som verkar tillbaka på ett objekt, t.ex. friktion.

Tyngdpunkt och stödytan

• Tyngdpunkten är där ett föremåls massa är jämnt fördelad.
• Stödytan är området på marken som ett föremåls vikt fördelas över.
• Om tyngdpunktens lodlinje hamnar utanför stödytan, välter föremålet.

Tillämpningar av krafter

• Tända en tändsticka (friktion skapar värmeenergi) eller slitna däck på en bil (minskad friktion ger sämre grepp).

Kraftens beståndsdelar

• Storlek, riktning och angreppspunkt.

Resultantkraft

• Resultanten är den totala kraften när flera krafter verkar på ett objekt.
• Vid vinkel mellan krafter används parallellogram för att bestämma resultantens riktning och storlek.

Fritt fall och gravitation

• Fritt fall innebär att ett föremål faller utan andra krafter än tyngdkraften, accelererande.
• Tyngdaccelerationen är ungefär 9,82 m/s² i Sverige (ofta förenklat till 10 m/s²).

Kaströrelse och centralrörelse

• Kaströrelse: Perfekt kastvinkel är 45 grader.
• Centralrörelse: Rörelse runt en punkt, påverkad av centripetal- och centrifugalkrafter.

Arbete

• Arbete (Joule) = Kraft (Newton) x Sträcka (meter).
• Kraft (Newton) = Massa (kg) x Acceleration (m/s²).

Hävstångsprincipen

• Hävstången förstärker en kraft.
• Det finns enarmade och tvåarmade hävstänger.
• Principer bygger på att göra ett arbete lättare.