4.1 Kraftur
4.1 Kraftur
4.1 Kraftur
Lykilhugtök kafla
| aflfræði | ytri kraftur | kraftur |
| kraftamynd | ytri heildarkraftur | heildarkraftur |
Skilgreining á krafti og aflfræði
Kraftur er orsök hreyfingar og hreyfing fangar athygli okkar. Hreyfing getur sjálf verið falleg, til dæmis þegar höfrungur stekkur upp úr vatni, fugl flýgur eða gervihnöttur fer um braut sína. Rannsókn á hreyfingu kallast hreyfifræði, en hreyfifræði lýsir aðeins því hvernig hlutir hreyfast, það er hraða þeirra og hröðun. Aflfræði fjallar um kraftana sem hafa áhrif á hreyfingu hluta og kerfa. Hreyfilögmál Newtons eru grunnur aflfræðinnar. Þessi lögmál lýsa því hvernig hlutir auka hraða, hægja á sér, haldast á hreyfingu og hafa víxlverkun við aðra hluti. Þau eru einnig algild lögmál: þau gilda alls staðar á jörðinni og í geimnum.
Kraftur ýtir á hlut eða togar í hann. Hluturinn sem krafturinn hreyfir getur verið lífvana hlutur, til dæmis borð, eða lifandi vera, til dæmis manneskja. Ýtingin eða togið getur stafað frá manneskju eða jafnvel frá þyngdarafli jarðar. Kraftar hafa mismunandi stærðir og stefnur; sumir kraftar eru því sterkari en aðrir og geta verkað í mismunandi áttir. Fallbyssa beitir til dæmis miklum krafti á fallbyssukúlu sem skotið er upp í loftið. Moskítófluga sem lendir á handleggnum þínum beitir hins vegar aðeins litlum krafti á handlegginn.
Þegar margir kraftar verka á hlut leggjast þeir saman. Summa allra krafta sem verka á hlut gefur heildarkraftinn. Ytri kraftur er kraftur sem verkar utan frá á hlut innan kerfis. Slíkur kraftur er ólíkur innri krafti, sem verkar milli tveggja hluta sem báðir eru innan sama kerfis. Ytri heildarkraftur sameinar þessar tvær skilgreiningar: hann er summa allra ytri krafta sem verka á kerfið. Í næstu köflum fjöllum við nánar um heildarkraft, ytri kraft og ytri heildarkraft.
Líkt og færslur, hraðar og hröðun eru kraftar vigrar með stærð og stefnu. Hægt er að tákna kraft sem summu tveggja vigra sem eru hornréttir hvor á annan. Þetta eru einvíðir þættir kraftsins og þá má tákna með formerktri skalarstærð. Þegar þetta er gert þarf að velja hnitakerfi og ákveða hvaða stefna eftir hverjum ás telst jákvæð. Þetta val verður að vera það sama fyrir alla vigra í dæminu, svo sem krafta og hröðun.
Algengt er að velja láréttan og lóðréttan ás sem tvær meginstefnur þegar dæmi er sett upp í lóðréttu plani. Venjan er að láta stefnur til hægri og upp vera jákvæðar. Stundum fjallar dæmi um hallandi flöt og þá getur verið þægilegra að velja ása samsíða fletinum og hornrétt á hann. Í slíku tilviki er venjan að jákvæða stefnan á hvorum ás vísi upp á við eftir því sem við á.
Þannig merkir láréttur kraftur sem er −3 N að ýtt sé með 3 N krafti til vinstri.
Óþekkt gildi eru talin vera í jákvæða stefnu. Ef útreikningur á lóðréttum krafti gefur til dæmis +5,2 N, þá veistu að krafturinn verkar upp á við. Neikvæð niðurstaða merkir að krafturinn verkar niður á við.
Kraftamyndir og dæmi um krafta
Sem fyrsta dæmi um kraft skulum við skoða hlut sem hangir í reipi. Þetta dæmi gefur okkur tækifæri til að kynna gagnlegt verkfæri sem kallast kraftamynd. Kraftamynd sýnir hlutinn sem kraftar verka á, það er hinn frjálsa hlut, sem einn punkt. Aðeins kraftarnir sem verka á hlutinn, það er ytri kraftar, eru sýndir og þeir eru táknaðir með vigrum sem teiknaðir eru sem örvar. Þessir kraftar eru einu kraftarnir sem eru sýndir, því aðeins ytri kraftar sem verka á hlutinn hafa áhrif á hreyfingu hans. Við getum hunsað innri krafta innan hlutarins vegna þess að þeir vega hver annan upp, eins og útskýrt er í kaflanum um þriðja lögmál Newtons. Kraftamyndir eru mjög gagnlegar þegar greina á krafta sem verka á hlut.
Mynd 4.2 sýnir togkraftinn í reipinu verka upp á við, gagnstætt þyngdarkraftinum. Kraftarnir eru sýndir á kraftamyndinni með ör sem vísar upp og táknar togkraftinn og annarri ör sem vísar niður og táknar þyngdina. Á kraftamynd sýna lengdir örvanna hlutfallslega stærð eða styrk kraftanna. Þar sem kraftar eru vigrar leggjast þeir saman eins og aðrir vigrar. Takið eftir að örvarnar tvær eru jafnlangar á mynd 4.2, sem þýðir að togkrafturinn og þyngdin eru jafn stór. Þar sem þessir jafn stóru kraftar verka í gagnstæðar áttir eru þeir í fullkomnu jafnvægi og leggjast saman í heildarkraft sem er núll.
Ekki eru allir kraftar jafn greinilegir og þegar þú ýtir á hlut eða togar í hann. Sumir kraftar verka án beinnar snertingar, til dæmis tog seguls þegar um segulkraft er að ræða eða þyngdarafl jarðar þegar um þyngdarkraft er að ræða.
Í næstu þremur köflum um hreyfilögmál Newtons lærum við um þrjár tilteknar tegundir krafta: núning, þverkraft og þyngdarkraft. Til að greina aðstæður þar sem kraftar koma við sögu búum við til kraftamyndir sem skipuleggja stærðfræðilega framsetningu hverrar aðstöðu.
Athugaðu skilning þinn
Spurning 1.
Hvað er hreyfifræði?
Spurning 2.
Þurfa tveir hlutir að vera í beinni snertingu til að beita krafti hvor á annan?
Spurning 3.
Hvers konar eðlisfræðileg stærð er kraftur?
Spurning 4.
Hvaða krafta má sýna á kraftamynd?