Inleiding

Isaac Newton was een van de grondleggers van de natuurkunde. In de 17e eeuw formuleerde hij 3 natuurwetten die een belangrijk deel van de basis vormen voor de klassieke mechanica. Dit zijn de drie wetten van Newton:

1. Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt, is in rust of beweegt zich met constante snelheid voort in een rechte lijn
2. De verandering van snelheid is recht evenredig met de resulterende kracht en volgt de rechte lijn waarin deze kracht werkt
3. Elke actie(kracht) heeft een even grote, maar tegengesteld gerichte reactiekracht

Eerste Wet: Traagheidswet

Een resulterende kracht (ook: resultante) is de nettokracht die op een voorwerp werkt. Deze wordt bepaald door alle krachten die op een voorwerp werken, zoals wrijving, zwaartekracht, duw- of trekkracht bij elkaar op te tellen. Als er geen krachten zijn, of deze elkaar volledig opheffen (zoals bijvoorbeeld de druk door het gewicht van een liggend voorwerp en de reactiekracht van de ondergrond op dat liggend voorwerp), kan er geen snelheidsverandering optreden.

Kortom, mits er géén resulterende kracht werkt:

• Een voorwerp dat in rust is, zal in rust blijven.
• Een voorwerp dat in beweging is, zal die beweging onveranderd voortzetten.

Tweede Wet: Kracht en Versnelling

In veel gevallen zal de massa van een voorwerp constant zijn. Dit is niet altijd het geval, bijvoorbeeld bij een voertuig met een verbrandingsmotor. Daar wordt de massa van het voertuig minder naarmate er brandstof wordt verbruikt.

Bij een constante massa m is de versnelling a van een voorwerp evenredig met de grootte van de nettokracht F op het voorwerp en omgekeerd evenredig met de massa m van het voorwerp. Dit wil dus zeggen dat als de kracht twee keer zo groot is, de versnelling ook twee keer zo groot zal zijn. Kijkend naar de massa kun je ook zeggen als het voorwerp A twee keer zo zwaar is als voorwerp B, de versnelling van voorwerp A bij dezelfde kracht ook twee keer zo klein zal zijn als die van voorwerp B. Of andersom: als voorwerp A twee keer zo zwaar is als voorwerp B, is de benodigde kracht voor dezelfde versneling voor voorwerp A ook twee keer zo groot als voor voorwerp B.

In formulevorm is de tweede wet van Newton $$F = m⋅a$$

Hierbij stelt F (Force) de grootte van de kracht voor, gemeten in N (newton). 1 newton is de kracht die nodig is om een massa van 1 kilogram een versnelling van 1 m/s² te geven. De massa m rekenen we zoals gezegd in kg (kilogram). De versnelling a (acceleratie) omschrijven we als m/s². Waarom? Versnelling is een verandering in snelheid over de tijd. Je kijkt dus hoeveel de snelheid (meter per seconde) per seconde verandert. In formules: $${\m/\s}/\s ⇒ \m/{\s⋅\s} ⇒ \m/{\s^2}$$ Dus meter per seconde per seconde ofwel meter per seconde-kwadraat.

Een veelgebruikte waarde voor de versnelling a is de gravitatieconstante g, ofwel de valversnelling. De valversnelling hangt af van waar je je op aarde bevindt. In Nederland geldt een valversnelling van 9,8m/s². In de praktijk ronden we dit vaak af naar 10. Als je dit invult voor g en een massa van 1kg neemt zie je:

$$F = 1\kg⋅10\m/{\s^2}$$

$$F = 10\N$$

Gemakshalve rekenen we een massa van 1kg dus als een gewicht van 10N. Of andersom: een gewicht van 1N komt overeen met een massa van 0,1kg ofwel 100g.

Kort samengevat houdt de 2e wet van Newton in, als er een resulterende kracht werkt:

• Een voorwerp in rust zal in beweging komen.
• Een voorwerp dat in beweging is zal versnellen, vertragen, of van richting veranderen

Derde Wet: Actie en Reactie

Als een voorwerp A een kracht op een voorwerp B uitoefent, oefent B tevens een kracht uit op voorwerp A. Deze krachten zijn even groot, maar tegengesteld gericht. Krachten komen dus nooit alleen voor, maar altijd in paren. Wat voorbeelden:

• Een voorwerp dat op een ondergrond ligt, zal een gewicht uitoefenen op die ondergrond. Dit is een kracht omlaag. Diezelfde ondergrond duwt even sterk terug tegen het voorwerp. Dit is een kracht omhoog. Doordat de krachten even groot zijn, maar tegengesteld, zakt het voorwerp niet steeds verder weg in de ondergrond, maar stijgt ook niet op.
• Een voorwerp dat aan een touw hangt, zal zijn gewicht op het touw uitoefenen. Het touw trekt met dezelfde kracht aan het voorwerp. Hierdoor blijft het hangen.

Let op: de krachten in een krachtenpaar werken altijd op verschillende voorwerpen. Het gewicht van het voorwerp werkt op het touw, de trekkracht van het touw werkt op het voorwerp. De krachten in een krachtenpaar heffen elkaar dus niet op. Dat zou alleen gebeuren als de krachten op hetzelfde voorwerp zouden werken. De krachten in een krachtenpaar kunnen er wel voor zorgen dat de krachten geen zichtbaar resultaat hebben.

Nu zul je je misschien afvragen: Wat nu als een voorwerp aan het vallen is? Dan werkt toch de zwaartekracht naar beneden op het voorwerp, maar waar is dan de reactiekracht? Dat zit als volgt: zwaartekracht ofwel gravitatie is het verschijnsel dat twee massa's elkaar aantrekken. De massa van het voorwerp wordt aangetrokken door de massa van de aarde. Andersom is het ook zo dat de massa van de aarde aangetrokken wordt door de massa van het voorwerp. Een massa van 1 kilogram wordt door de aarde aangetrokken met een kracht van 10N (en ondervindt dus de valversnelling van 10m/s²). Maar de aarde wordt ook door het voorwerp aangetrokken met een kracht van 10N. De massa van de aarde is echter gigantisch groot — ongeveer ${5,9 × 10^24}\kg$ (bijna 6 kwadriljoen kilogram) — en daardoor wordt de versnelling die de aarde ondervindt onder invloed van die 10N verwaarloosbaar. Voor de grap kunnen we het even doorrekenen door in te vullen in $F = m⋅a$ :

$$10\N = {5,9 × 10^24}\kg ⋅ a$$

$$a = {10\N}/{{5,9 × 10^24}\kg}$$

$$a = {1,69 × 10^{-24}} \m/{\s^2}$$

De aarde versnelt dus richting het voorwerp met 0,00000000000000000000000169m/s². Onmeetbaar klein!

Ook bij een liggend voorwerp zijn er eigenlijk 4 krachten (2 krachtenparen) die spelen. Het eerste krachtenpaar is de aantrekkingskracht van de aarde op het voorwerp (zwaartekracht) en de aantrekkingskracht van het voorwerp op de aarde. Het tweede krachtenpaar is de druk die het voorwerp uitoefent op de ondergrond (gewicht) en de druk die de ondergrond terug op het voorwerp uitoefent.

Gewicht en Massa

In het dagelijks taalgebruik worden massa en gewicht vaak door elkaar gebruikt. We zeggen dat een voorwerp 1kg weegt. In de natuurkunde is dat niet juist. Massa geeft aan hoeveel er van een bepaalde stof is. Die verandert niet naar de omstandigheden van het voorwerp. Een ijzeren bol van 1kg op aarde is nog steeds 1kg op de maan. De massa is niet minder geworden door de verplaatsing van de aarde naar de maan. Gewicht is de kracht die de massa uitoefent op de ondergrond onder invloed van de zwaartekracht op de massa. Het gewicht van de bol is 10N op aarde. Op de maan, met een valversnelling van 1,6m/s², is het gewicht van die bol dus maar 1,6N. Het gewicht is dus wel minder geworden!