Objecten weerstaan verandering

Newton's eerste wet

Een object in rust blijft in rust, en een object in beweging blijft met dezelfde snelheid en in dezelfde richting bewegen — tenzij een ongebalanceerde kracht op inwerkt.

Deze eigenschap heet traagheid. Alles in het universum weerstaat verandering van zijn beweging.

Een boek dat op een tafel ligt, zal daar voor altijd liggen tenzij iets het duwt. Een ijshockeypuck die op wrijvingsloos ijs glijdt, zou voor altijd in een rechte lijn glijden tenzij iets het stopt.

Dit was revolutionair. Vóór Newton gingen mensen ervan uit dat objecten van nature vertragen. Newton realiseerde zich dat vertragen niet natuurlijk is — het gebeurt alleen door krachten zoals wrijving en luchtweerstand.

Traagheid in het dagelijks leven

Je ervaart traagheid elke dag

Veiligheidsriemen bestaan vanwege traagheid. Wanneer een auto plotseling stopt, stop jij niet met de auto — je lichaam gaat verder met de oorspronkelijke snelheid van de auto. De veiligheidsgordel is de ongebalanceerde kracht die je stopt.

De tafelkleedtruc werkt vanwege traagheid. De borden zijn in rust en weerstaan verplaatsing. Als je het tafelkleed snel genoeg trekt, heeft wrijving niet genoeg tijd om de borden te versnellen, en ze blijven op hun plaats.

Een voetbal op de grond blijft volkomen stil totdat iemand ertegenaan schopt. Het heeft geen verlangen om te bewegen, geen neiging om te bewegen. Het is volkomen onverschillig.

Kracht is gelijk aan massa maal versnelling

Newton's tweede wet

Kracht is gelijk aan massa maal versnelling: F = ma

Dit is de nuttigste vergelijking in de hele natuurkunde. Het vertelt je drie dingen tegelijk:

1. Hoe meer kracht je op een object uitoefent, hoe meer het versnelt (versnelt, vertraagt of van richting verandert).

2. Hoe meer massa een object heeft, hoe minder het versnelt voor dezelfde kracht.

3. Als je twee van de drie waarden kent — kracht, massa of versnelling — kun je de derde berekenen.

Massa is hoeveel materie een object bevat. Het wordt gemeten in kilogrammen.

Versnelling is hoe snel de snelheid verandert. Het wordt gemeten in meters per seconde kwadraat (m/s²).

Kracht wordt gemeten in Newton (N) — ja, de eenheid is naar hem genoemd.

F = ma toepassen

Karren duwen

Denk aan dit scenario: je bent in een winkel. Je duwt een lege winkelwagen en deze rolt makkelijk. Vervolgens vul je de kar met zware boodschappen en duw met dezelfde kracht.

Elke actie heeft een gelijke tegengestelde reactie

Newton's derde wet

Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie.

Dit betekent dat krachten altijd in paren voorkomen. Je kunt niet duwen zonder teruggeduwd te worden.

Wanneer je loopt, duwt je voet achterwaarts op de grond, en de grond duwt voorwaarts op jou. Die voorwaartse duw is wat je voortbeweegt.

Wanneer een raket lanceert, duwt het niet tegen de grond of lucht. Het werpt heet gas met enorme snelheid naar beneden, en het gas duwt de raket met gelijke kracht terug — omhoog.

Wanneer je zwemt, duwen je handen water naar achteren, en het water duwt je voorwaarts.

De krachten zijn altijd gelijk in grootte en tegengesteld in richting. Altijd.

Op de aarde springen

Een gedachte-buigende vraag

Wanneer je springt, duwen je benen naar beneden op de aarde. Volgens Newton's derde wet duwt de aarde omhoog op jou met een gelijke kracht — dat is wat je in de lucht lanceert.

Maar hier is het vreemde gedeelte: als jij naar beneden op de aarde duwt, en de aarde duwt omhoog op jou, dan zijn de krachten gelijk. Je vliegt omhoog. De aarde zou dus naar beneden moeten bewegen.

Universele gravitatie

Newton's wet van universele zwaartekracht

Newton realiseerde zich dat dezelfde kracht die een appel uit een boom doet vallen, dezelfde kracht is die de maan in een baan rond de aarde houdt.

Elk object met massa trekt elk ander object met massa aan. De sterkte van de aantrekking hangt van twee dingen af:

1. Massa: massiever objecten trekken sterker.

2. Afstand: objecten verder uit elkaar trekken zwakker. De kracht neemt af met het kwadraat van de afstand — twee keer zo ver betekent een kwart van de trekkracht.

Gewicht vs. Massa

Massa is de hoeveelheid materie in jou. Het verandert niet waar je ook bent.

Gewicht is de zwaartekracht die op je massa trekt. Het verandert afhankelijk van waar je bent.

Op de maan heb je dezelfde massa maar één zesde van het gewicht, omdat de zwaartekracht van de maan zwakker is.

Waarom valt de maan niet?

Het valt — constant. Maar het beweegt ook zijwaarts zo snel dat wanneer het een beetje valt, het aardoppervlak onder het is weggekromd. Het gaat maar door met vallen en mist steeds. Dat is wat een baan is: vallen en de grond altijd missen.

Gewichtloos maar niet zwaartekracht-vrij

Het ruimtestationraadsel

Astronauten op het Internationaal Ruimtestation zweven rond alsof ze gewichtloos zijn. Je hebt waarschijnlijk de video's gezien — ze tuimelen, water vormt zwevende blobs, en niets valt.

Hier is het verrassende feit: het ISS draait ongeveer 400 km boven de aarde. Op die hoogte is de zwaartekracht nog ongeveer 90% even sterk als aan het oppervlak.

Newton's wetten in de echte wereld

Krachten in engineering en sport

Elke structuur, voertuig en sport op aarde gehoorzaamt Newton's wetten.

Bruggen moeten alle krachten in evenwicht houden om stilstand te bereiken (Eerste wet). Ingenieurs berekenen het gewicht van verkeer (Tweede wet) en zorgen ervoor dat elke steun met gelijke kracht terugduwt (Derde wet).

Raketten werken puur volgens de Derde wet — massa in één richting werpen om in de ander te versnellen. Er is geen lucht om tegen in te duwen in de ruimte. De uitlaat gaat naar beneden; de raket gaat omhoog.

Sport is toegepaste natuurkunde. Een honkbalknuppel brengt kracht naar een bal over (Tweede wet). Een sprinter duwt achterwaarts op de startblokken en de blokken duwen hen voorwaarts (Derde wet). Een ijshockeypuck glijdt met minimale wrijving over ijs en toont de Eerste wet.

Elke keer dat een ingenieur een auto, brug of ruimtevaartuig ontwerpt, lost hij Newton's vergelijkingen op.

Natuurkunde in je favoriete sport

Jouw beurt

Pas nu toe wat je hebt geleerd.