Kraft

Mekanikk er læren om krefter og hvordan disse påvirker omgivelsene. Og kraft er et begrep vi kjenner godt, både fra fysikkfaget og fra dagliglivet ellers. Vi kjenner godt til tyngdekraften som jo er årsaken til at eplet ikke henger i luften men faller nedover. Og hvis vi f.eks. ønsker å flytte på en stol, så er den eneste måten å bruke krefter på den.

Hva er egentlig en kraft? Når et lodd faller ned mot bakken så skyldes dette tyngdekraften som gir loddet en akselerasjon. En kraft er altså noe som gir akselerasjon. Men for loddet til høyre som er fastholdt gir tyngdekraften ingen akselerasjon. Fastholdingen gjør at det oppstår en strekkraft i kjettingen som er like stor som tyngdekraften men motsatt rettet og til sammen er det ingen kraft på loddet som dermed forblir i ro. Alle legemer som er i ro er fastholdt på en eller annen måte og Denne naturens evne til å skape likevekt gjør at definisjonen "... noe som gir akselerasjon" ikke samsvarer helt med vår dagligdagse erfaring med krefter.

Figuren viser en mann som prøver å trekke klossen etter kroken. Når mannen skaper en kraft på klossen og så skaper klossen en like stor og motsatt rettet kraft på mannen. tyngdekraften på klossen har også sin motkraft som virker på jorda.

La oss si at klossen ikke flytter på seg når mannen trekker. Dette skyldes friksjonen mot underlaget som fastholder klossen. På tilsvarende vis klarer ikke tyngdekraften å flytte klossen nedover fordi klossen hviler mot underlaget. Fastholdingen av klossen medfører at det oppstår reaksjonskrefter som er i likevekt med de ytre påførte kreftene. Vær obs på at FN og FF ikke er motkrefter til G og F.

Mekanikk bygger på Newtons tre lover:

1. lov: Når summen av kreftene som virker på et legeme er lik null så er hastigheten konstant. Hvis legemet er i ro så forblir legemet i ro.

2. lov: Når summen av kreftene som virker på et legeme ikke er lik null så er summen av kreftene lik legemets akselerasjon ganger masse.

3. lov: Kreftene som virker mellom to legemer er lik i mål og motsatt rettet.

Newtons første lov omhandler legemer i ro, dvs. statikk, og kan skrives som ΣF = 0. Newtons andre lov omhandler legemer med akselerasjon, dvs. dynamikk, og kan skrives som ΣF = m⋅a. Newtons tredje lov sier at kraft er lik motkraft.

Masse, rom og tid er grunnstørrelser som måles i hhv. kilogram, meter og sekund, men kraft er ingen slik grunnstørrelse. Kraft er noe som får et legeme til å akselerere. Kraft måles i Newton (N eller kN) og vi ser av Newtons andre lov at 1 N er den kraften som må til for å gi et legeme med massen 1 kg akselerasjonen 1 m/s2. Dermed får vi at 1 N = 1 kgm/s2. Kraften og akselerasjonen virker i samme retning. Strengt tatt gjelder ikke Newtons lover for svært store hastigheter og for svært små partikler men for alle praktiske formål vil lovene gjelde.

Som regel bruker vi bokstaven F (force) for å indikere en kraft, men for tyngden bruker vi bokstaven G (gravitasjon). Vi husker sammenhengen mellom tyngde og masse: G = m⋅g, hvor g er tyngdens akselerasjon. På jordoverflaten har g verdien 9,81kgm/s2. I praksis bruker vi gjerne tyngdens akselerasjon for å omregne masse til tyngdekraft og da er det mer hensiktsmessig å bruke enheten g = 9,81N/kg. Krefter opptrer enten som kontaktkrefter eller som massekrefter. Kontaktkrefter virker på legemets overflate og fordeler seg over et visst areal som et trykk. Massekrefter kan enten være tyngden eller sentrifugalkrefter, og disse virker inni legemet og fordeler seg over hele volumet.

Karakteristiske kjennetegn

En typisk problemstilling i mekanikk er hvordan legemer påvirkes når det virker krefter på legemet. Figuren under viser en bjelke som henger i et ledd og bjelken henger i utgangspunktet. Vi ser at hvor stor kraften er, hvilken retning kraften har og hvor kraften angriper har betydning for hva som skjer. Men om vi dytter eller om vi trekker i bjelken har ingen betydning.

Vi sier at en kraft har tre karakteristiske kjennetegn; mål, retning og til kraftens og angrepslinjens beliggenhet, og det betyr at vi må kjenne alle disse for at kraften skal være entydig definert. Legg merke til at det ikke sies noe om kraftens angrepspunkt; vi kan fritt flytte en kraft langs angrepslinjen uten at virkningen endrer seg. I og med at både kraftens mål og retning har betydning, så kan vi betrakte kraft som en vektorstørrelse. Ellers er det klart at når vi senere skal se på hva som skjer inni konstruksjonen så har også angrepspunktets beliggenhet betydning. Legg for øvrig merke til at kraftens mål aldri er negativ. Ekvivalente krefter betyr krefter som har samme karakteristiske kjennetegn. Ekvivalente krefter har samme akselererende virkning på legemet.

I meccanica skal vi kun se på plane kraftsystem, dvs. situasjoner hvor alle krefter virker i ett og samme plan.

Beskrivelse: 11

Sammenløpende krefter betyr at angrepslinjene til alle kreftene har felles skjæringspunkt.