Krafter

Gravitationskraften

Gravitationskraften på jorden, även kallad tyngdkraft, påverkar alla objekt i vår omgivning och verkar alltid riktad mot jordens mitt. Gravitationskraften är den kraft som håller oss kvar på jordens yta. Storleken på gravitationskraften beror på föremålets massa. Ett föremål med en massa på 70 kilogram utsätts för en gravitationskraft på cirka 700 Newton. Detta eftersom gravitationskraften beräknas med formeln F=m⋅g, där m är föremålets massa och g är tyngdaccelerationen, som nära jordens yta är cirka 9,81 m/s².

Gravitationskraften verkar på alla delar av ett föremål, till exempel på varje del av en skidåkare. Den sammanlagda effekten av dessa krafter, resultanten, betraktas som en enda kraft som verkar i föremålets masscentrum och drar mot jordens mittpunkt. Denna förenklade representation av gravitationskraftens påverkan gör det lättare att visualisera och analysera krafter på föremålet.

Bild till vänster: Gravitationskraftens påverkan på en skidåkare. Bild till höger: Gravitationskraften uppdelat i komposanter.

När en skidåkare glider utför i en lutande terräng verkar gravitationskraften alltid rakt ner mot jordens mitt. I en lutande terräng kan gravitationskraften delas upp i två komposanter:

G₁ är komposanten i lutningens riktning, driver skidåkaren utför backen och ger hastighet.
G₂ är komposanten vinkelrätt mot underlaget, pressar skidåkaren mot marken och säkerställer kontakten med snön.

Det är alltså G₁ som gör att skidåkaren accelererar utför, medan G₂ påverkar trycket mellan skidorna och underlaget.

Gravitationskraftens uppdelning vid åkning utför i en given lutning. G1 ökar i brantare lutning vilket gör att skidåkaren åker snabbare. I takt med att G1 ökar, minskar G2.

När lutningen blir brantare ökar G₁, som är komposanten i lutningens riktning, vilket gör att skidåkaren accelererar och får högre hastighet. Samtidigt minskar G₂, komposanten mot underlaget, vilket innebär att trycket mot marken minskar.

Om lutningen istället blir flackare minskar G₁, vilket bromsar åkaren, medan G₂ ökar och ger en starkare dragning mot underlaget.

Metod

Gravitationskraftens påverkan på hastigheten

Normalkraft

Normalkraften är en kontaktkraft som uppstår när ett föremål är i kontakt med en yta. Den verkar alltid vinkelrätt mot ytan.

När en människa står på ett underlag uppstår normalkrafter på alla delar av kroppen som är i kontakt med ytan. Dessa krafter kan sammanfattas som en resultant. I många fall kan denna resultant visualiseras som en kraft som verkar från ytan och uppåt genom en punkt nära masscentrum, beroende på kroppens hållning och underlagets egenskaper.

Bild till vänster: Normalkraftens påverkan på skidan. Bild till höger: Normalkraftens resultant.

Utan normalkraften skulle människan enbart påverkas av gravitationskraften och därmed sjunka genom underlaget mot jordens mitt. Normalkraften motverkar gravitationskraften och hindrar detta. När normalkraften och gravitationskraften är lika stora och motsatt riktade, befinner sig människan i jämvikt och varken sjunker genom eller lyfter från underlaget.

Normalkraften (N) verkar som reaktionskraft mot gravitationskraften (G).

För en skidåkare som åker i lössnö kommer normalkraften till en början vara mindre än gravitationskraften, vilket gör att åkaren sjunker ner i snön. Ju längre ner åkaren sjunker, desto mer packas snön ihop, vilket leder till att normalkraften gradvis växer. När normalkraften till slut är lika stor som gravitationskraften, slutar åkaren sjunka genom snön.

När en skidåkare åker rakt utför backen kommer normalkraften, likt tidigare beskrivet, verka vinkelrätt mot underlaget. Ju brantare backen är desto mindre kommer normalkraften att vara. I illustrationerna kommer den resulterande normalkraften verka mot G₂. I takt med att lutningen ökar, minskar G₂ vilket medför att även normalkraften minskar.

Normalkraftens storlek beroende av lutningen på backen.

Reflektion:

Hur förändras normalkraften beroende av backens lutning och snöns egenskaper (is kontra lössnö)?

Friktion

När ett föremål i rörelse kommer i kontakt med en yta uppstår en friktionskraft. Denna kraft har en bromsande effekt och verkar alltid i motsatt riktning mot föremålets rörelseriktning.

För skidåkaren påverkar friktionskraften hastigheten när åkaren glider på snön. Större friktionskraft innebär lägre hastighet och vice versa.

Storleken på friktionskraften beror på två faktorer; ojämnheter i de ytor som berör varandra och storleken på normalkraften.

Formeln för att räkna ut friktionskraften är: f = N * μ, där N är normalkraften och μ är friktionskoefficienten. Friktionskoefficienten bestäms tillsammans av de två material som glider mot varandra vilket kan påverkas genom att till exempel valla skidorna. Det kommer att minska μ och därmed minska friktionen.

Friktionskraften påverkas också av normalkraften genom att den ökar och minskar i proportion till normalkraftens ökning och minskning. Friktionskraften kommer därför att minska när lutningen ökar.

Friktionskraftens storlek beroende av lutningen på backen.

Reflektion:

Ge exempel på hur friktionskoefficienten kan variera på olika underlag.

Metod:

Friktionens påverkan

Luftmotstånd

Luftmotstånd, som benämns D, är en bromsande kraft som motverkar rörelsen av ett föremål genom luften.

Några viktiga faktorer som påverkar åkarens luftmotstånd är:

Åkarens tvärsnittsyta – åkarens yta sett rakt framifrån.

Åkarens form – Hur pass strömlinjeformad åkaren är. Exempelvis ger formen av en droppe ett lågt luftmotstånd, därför används fartställning för att åka så fort som möjligt.

Åkarens hastighet – Ju snabbare en skidåkare rör sig desto större blir luftmotståndet. Dubbelt så hög hastighet ger fyrdubbelt så stort luftmotstånd.