Zwaartekracht

Zwaartekracht is een natuurkracht. Als bijvoorbeeld een appel van de boom losraakt valt hij altijd recht naar beneden. Nooit omhoog of schuin omlaag. Dat heeft een eenvoudige oorzaak, de zwaartekracht. Dit is onder andere door de natuurkundige Isaac Newton beschreven in de 17de eeuw. Alles wat massa heeft, een boek, een planeet, een mens, heeft zwaartekracht. Anders gezegd, alle voorwerpen, groot en klein, trekken elkaar aan.

In de ruimte heb je twee belangrijke planeten en één belangrijke ster: de aarde, de maan en de zon. Deze draaien om elkaar heen. De aarde wordt aangetrokken door de zon, omdat de zon groter is dan de aarde. Hierdoor draait de aarde om de zon heen. De maan is kleiner dan de aarde, de aarde heeft dus een sterkere aantrekkingskracht en hierdoor draait de maan om de aarde. De aantrekkingskracht die bij de aarde, de maan en de zon worden ingezet, wordt zwaartekracht genoemd.

Zwaartekracht is dus de aantrekkende kracht van twee voorwerpen met massa’s die energie op elkaar uitoefenen. Onze aarde is één grote magneet, de zwaartekracht zorgt ervoor dat alles naar de aarde valt. Een magneet trekt ijzer aan, maar de aarde trekt alles aan. De aarde is heel groot en heeft dus een grote aantrekkingskracht dus ook veel zwaartekracht. Hierdoor blijven we ook met onze voeten op de grond staan en vallen de mensen in Australië niet van de aarde af. De zwaartekracht werkt ook op grote afstand, bijvoorbeeld tussen de aarde en de maan. De zwaartekracht die verantwoordelijk is voor het vallen van een appel, zorgt er ook voor dat de maan of een satelliet in een baan om de aarde blijft.

Newton bedenkt dat de aarde een appel aantrekt.

Zwaartekracht komt voor bij verschillende dingen

- De vleugels van een vogel hebben een vorm die ervoor zorgt dat er bij voldoende snelheid een opwaartse kracht ontstaat. De bovenkant is meer gebogen dan de onderkant, waardoor tijdens het vliegen de lucht boven de vleugel kleiner dan eronder wordt, zo ontstaat er een opwaartse kracht. De vogel stijgt als de opwaartse kracht groter is dan de zwaartekracht die op de vogels werkt. - Als een voorwerp blijft drijven is er een evenwicht tussen de zwaartekracht die op het voorwerp werkt en de opwaartse kracht van het water. (Kersbergen & Haarhuis, 2013) Kortom zwaartekracht is een kracht die voorwerpen aantrekt. Het hangt af van de massa, of de hoeveelheid stof waaruit dat voorwerp bestaat. Hoe groter de massa, hoe groter de aantrekkingskracht. De aarde is zo groot, dat haar aantrekkingskracht groot genoeg is om alles naar haar oppervlakte toe te trekken en het daar te houden.

Aantrekkingskracht

Aantrekkingskracht ontstaat doordat twee voorwerpen elkaar aantrekken alsof ze magnetisch zijn. Maar de aarde trekt harder aan een mens dan andersom, omdat de aarde groter is. De aarde heeft meer massa. Op de aarde weegt een astronaut bijvoorbeeld 70 kg. De zwaartekracht houdt ons op de aarde. Raketten hebben zeer zware motoren nodig om op te stijgen, want de raket moet ontsnappen aan de zwaartekracht. Alles valt even snel. Een zware kogel valt dus even snel als een knikker.

Zwaartekracht berekenen

De zwaartekracht wordt op de aarde gemeten met een moeilijke formule. Deze formule is: zwaartekracht = massa * valversnelling. Voor de massa (afgekort m) vul je in hoe zwaar het voorwerp is waar je de zwaartekracht van wilt weten, in kilogrammen. De valversnelling (afgekort g) is de versnelling waarmee een voorwerp naar de aarde valt in een vrije val. De valversnelling is (bijna) overal op de aarde gelijk en heeft een waarde van 9.81 m/s². De zwaartekracht (afgekort F) wordt uitgedrukt in Newton (afgekort N). De formule voor de zwaartekracht is afgekort:

Stel je voor: een persoon weegt 70 kilogram en je wilt uitrekenen welke zwaartekracht er op hem uitgeoefend wordt. Je gebruikt dan de formule voor het uitrekenen van de zwaartekracht en vult deze in. De F = m * g is dus ingevuld 70 * 9.81. Als je dat dan uitrekent komt daar 686,7N uit. Op deze persoon werkt dus 686,7 Newton aan zwaartekracht.

De drie wetten van Newton

Zie Wetten van Newton voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

(N) is de SI-eenheid voor kracht, vernoemd naar de grote natuur- en wiskundige Isaac Newton. 1697 bedacht Newton drie wetten waaraan krachten zich houden.

1e Wet van Newton: massa is traag Als de snelheid van een voorwerp niet van grootte en niet van richting verandert dan is de resulterende kracht op dit voorwerp gelijk aan 0 N. Traagheid betekent in dit geval dat je snelheid niet verandert als er geen netto-kracht op je lichaam werkt. Voorwerpen met een eenparige beweging, dit is een beweging met een constante snelheid. Om de snelheid te veranderen is er een netto-kracht van buitenaf nodig.

2e Wet van Newton: Als de snelheid van een voorwerp wel van grootte of van richting verandert dan moet er een resulterende kracht op dit voorwerp werken. Voor deze resulterende kracht geldt: F = m . a Met deze formule kun je berekenen hoeveel kracht ervoor nodig is om voorwerp met een bepaald gewicht een bepaalde versnelling te geven. F= kracht (N) m= gewicht in kilogram a= afstand

3e Wet van Newton: actie= - reactiekracht Het blijkt namelijk zo te zijn dat krachten altijd paarsgewijs voorkomen. Elke kracht gaat gepaard met een even grote maar tegengestelde gerichte kracht. De beide krachten werken nooit op hetzelfde voorwerp. (Willems) Op een voorwerp wordt vanuit de aarde de zwaartekracht (Fz) uitgeoefend. Gewichtskracht (Fg) ontstaat doordat het voorwerp tegen de grond wordt gedrukt door de zwaartekracht, dan ondervindt de grond een kracht van het voorwerp. Normaalkracht (Fn) ontstaat doordat de grond wordt ingedrukt door de gewichtskracht oefent de grond ook een kracht uit op het voorwerp. De normaalkracht en de gewichtskracht zijn oorzaak en gevolg van elkaar en zijn dus altijd even groot, tegengesteld gericht en werken op verschillende voorwerpen.

Voorbeeld met de laptop op je tafel. Volgens de 1e wet zal de laptop op de grond moeten vallen. Door de 3e wet van Newton is de kracht op de tafel, de actiekracht/gewichtskracht en de kracht van de tafel op de computer- de normaalkracht- is de reactiekracht. (De wetten van Newton)

Galileo Galileï

Portret van Galileo Galilei 1636

Galileï onderzocht in de zeventiende eeuw de valsnelheid van voorwerpen. Men dacht in de tijd van Galileï namelijk dat zwaardere voorwerpen eerder op de grond zouden belanden dan lichtere. Dit betekende dat wanneer je twee dezelfde soort voorwerpen laat vallen het zwaarste voorwerp als eerst op de grond terecht komt. Om te testen of dit klopte ging Galileï wat uitproberen. Er wordt beweerd dat Galileï vanaf de top van de scheve toren van Pisa, zware en lichte ballen gelijktijdig naar beneden liet vallen. Galileï ontdekte op deze manier dat het niets uit maakte of een voorwerp zwaarder of lichter is zolang hij maar dezelfde vorm heeft. Wanneer je een bal loslaat, begint die heel traag te vallen. Geleidelijk neemt de snelheid echter toe; de bal versnelt. Galileï toonde aan dat (wanneer je geen rekening houdt met luchtweerstand) zware en lichte voorwerpen in dezelfde mate versnellen; hun snelheid neemt elke seconde met een gelijke hoeveelheid toe. Die constante versnelling noemen we valversnelling en we duiden ze aan met de letter g. Het experiment van Galileï is getest op de maan. David Scott heeft aan de hand van een veer en een hamer getest of voorwerpen zonder luchtweerstand tegelijk zullen landen. David voerde dit experiment uit op de maan, deze kun je terug zien via de volgende link: De hamer en de veer .

Einstein

Albert Einstein

Zoals je hebt kunnen lezen heeft Newton ontdekt dat de aarde als een soort magneet werkt en er voor zorg dat voorwerpen naar hem toe worden getrokken. Dit zorgt ervoor dat de maan rondom de aarde blijft draaien en de aarde rondom de zon. Einstein was het niet helemaal met Newton eens en hij ging op zoek naar een betere uitleg. In het jaar 1916 deed Einstein een ontdekking, hij zei dat de ruimte waarin in de aarde zich bevindt niet één plat vlak is zoals Newton dacht. Einstein zei dat de ruimte heel dynamisch is waarin ruimte tijd samen smelten tot ruimtetijd. De objecten in de ruimte zorgen voor golven/rimpelingen waardoor andere objecten hier naar toe draaien en in een baan rondom dat voorwerp blijven draaien. Deze theorie is goed te testen met het volgende voorbeeld: Je hebt een trampoline, kanonskogel en een golfballetje nodig. De kanonskogel maakt een kuil in het oppervlak van de trampoline, en als je er een golfballetje naast legt, rolt dat naar de kanonskogel toe. Massa trekt dus geen massa aan, maar objecten volgen gewoon de kromming van de ruimte. De zwaartekrachttheorie van Einstein wordt ook wel de relativiteitstheorie genoemd. Wetenschappers maken gebruik van deze theorie wanneer zij de banen tussen de planeten willen meten, of op wanneer zij op zoek gaan naar oorzaken binnen het heelal.

Erik Verlinde

Erik Verlinde

Erik Verlinde is een Nederlandse hoogleraar in de theoretische fysica aan de Universiteit van Amsterdam. Hij heeft in 2017 een nieuwe theorie bedacht over de zwaartekracht. Hij pleit ervoor dat we anders naar de zwaartekracht moeten kijken dan dat we nu doen. Hij zegt dat de zwaartekracht een verschijnsel is dat ontstaat uit de eigenschappen van de bouwstenen van het heelal. Dit zijn geen atomen of moleculen, maar abstracte informatie. Hij denkt dat zwaartekracht voort komt uit het gedrag van iets anders. Een voorbeeld is dat zwaartekracht de prijs is die je moet betalen wanneer je informatie heen en weer gaat schuiven. Informatie wil niet verplaatst worden en daarom kost het iets om toch te doen. Dat veroorzaakt de zwaartekracht.

Gewichtloosheid

Omdat er in de ruimte geen zwaartekracht is, ga je zweven. In de ruimte weegt een astronaut nul kg. Alles is gewichtloos omdat er geen aantrekkingskracht van de aarde is. Met de zero gravity vliegtuigen wordt het gevoel van gewichtsloosheid nagemaakt. Dit gebeurt doordat het vliegtuig een soort achtbanen parcours aflegt. Het vliegtuig klimt naar een bepaalde hoogte, op dit moment worden de passagiers naar de bodem toe gedrukt door de zwaartekracht die aan het trekt. Wanneer het vliegtuig hoog genoeg is duikt hij weer naar beneden zodat er een vrije val ontstaat. Tijdens de vrije val komen de passagiers los van de grond en lijkt het net alsof zij zweven en dus gewichtloos zijn. In werkelijkheid vallen zij met het vliegtuig en dezelfde snelheid naar beneden. De passagiers hebben dit niet doordat zij in het vliegtuig zitten.

Minder aantrekkingskracht

De maan is zes keer zo klein dan de aarde. De aantrekkingskracht ook. De astronaut weegt 12 kg. Omdat de spieren van de astronaut veel te sterk zijn voor de 12 kg, kan hij op de maan vijf meter hoog springen en niet goed lopen. Bij elke stap zweeft hij een eindje in de lucht. Waarom zijn astronauten in het ruimteveer gewichtloos? De zwevende astronauten verkeren in een ‘vrije val.’ De enige manier om van de aarde los te komen, is doormiddel van een hele krachtige raket. De maan is kleiner dan de aarde, minder massa, hierdoor is de aantrekkingskracht ook minder. Astronauten in een ruimteschip zweven ook omdat ze samen met het ruimteschip in de baan om de aarde vallen. Op de aarde is het zo dat het zwaarste voorwerp het snelst valt, dit komt door de lucht in combinatie met de zwaartekracht. Op de maan is er geen lucht, maar wel zwaartekracht. Hierdoor vallen alle voorwerpen tegelijk op de grond, zoals een hamer en een veer.

Meer aantrekkingskracht

De planeet Jupiter is 300 keer groter dan de aarde. Een astronaut zou 21.000 kg wegen. Een dropje van tien gram op aarde zou op Jupiter drie kg wegen. Het zou door de zwaartekracht van Jupiter dwars door de maag van de astronaut vallen. Maar eigenlijk wordt een astronaut met verpletterende kracht naar beneden getrokken als hij in de buurt komt van Jupiter. Een ruimtereis naar Jupiter door mensen is dus niet mogelijk.

Proefjes

Om thuis zelf te experimenteren met zwaartekracht volgen hier een aantal proefjes die je zelf makkelijk kunt uitvoeren.

Proef: Wat is de zwaartekracht?

Benodigdheden: voorwerpen

Neem een aantal voorwerpen en gooi ze omhoog. Je zult zien dat alles wat je omhoog gooit, ook weer naar beneden komt (als er niet ook wat anders gebeurt...). Dat komt door de zwaartekracht. En daar gaat dit hoofdstuk over. Maar wat is de zwaartekracht? Wat heb ik geleerd:

Proef: Druk op mij

Benodigdheden: weegschaal

Als je wil weten hoeveel, ga maar op een weegschaal staan. Dan weet je precies hoeveel zwaartekracht er op jou wordt uitgeoefend. Wat heb ik geleerd:

Proef: Hoger is sneller

Benodigdheden: tennisbal, ladder

Neem een tennisbal, hou hem boven je hoofd en laat hem vallen. Hij valt op de grond. Maar ga nu eens op een ladder staan en laat de tennisbal nu naar beneden vallen. Hij zal als hij bij de grond komt sneller gaan dan eerst. Conclusie: als een voorwerp van grotere hoogte valt, heeft het bij de grond een grotere snelheid. Wat heb ik geleerd:

Proef: Baksteen vs donsveertjes

Benodigdheden: steen van 1 kilo, kapot kussen met veren van 1 kilo, ladder

Wat is zwaarder, een kilo stenen of een kilo veren? Ja, dit is een ouderwets grapje. 't Is even zwaar. Maar als je het vanaf de ladder naar beneden gooit, wat is dan eerder beneden? Neem een baksteen van 1 kilo en een kapot kussen van 1 kilo. Klim op de ladder een gooi, terwijl je de baksteen naar beneden gooit, het kussen leeg, zodat de veren die erin zitten, ook naar beneden gaan. Gooi het kussen niet mee! Ze zijn even zwaar, maar de steen is toch eerder. Dat komt door de luchtweerstand. Tussen de bovenste tree van de ladder en de grond zit een pak lucht. Dat zorgt ervoor dat de veren tegen worden gehouden. Maar als de luchtweerstand weg zal zijn, zullen ze even snel beneden zijn. Conclusie: hoe groter een voorwerp is, hoe meer last hij van de luchtweerstand heeft. Wat heb ik geleerd:

Hoe is de zwaartekracht te bepalen?

Elke kracht heeft 3 kenmerken: 1. een richting (welke kant duw ik op) 2. een grootte (hoe hard duw ik) 3. een aangrijpingspunt (waar duw ik tegen)

Eerder heb ik de formule van Newton gegeven. Die rekent de zwaartekracht uit. F= m • a Hierdoor kan je de zwaartekracht bepalen. De zwaartekracht ontstaan wanneer twee voorwerpen aantrekkingskracht hebben. Diegene met de grootste aantrekkingskracht laat de andere voorwerp om heen draaien. (Aarde-zon). Bij voorwerpen is het lastig om te zien hoe je de zwaartekracht ziet. Hier een voorbeeld. Je legt een A4 papier onder een boek. Wanneer je ze zo laat vallen, valt het boek als eerst naar beneden en het A4 papier dwarrelt erachter. Wanneer je een A4 papier boven het boek doet en dan laat vallen, vallen ze beide tegelijk op de grond. Een vel papier is licht en kan de lucht niet zo goed wegduwen. Een boek is iets zwaarder en kan daarom de lucht iets beter wegduwen. Daarom valt een boek sneller. Als je het vel papier op het boek legt, dan duwt het boek de lucht weg voor het papier en kan het papier even snel vallen als het boek.

Bronnen

• De derde wet van Newton: Actie is reactie. (n.d.). Retrieved from https://wetenschap.infonu.nl/natuurkunde/40760-de-derde-wet-van-newton-actie-is-reactie.html
• De vier fundamentele krachten. (n.d.). Retrieved from http://pws.victorvos.com/de-zwaartekracht
• Echternach, E. (n.d.). Zwaartekracht. Retrieved from https://www.natuurkunde.nl/artikelen/684/zwaartekracht
• Galileo Galilei: Zwaartekracht, lichtsnelheid en Inquisitie. (n.d.). Retrieved from https://wetenschap.infonu.nl/natuurkunde/24879-galileo-galilei-zwaartekracht-lichtsnelheid-en-inquisitie.html
• Hooft, G. T. (n.d.). Natuurkundige voordrachten nieuwe reeks, volume 72. Retrieved from https://dspace.library.uu.nl/handle/1874/4639
• Viuf, B. (2015, June 03). Einsteins relativiteitstheorie gooide de natuurkunde om. Retrieved from https://wibnet.nl/natuurkunde/theorieen/relativiteitstheorie/albert-einstein-en-de-relativiteitstheorie-voor-beginners