Wetten van Newton
De wetten van Newton zijn drie bekende wetten uit de natuurkunde. Een wet betekent in de natuurkunde dat iets zo is. De wetten zijn vernoemd naar de Britse natuurkundige Isaac Newton, die in 1687 de wetten opschreef in het boek Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. De drie wetten zijn het bekendste werk van Newton. Door de drie wetten ontstond zelfs een nieuwe tak in de natuurkunde, de klassieke mechanica.
Alle drie de wetten hebben iets te maken met kracht. Hierbij komen ook beweging en evenwicht kijken. Bij elke wet wordt hieronder als eerste de regel weergeven, zoals deze in de natuurkunde wordt gebruikt. Daaronder volgt uitleg wat dit precies betekent. De wetten zijn zo belangrijk omdat ze alle bewegingen in het heelal verklaren, van het kleinste stofje in de wind tot planeten die om de zon draaien. Zonder kennis van de wetten van Newton zou ruimtevaart niet mogelijk zijn.
De eerste wet
Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt, is in rust of beweegt zich rechtlijnig met constante snelheid voort.
Wat het simpel gezegd betekend is dat een voorwerp of stil kan staan, of in (onveranderlijke) beweging zijn.
(Resulterend betekent: het resultaat van de som, Dus als kracht 1=5 en kracht 2= -3 dan is de totale kracht 2)
Een voorwerp is alles wat denkbaar is in ons universum. Dit kan van alles zijn, bijv. een zandkorrel, een auto, een wolkenkrabber of de zon. Op zo'n voorwerp kunnen verschillende krachten worden uitgeoefend, denk aan zwaartekracht, wind, duwen, een motor, etc etc. Al deze krachten samengebundeld wordt de resulterende kracht genoemd. Stel: een marshmallow ligt op een rooster met daaronder een ventilator die uit staat. De zwaartekracht duwt de marshmallow omlaag tegen het rooster. Nu zetten we de ventilator aan en de blaast wind naar boven. Zolang de kracht van de wind kleiner is dan de zwaartekracht, dan blijft de marshmallow op het rooster liggen, maar als de kracht van de wind groter wordt dan de zwaartekracht, dan vliegt de marshmallow omhoog. Het grappige is dat als beide krachten even groot zijn, de marshmallow blijft zweven, de resulterende kracht is dan dus 0.
Als er geen resulterende kracht is op een voorwerp kan het voorwerp één van twee dingen doen. Als eerste kan een voorwerp in rust verkeren, oftewel stilstaan, het beweegt in het geheel niet. Ten tweede kan een voorwerp bewegen. Dit gebeurt dan in een rechte lijn met een snelheid die steeds gelijk is (die constant is). Zolang er geen kracht is die hem afremt, blijft hij dus met dezelfde snelheid in dezelfde richting gaan. Daarom hoef je in de ruimte een raket maar even aan te zetten. Zodra je de maximale snelheid hebt bereikt kun je de motor weer uitzetten en blijft de raket altijd in dezelfde richting en met dezelfde snelheid bewegen. In de ruimte is namelijk onder andere geen lucht die een tegenwerkende kracht geeft.
Wat betekent deze wet nou eigenlijk? De eerste wet laat zien dat er niet altijd kracht nodig is voor beweging. Kracht is alleen nodig om te remmen, om sneller te gaan of om van richting te veranderen. We moeten daarbij bedenken dat op aarde we altijd last hebben van de zwaartekracht en dat de lucht ons altijd afremt. Beweeg je hand maar eens heel snel (of steek hem uit de auto), dan voel je een de kracht van de lucht (lijkt op wind). En als je springt val je vanzelf weer op de grond.
(voor de experts: Eigenlijk staat niets stil in het heelal, Zelfs ik je stil gaat staan, draai je mee met het draaien van de aarde, met de aarde om de zon, met het zonnestelsel om het centrum van de Melkweg en met de Melkweg weg van het centrum van het heelal, waar de oerknal begon)
De tweede wet
De verandering van de snelheid is recht evenredig met de resulterende kracht en volgt de rechte lijn waarin de kracht werkt.
Wat het simpelweg betekend is dat een voorwerp door het uitoefenen van een kracht van snelheid en richting kan veranderen.
Wat gebeurt er dan als er wel een resulterende kracht op een voorwerp drukt? Inderdaad, de snelheid verandert. Het voorwerp kan vertragen of versnellen afhankelijk of de kracht mee of tegenwerkt. Recht evenredig betekent dat als het één (kracht) toeneemt, dan doet het ander (snelheid) dit ook. De toename is dan ook even groot. Als de resulterende kracht met 10% toeneemt, dan doet de snelheid dit ook. Het voorwerp verplaats zich ook met de kracht mee. Als de kracht naar links beweegt, doet het voorwerp dit ook.
Bij deze wet hoort ook een formule: F = m x a. F staat voor kracht (van het Engelse Force), m staat voor massa (niet te verwarren met gewicht) en a voor de versnelling. Zo zie je dat voor kracht twee dingen nodig zijn versnelling en massa. Maar ook dat voor versnelling (als je a wilt weten ipv van F volgt uit F=m x a dat a=F/m) van een voorwerp kracht nodig hebt. Denk aan een vrachtwagen en een fiets. Een vrachtwagen heeft een grote massa en een fiets een (relatief) kleine massa. Dat betekend dat om een vrachtwagen te laten versnellen je een grote kracht nodig hebt. Terwijl een fiets een kleine massa heeft en je dus veel minder kracht nodig hebt om de te laten bewegen. Een vrachtwagen heeft dus een sterke motor nodig, een fiets kun je met je eigen kracht voortbewegen. Andersom geldt het ook, om een vrachtwagen af te laten remmen (versnelling a is dan negatief) heb je veel kracht nodig, terwijl je met een fiets zo stil staat.
Je kunt dit proberen met twee skateboards (of fietsen of schaatsen). Ga zelf op de ene staan en je vader/moeder/oudere broer/zus op de andere. Als de ander maar veel zwaarder of lichter is dan jij. Nu ga je naast elkaar steppen tot je even snel gaat. Dan stop je tegelijk met steppen en ga op het skateboard staan net zo lang tot hij uitgerold is. Wie komt er dan het verste? Diegene die het zwaarste is! De versnelling (of beter afremming) is voor hem kleiner want a = F/m: F is hetzelfde gebleven (de weerstand van de wielen en lucht) maar m is groter geworden dus het resultaat is kleiner.
(voor de experts: de weerstand van de wielen en lucht is niet helemaal hetzelfde: Je vader of moeder is groter dan jij en heeft dus een grotere luchtweerstand en omdat hij/zij zwaarder is, is er ook meer weerstand van de wielen omdat de lagers zwaarder belast worden. Een beetje afhankelijk van de kwaliteit van de lagers zou het dus zomaar kunnen zijn dat uiteindelijk jij toch verder komt)
De derde wet
Actie is reactie.
Misschien is dit wel het bekendste zinnetje uit de natuurkunde. Wat zegt de wet dan eigenlijk? Stel je hebt twee voorwerpen. Als het ene voorwerp kracht uitoefent op de ander, zal het andere voorwerp een even grote kracht uitoefenen op de ander in tegengestelde richting. Je kan dus eigenlijk zeggen dat kracht altijd in paren voorkomt. De kracht op het ene voorwerp is immers even groot als op het andere voorwerp. De actie is het uitoefenen van kracht op het ene voorwerp en de reactie is dat het andere voorwerp weer kracht uitoefent op het ene voorwerp. De kracht wordt echter niet groter! Denk daarbij aan een man die aan een veer trekt die aan de muur is bevestigd. De man trekt aan de veer met een bepaalde kracht. Daardoor zal de veer met dezelfde kracht terugtrekken. Of als je op de fiets iemand een duw geeft, hij ontvangt kracht en gaat sneller, jij ontvangt dezelfde, maar dan tegengestelde, kracht en gaat dus langzamer. Ook een raket is een goed voorbeeld. De raket stoot gassen uit zijn uitlaat, doordoor ondervind de raket dezelfde kracht waardoor hij beweegt (de gassen de ene kant op, de raket de andere kant op). Hoe harder je de gassen naar buiten stuwt, hoe harder de raket zal gaan. Dit kun je vergelijken met een ballon. Blaas hem op en laat hem los. De lucht die uit de ballon stroomt door het gaatje duwt de ballon vooruit en dus vliegt hij weg. Een ballon lijkt wat dat betreft dan op een raket!
De 3 wetten in de praktijk
Laten we eens kijken wat er gebeurt als we auto gaan rijden. Als de auto stilstaat geldt de eerste wet. Er is geen resulterende kracht dus hij blijft op zijn plaats. Nu stappen we in, we starten de motor en rijden weg. De motor levert kracht zodat de auto steeds sneller gaat. Maar de auto moet verschillende krachten overwinnen, met name de weerstand van de wielen en lucht. Zolang de kracht van de motor groter is dan die van de weerstand van de lucht en wielen, zal de auto steeds sneller gaan, dat is de tweede wet. Maar door sneller te gaan neemt de weerstand van de lucht en wielen toe, die krachten worden dus groter. Op een gegeven moment zijn de krachten in balans, de kracht van de motor is even sterk als de tegenwerkende kracht van wind en wielen. Dan geldt dus weer de eerste wet, het resultaat van de krachten is 0 en blijft de snelheid hetzelfde. Nu let je even niet op en je botst op de langzamere auto die voor je rijdt. Nu treed de 3e wet op. Jouw auto geeft kracht door aan je voorligger en er komt dus een evenredige kracht terug, de voorligger zal dus wat sneller gaan, jouw auto langzamer. Let op, als je los in de auto zit, heb je bij het rijden vanzelfsprekend dezelfde snelheid als de auto. Aangezien de kracht van de botsing wel tussen de twee auto's is, maar niet met jouw, blijf jij de snelheid houden en schiet je dus vooruit, tot jijzelf tegen iets botst, de stoel voor je of de voorruit. Vandaar dat het zo belangrijk is dat je een riem draagt.