Att mäta kraft
Att mäta krafter
(Bild på dynamometer, med och utan vikter)
Hur stor måste kraften uppåt vara för att något ska vara i vila? Det kan vi mäta med en dynamometer. Ju fler vikter vi hänger på, ju mer töjs fjädern ut. För ett äpple – eller en 1 hg vikt – visar den ungefär 1 newton (1N). För två äpplen eller 2dl vatten blir det ungefär dubbelt så mycket. Kraften uppåt motverkar precis tyngdkraften från jorden.
För att mäta kraften på sig själv kan det vara lämpligare med en badrumsvåg, även om den troligen är graderad i kg i stället för i newton. Jorden drar ner dig mot centrum. Badrumsvågen trycker upp på dig. Du trycker ner på badrumsvågen som i sin tur trycker mot golvet som trycker upp på vågen.
Vad händer om du tar med badrumsvågen eller dynamomentern i en hiss? Prova. Fundera först över hur det känns i kroppen när hissen startar uppåt eller nedåt, eller när den bromsar igen. Känner man sig tyngre eller lättare någonstans? Märks det på vad vågen visar? Varför?
(Se också bilden på spiralkaninen på studsmattan.)
Kraftmätning i högt torn
Graferna på bilden visar hur kraften på telefonen varierar under en tur i hissen (uttryckt som normalkraft delat med mg) och även hur höjden varierar (baserad på lufttrycksmätning).
Kraft och acceleration
När hissen startar eller bromsar känns accelerationen i hela kroppen: Kraften är massan gånger accelerationen och varenda liten del av kroppen måste få en större kraft från sin omgivning för att den ska kunna accelerera uppåt. Detta märks också i en gunga – eller när man hoppar på en studsmatta.
När man gungar känner man sig också lättare ibland och tyngre ibland. Man kan märka skillnaden med en dynamometer – eller med en liten slinky som man håller bredvid gungan. När gungan passerar lägsta punkten ändrar den sin rörelse från att vara nedåt till att vara uppåt igen. Då behövs det en extra uppåtriktad kraft för rörelseändringen ("accelerationen"). Acceleration känns i hela kroppen a = F/m !
Fritt fall
Om det bara är tyngdkraften F=mg som verkar på en kropp så kommer den att accelerera nedåt med a = g, eftersom a = F/m = mg/m = g oberoende av massan. Prova att släppa ett par olika stora bollar samtidigt och lyssna efter nedslaget. Om du står på marken hör du troligen bara en duns.
Att massan inte spelar roll när det bara är tyngdkraften som är viktig hänger ihop med ekvivalensen mellan tung massa (som i mg) och trög massa (som i ma). Ekvivalensprincipen och insikten att fritt fall upplevs som att man inte väger någonting, var ett viktigt steg för Einstein på väg mot den allmänna relativitetsteorin.
Om du släpper en dynamometer med vikt behöver den inte längre hålla upp vikten utan faller tillsammans med den. Dynamomenter kommer att visa noll - som om vikten inte längre hade någon tyngd. Att falla fritt är att vara tyngdlös! Acceleration känns precis som en gravitationskraft i motsatt riktning!
I de flesta vardagssituationer faller lätta föremål, som papper eller fjädrar, långsammare. För lätta föremål spelar luftmotståndet större roll. Prova att släppa ett papper och en boll (eller sten eller något annat mindre och tyngre). Prova sedan att knyckla ihop papper och upprepa. Om du bara släpper ett kort stycke (kanske till bordet) så kommer de att landa ungefär samtidigt. Du kan också jämför ett och två kaffefilter, och kanske sedan ett filter mot tre eller fyra. Kan du släppa dem så att de landra samtidigt?