Eduqaleeromgeving
5 vwoLeeromgeving Natuurkunde · 5 vwo H6 Arbeid en energie
0%
Hoofdstuk 6 · Les 1 van 9

Arbeid: kracht, verplaatsing en richting

Een verzwaarde slee voorttrekken is inspannend. In de natuurkunde heet die inspanning arbeid. Hoeveel arbeid je verricht, hangt af van de kracht, van de afstand en van de richting van de kracht.

15 min

Na deze les kun je

  • uitleggen wat arbeid is en wanneer een kracht arbeid verricht
  • rekenen met W = F·s en W = F·s·cos α
  • zien of arbeid positief, nul of negatief is
  • de totale arbeid op twee manieren berekenen

Dit weet je al

Krachten tekenen, de resulterende kracht bepalen en een kracht ontbinden in componenten (hoofdstuk 3).

Kracht, arbeid en verplaatsing

Hoe zwaarder de slee, hoe groter de kracht die je moet uitoefenen en hoe meer arbeid je verricht. Ook de afstand telt: hoe verder je de slee voortsleept, hoe meer arbeid. Het symbool voor arbeid is W, van het Engelse work.

Werken de kracht en de verplaatsing in dezelfde richting, dan geldt:

W = F · sBinasW in newtonmeter (Nm), F in newton (N), s in meter (m).

Arbeid heeft geen richting: het is geen vector maar een scalaire grootheid. Arbeid heeft wel een teken: W is positief als kracht en verplaatsing gelijk gericht zijn, en negatief als ze tegengesteld gericht zijn.

Let op hoe je het zegt: een kracht verricht arbeid. Bij een vallend voorwerp verricht niet het voorwerp de arbeid, maar de zwaartekracht die erop werkt.

Arbeid door meerdere krachten

Op de slee werken meer krachten: spierkracht, zwaartekracht, normaalkracht en weerstandskracht. Omdat arbeid een scalair is, mag je de arbeid van alle krachten gewoon optellen:

Wtot = W1 + W2 + …Binas

Je kunt ook eerst de resulterende kracht bepalen. De totale arbeid is dan de arbeid die de resulterende kracht verricht:

Wtot = Fres · s
✎Voorbeeld: twee mensen duwen een auto aan

Twee mensen duwen een auto 40 m vooruit, met 350 N en 550 N. Op de auto werkt 600 N weerstand. Bereken de totale arbeid op twee manieren.

  1. Manier 1, elke kracht apart: 350 × 40 = 1,4·104 Nm, 550 × 40 = 2,2·104 Nm, weerstand −600 × 40 = −2,4·104 Nm.
  2. Optellen: Wtot = 1,4·104 + 2,2·104 − 2,4·104 = 1,2·104 Nm.
  3. Manier 2: Fres = 350 + 550 − 600 = 300 N, dus Wtot = 300 × 40 = 1,2·104 Nm.

Kracht en verplaatsing in verschillende richtingen

Een kogel rolt over een vlakke vloer. De zwaartekracht wijst omlaag, de kogel rolt horizontaal. De zwaartekracht slaagt er niet in de kogel in háár richting te verplaatsen, dus verricht ze geen arbeid. Algemeen: staan kracht en verplaatsing loodrecht op elkaar, dan is W = 0.

Bij de slee trek je schuin omhoog, terwijl de slee horizontaal beweegt. Dan verricht je kracht wél arbeid, want de slee gaat gedeeltelijk in de richting van de kracht. Om die arbeid te berekenen ontbind je de kracht.

Slee schuin voorttrekkenEen schuine kracht wordt ontbonden in een component langs de verplaatsing, die arbeid verricht, en een component loodrecht erop, die geen arbeid verricht.sleeαFF∥ = F·cos α → verricht arbeidF⊥: geen arbeidverplaatsing s
Alleen de component van de kracht langs de verplaatsing verricht arbeid. De component loodrecht op de verplaatsing verricht geen arbeid.
Arbeid bij een schuine krachtBinas
F∥ = F · cos αcomponent evenwijdig aan de verplaatsing
W = F∥ · salleen F∥ verricht arbeid; F⊥ staat loodrecht op de verplaatsing
W = F · s · cos αvul F·cos α in voor F∥

α is de hoek tussen de kracht en de verplaatsing. Met deze formule zie je drie bijzondere gevallen:

Hoek αArbeidBetekenis
0°W = F·s·cos 0° = F·sKracht en verplaatsing zijn gelijk gericht.
90°W = F·s·cos 90° = 0 NmKracht en verplaatsing staan loodrecht op elkaar.
180°W = F·s·cos 180° = −F·sKracht en verplaatsing zijn tegengesteld gericht.

Weerstandskrachten werken altijd tegen de bewegingsrichting in. Ze verrichten dus negatieve arbeid, en daardoor neemt de snelheid af. Ook de zwaartekracht kan negatieve arbeid verrichten: gooi je een bal omhoog, dan neemt de zwaartekracht de snelheid van de bal af tot hij zijn hoogste punt bereikt.

!Pas op

Zet α altijd in je tekening, tussen de krachtpijl en de verplaatsing. Bij een kracht die tegen de beweging in werkt is α = 180°, niet 0°.

Even controleren

Snap je het?

Een kogel rolt over een horizontale vloer. Hoeveel arbeid verricht de zwaartekracht?

Een weerstandskracht van 50 N werkt over 4,0 m tegen de beweging in. Hoeveel arbeid verricht die kracht?

↗Hoe hangt dit samen?

In de volgende les gebruik je dezelfde formule bij een kromme baan, op een helling en bij een kracht die verandert.

Klaar met deze les? Zet hem op gelezen; je voortgang staat rechtsboven.