Kraft är något som vi alla upplever i vardagen. Du känner det när du lyfter upp något och när bilen ökar farten. Krafter ändrar också hur saker rör sig. I det här kapitlet kommer du att lära dig om krafter och hur dessa påverkar rörelser. Du kan redan nu fundera lite på: Varför kittlar det i magen när du gungar på en gungbräda? Varför faller man långsammare med en fallskärm?

Du påverkas hela tiden av tyngdkraften som drar dig nedåt (därför kallas den ibland också dragningskraften). Det som hindrar dig att sjunka ner till jordens medelpunkt är att marken håller emot. Underlaget du står på skapar alltså en motkraft som gör att du inte beger dig på en obehaglig resa mot jordens varma inre. Den här motkraften kallas för normalkraft.

Pilarna i figuren visar krafterna som verkar på dig. Eftersom tyngdkraften på dig och normalkraften från golvet är lika stora så är pilarna lika långa. Det är också därför de tar ut varandra. Man säger att nettokraften eller resultanten är noll. Om pilarna inte är lika långa betyder det att krafterna inte tar ut varandra. Nettokraften är alltså inte noll, och du kommer att börja röra dig åt det håll summan av krafterna “puttar” dig.

Vi kommer i det här kapitlet gå igenom några olika exempel på krafter. Det viktiga att veta är att kraft och acceleration är två begrepp som hör ihop. Det man behöver komma ihåg är att om något utsätts för en nettokraft kommer det att få en hastighetsändring, det vill säga en acceleration. Ju större nettokraft, desto större acceleration.

Den person som först beskrev fysiken kring krafter var den engelske naturvetenskapsmannen Isaac Newton (1642–1727). Han sammanfattade allt vi ska beskriva i det här kapitlet i tre lagar, som brukar kallas “Newtons lagar”. Vi återkommer till honom i slutet av kapitlet.

En person som står stilla på kanten av ett hopptorn påverkas av en tyngdkraft som pekar rakt ner och en lika stor motriktad kraft som hen känner under fötterna från underlaget. Eftersom krafterna tar ut varandra är nettokraften lika med noll och personens rörelse ändras inte.

När personen hoppar ut från tornet ändras situationen. Tyngdkraften är fortfarande lika stor, men nu finns inte längre någon motriktad kraft. Nettokraften är inte längre lika med noll. Om vi bortser från luftmotstånd är tyngdkraften den enda kraft som verkar på personen. Tyngdkraften är alltså vår nettokraft. Eftersom nettokraften inte är noll kommer personen att börja röra sig. Fallet kommer att ske i samma riktning som riktningen hos tyngdkraften – rakt ner. Hastigheten kommer också att öka, det vill säga personen accelererar, när den faller mot vattnet. Den här rörelsen brukar kallas för ett fritt fall.

Om vi istället tänker oss någon som åker i en skidbacke så kommer den utsättas för tyngdkraften men också en normalkraft från skidbacken. Det är normalkraften som gör att skidåkaren inte åker igenom backen. På plan mark kommer tyngdkraften och normalkraften vara lika stora, men i en backe blir det annorlunda. Tyngdkraften är fortfarande samma, men nu har normalkraften en annan riktning (normalkraften är alltid vinkelrät mot ytan) och är också lite mindre. Det gör att krafterna inte tar ut varandra. Vi får en resulterande kraft ner för backen och skidåkaren kommer accelerera nerför. Hur snabbt åkaren accelererar beror på hur stor lutningen på backen är och hur stor friktionen mellan skidorna och snön är.

Hur mäter man hur stor en kraft är? Om du hänger en massa i en fjäder kommer den att dras ut. En fjäder som dras ut skapar en motriktad kraft och när den är lika stor som massan drar heråt, kommer massan att hänga stilla. Om du hänger på en dubbelt så stor massa behöver fjädern dras ut dubbelt så långt för att skapa tillräckligt stor kraft. Det går alltså att mäta hur stor kraften är genom att mäta hur långt fjädern dras ut. En dynamometer är ett föremål som mäter krafter genom att mäta hur långt en fjäder dras ut.

Vi ritar ut krafter som pilar, en längre pil för en större kraft. Vi brukar dessutom beteckna krafter med bokstaven F (från engelskans force). När vi räknar ut hur stor en kraft är med med hjälp av dess massa och acceleration skriver vi därför: F=ma (kraften är lika med massan gånger accelerationen).

Ett väldigt vanligt specialfall är när ett föremål faller fritt mot marken. Det kommer då att påverkas av tyngdkraften och accelerationen blir alltid lika med 9.81 m/s^2 (på jorden). Eftersom det är så vanligt fall har accelerationen fått en egen bokstav, g. Tyngdkraften kan alltså beräknas som F=mg. Ofta räcker det att räkna med att g är ungefär lika med 10.

Eftersom Isaac Newton var så betydelsefull för att beskriva krafter har han fått namnge enheten för kraft som kallas 1 Newton och förkortas 1 N. Ett föremål som väger 1 kg kommer alltså att påverkas av en tyngdkraft som motsvarar 1 gånger 10 lika med 10 N.

Räkna på det: kraft, massa och acceleration Nu har vi sett några exempel på vad kraft är. Men hur hänger kraftens storlek, massan hos det som kraften verkar på och hastighetsökningen ihop?

Om något har en massa på till exempel 10 kg och den utsätts för en kraft med storleken 100 N, får den en viss fartökning, eller acceleration. Om vi fördubblar kraften till 200 N kommer hastighetsökningen att bli dubbelt så stor. Om vi istället behåller kraften 100 N och minskar föremålets massa till 5 kg blir fartökningen också dubbelt så stor. Vi kan sammanfatta detta med att kraften är lika med massan gånger accelerationen. Om vi låter F stå för kraftens storlek, m för massan och a för accelerationen (eller hastighetsändringen) så kan vi skriva sambandet med formeln F = ma. Med den här formeln kan man också säga att någots massa är dess motstånd mot att bli accelererad.

När någon hoppar från ett hopptorn eller åker ner för en skidbacke är rörelserna inte helt fria. I båda fallen kommer de att påverkas av luftmotstånd och det kommer att uppstå friktion mellan skidor och snö. Du är van vid både luftmotstånd och friktion från din vardag. Du känner luften mot ditt ansikte när du cyklar och fötterna glider inte runt på marken när du går. Både friktion och luftmotstånd är krafter som motverkar rörelse.

Friktion används i många olika vardagliga sammanhang och då tänker man på det som ”motstånd”. I mekaniken innebär friktion att det finns en kraft som gör att det tar emot när man försöker få två saker att glida mot varandra. Det kan till exempel vara att dra en tung låda längs ett cementgolv. Hur stor friktionen blir beror på ytorna som glider mot varandra och på hur hårt föremålen trycks mot varandra. Om föremålen trycks hårdare mot varandra kommer normalkraften bli större, och därmed även friktionen.

Man kan fråga sig om friktion är ett hinder eller en hjälp i vardagslivet. I exemplet med lådan som ska dras längs det sträva golvet är naturligtvis friktionen ett hinder. Det skulle vara lättare om underlaget var en glatt is. Men friktion ofta till stor hjälp. Friktion är en förutsättning för att vi ska kunna röra oss. När man går eller springer gör friktionskraften mellan fotsulorna och golvet att man kan ta sig framåt eller bakåt. När man sätter sig på en cykel är det friktionskraften mellan däcken och vägbanan som gör att det går att sätta fart.

När du cyklar är friktionen inte det enda motstånd som du måste övervinna, du påverkas också av luftmotstånd. När man cyklar med samma fart på en helt platt väg upplever man ändå att det tar emot. Man måste trampa för att farten inte ska minska. Detta beror på luftmotståndet. När man rör sig framåt måste man flytta undan luft. Ju högre fart man har, desto större blir motståndet från luften som ska flyttas – luftmotståndet.

Om man släpper en liten sten och en badmintonboll från en meters höjd så kommer de att träffa golvet ungefär samtidigt. Men om man släpper dem från 100 meters höjd kommer den lilla stenen att nå marken mycket snabbare än badmintonbollen. Det beror på luftmotståndet. Luftmotståndet är hela tiden riktad rakt mot den riktning som bollen och stenen rör sig i. Badmintonbollen är stor i förhållande till sin massa. Därför kommer luftmotståndet efter en stund bli lika stort som tyngdkraften. Nettokraften blir noll, och bollen får inte längre någon fartökning.

Stenen utsätts också för luftmotstånd, men eftersom den är mycket mindre i förhållande till sin massa är luftmotståndet mycket mindre än det på pingisbollen. Därför tar det mycket längre tid innan luftmotståndet och tyngdkraften på stenen är lika stora.

När en fallskärmshoppare hoppar ut från ett flygplan faller hen först väldigt snabbt. Efter en stund blir tyngdkraften och kraften från luftmotståndet lika stora, och hopparens acceleration upphör. Men fallskärmshopparens hastighet är fortfarande hög eftersom dens yta inte är så stor i förhållande till massan. Genom att veckla ut sin fallskärm ökar hopparen sin yta, och därmed luftmotståndet. Kraften från luftmotståndet på fallskärmen är mycket större än tyngdkraften – och därför bromsar fallskärmshopparen in. Så småningom jämnar krafterna ut sig igen, farten blir konstant igen men är nu lägre än tidigare. På så sätt kan fallskärmshopparen landa utan att skada sig.

Här ska en kloss dras framåt med hjälp av en kraftmätare. Kraftmätaren mäter hur stor kraft som används och det visas på datorn. Först ligger klossen stilla och summan av alla krafterna är noll. Innan du tittar på filmen så fundera på följande: hur kommer kraften ändra sig medan man drar i klossen?

I filmen drar vi i klossen så att den börjar röra sig framåt. Sedan rör den sig med konstant hastighet en liten bit. Därefter slutar vi dra i den. Kraften vi använder visas på datorn. Det kommer bli en graf där kraften visas på y-axeln och tiden visas på x-axeln.

När klossen ligger stilla och man börjar dra i den händer först ingenting. Det beror på att friktionskraften “håller kvar” klossen. Ju  mer vi drar, desto större behöver friktionskraften bli. Det här ser vi på datorn: diagrammet visar att kraften ökar. Till slut är friktionskraften inte tillräckligt stor för att hålla kvar och klossen kommer börja röra sig framåt. Då sjunker kraften vi behöver dra med. Det här beror på att friktionen i vila är större än friktionen när den glider. När vi drar med konstant hastighet är kraften konstant. Dragkraften är då lika stor som friktionskraften. Sedan sjunker kraften till noll när vi slutar dra.

I början av det här kapitlet tittade vi på vad som händer med en person som bara står på marken. Tyngdkraften drar personen rakt nedåt, mot jordens mitt. Från marken kommer normalkraften, som är precis lika stor men riktad rakt uppåt. Detta innebar att personen inte rör sig. Men är det tillräckligt att krafter som verkar på en person eller sak är lika stora och motriktade för att den inte ska röra sig? Svaret är nej. Är krafterna lika stora, men inte pekar rakt mot varandra kan de få ett föremål att börja rotera.

En gungbräda är ett exempel med flera olika krafter som inte pekar rakt mot varandra.

Kompisarna sitter på varsin sida av gungbrädan. Stödet i mitten hindrar brädan från att röra sig nedåt.

Pojkens tyngd vill vrida brädan moturs, medan flickans vill vrida den medurs. För att ta reda på åt vilket brädan kommer att rotera är det två saker som vi måste ta hänsyn till. Dels är det barnens tyngd, dels hur långt ifrån stödpunkten de sitter.

Vi tittar först på några olika fall där kompisarna sitter lika långt från gungbrädans stöd.

Om deras massor är lika stora kommer de inte att röra sig alls. Gungbrädan är i jämvikt. Om det istället sätter sig en tyngre pojke på den vänstra sidan kommer de att rotera moturs. Om en mindre pojke sätter sig på vänstersidan kommer de att rotera medurs.

Nu tittar vi på fallet då kompisarna väger lika mycket, men sitter olika långt från stödet.

Om pojken sitter längre från stödet än flickan kommer gungbrädan att rotera moturs. Om pojken istället sitter närmre stödet än flickan kommer gungbrädan att rotera medurs.

I det här fallet är det något som kallas för kraftmomentet som avgör om det blir en rotation eller inte. Kraftmoment kan man räkna ut med en formel som skrivs

M=Fl.

Kraftmomentet M är alltså lika med kraften som verkar på personen, F,  multiplicerat med avståndet från personen till stödet, l.

Man kan sammanfatta exemplen ovan med hjälp av kraftmomentet. Om kraftmomentet moturs är större än kraftmomentet medurs "vinner" moturs och gungbrädan tippar över åt vänster.

Om båda kompisarna skulle sitta på samma sida om stödet samverkar deras vridande moment och gungbrädan skulle rotera med mycket högre fart.

När du gungar på en gungbräda kan det kittla lite i magen. Det gör det framförallt när du är högst upp och gungan börjar röra sig nedåt. Din hastighet kommer då att öka och det känns nästan som att du faller. Du blir nästan tyngdlös eftersom du faller fritt. Organen i magen som är vana vid att dras nedåt av tyngdkraften svävar plötsligt fritt i dig. Det är ofarligt, men kan kittla lite.

Den person som först beskrev fysiken kring krafter var Isaac Newton. Han summerade upp allt det vi beskrivit ovan i tre lagar i sin bok Principia, som kom ut 1687.

De tre lagarna kan kortfattat beskrivas:

Den första lagen: Ett föremål som inte utsätts för en nettokraft kommer inte att förändra sin rörelse (specialfallet att föremålet är stillastående innebär att det kommer att förbli stilla om det inte påverkas av en nettokraft).

Den andra lagen: F=ma. Rörelsen för ett föremål som påverkas av en kraft kommer att ändras. Hur mycket rörelsen ändras beror direkt på hur stor kraften är.

Den tredje lagen: Ett föremål som utsätts för en kraft kommer att reagera med att svara med en lika stor, motriktad kraft.

Första lagen kallas ofta tröghetslagen. Bland exemplen ovan beskriver den till exempel personen som står still på marken, eller fallskärmshopparen när hen faller med konstant hastighet.

Personen som står stilla påverkas av tyngdkraften och en lika stor, motriktad normalkraft. Nettokraften är noll. Fallskärmshopparen påverkas av tyngdkraften och luftmotståndet. I början är tyngdkraften mycket större än luftmotståndet, och hopparen accelererar. Men efter en stund blir luftmotståndet blivit lika stort som tyngdkraften. Nettokraften är noll, och fallskärmshopparen slutar accelerera. Men hen fortsätter förstås falla mot marken med oförändrad fart.

Andra lagen kallas accelerationslagen och beskriver sambandet mellan nettokraften och accelerationen. Tänk på personen som hoppade från ett hopptorn, eller skidåkaren. I båda fallen är summan av krafterna som verkar på personerna större än noll. Det finns alltså en nettokraft, och då kommer personen eller föremålet att accelerera enligt formeln F=ma. Den andra lagen är väldigt användbar när man vill räkna på hur kroppar påverkas av krafter.

Tredje lagen säger att alla krafter kommer i par. Kraften från golvet som du står på kommer att vara lika stor, men motriktad tyngdkraften som drar dig neråt. Jorden utsätts för en gravitationskraft från solen, men samtidigt utsätts solen för en gravitationskraft från jorden. Om man lyfter upp en liten hundvalp kommer den att trycka nedåt mot armarna med lika stor kraft som man själv lyfter upp den med.

En kraft är något som kan ändra hur ett föremål rör sig. När du lyfter en väska, bromsar en cykel eller hoppar från ett hopptorn verkar krafter på dig och sakerna omkring dig. Krafter kan få föremål att börja röra sig, stanna, ändra riktning eller ändra hastighet.

En viktig kraft är tyngdkraften. Den drar alla föremål mot jordens centrum. När du står stilla på marken drar tyngdkraften dig nedåt. Marken trycker samtidigt uppåt med en lika stor kraft. Den kraften kallas normalkraft. Eftersom krafterna är lika stora och riktade åt motsatta håll tar de ut varandra. Då är nettokraften, alltså summan av alla krafter, noll och din rörelse förändras inte.

Om krafterna däremot inte tar ut varandra uppstår en nettokraft. Då förändras rörelsen. Ett föremål kan till exempel börja röra sig snabbare, långsammare eller ändra riktning. En sådan hastighetsändring kallas acceleration. Ju större nettokraften är, desto större blir accelerationen.

Krafter mäts i enheten newton, som förkortas N. Sambandet mellan kraft, massa och acceleration skrivs:

F = ma

Det betyder att kraften är lika med massan gånger accelerationen. Ett föremål med stor massa är svårare att accelerera än ett föremål med liten massa. Tyngdkraften på ett föremål kan räknas ut med formeln:

F = mg

På jorden är (g) ungefär (10 m/s2). Ett föremål med massan 1 kg påverkas därför av en tyngdkraft på ungefär 10 N.

Två andra viktiga krafter är friktion och luftmotstånd. Friktion uppstår när två ytor glider eller försöker glida mot varandra. Den kan bromsa rörelse, till exempel när man drar en låda över ett golv. Men friktion är också nödvändig. Utan friktion skulle vi inte kunna gå, springa eller cykla, eftersom fötter och däck skulle glida mot underlaget.

Luftmotstånd bromsar föremål som rör sig genom luften. Ju snabbare något rör sig, desto större blir luftmotståndet. Det är därför en fallskärm gör att en fallskärmshoppare bromsas. När fallskärmen fälls ut ökar ytan kraftigt, vilket gör att luftmotståndet blir större.

Krafter kan också få föremål att rotera. På en gungbräda beror rotationen både på hur stor kraften är och hur långt från stödpunkten kraften verkar. Detta kallas kraftmoment och räknas ut med formeln:

M = F l

Här är (M) kraftmomentet, (F) kraften och (l) avståndet till stödpunkten. En lättare person kan alltså väga upp en tyngre person om den sitter längre från stödet.

Den engelske fysikern Isaac Newton sammanfattade hur krafter och rörelse hänger ihop i tre lagar. Newtons första lag säger att ett föremål fortsätter vara stilla eller röra sig med samma hastighet om nettokraften är noll. Newtons andra lag säger att kraft, massa och acceleration hänger ihop enligt formeln (F = ma). Newtons tredje lag säger att krafter alltid uppträder i par: om ett föremål påverkar ett annat med en kraft, påverkar det andra föremålet tillbaka med en lika stor men motsatt riktad kraft.

Tillsammans hjälper Newtons lagar oss att förstå allt från varför saker faller, till hur vi kan gå, cykla, åka skidor och balansera på en gungbräda.

Engelsmannen Sir Isaac Newton (1642–1727) är en av de allra viktigaste personerna i naturvetenskapens historia. Han formulerade de tre lagar som är grunden för mekaniken [länk tillbaka till stycket ovan med Newtons tre lagar]. Dessutom visade han att vitt ljus består av flera färger, byggde det första spegelteleskopet, gjorde banbrytande upptäckter inom matematiken, och mycket mer.

Men allra mest känd är Newton för att han beskrev hur gravitation fungerar. Det hela började efter att han tagit sin examen från Cambridge 1665. Det året drabbades London av pest, och som en säkerhetsåtgärd stängde universitetet. Newton flyttade hem till sin mamma, och kom att stanna där i ett par år. Under den här tiden i “karantän” verkar Newton ha haft gott om tid att bara tänka, för många av hans bästa idéer dök upp då. Newton själv berättade att han en dag satt och funderade i trädgården, när ett äpple föll i marken. Han började då tänka på hur märkligt det är att äpplet alltid ramlar rakt ner. “Varför faller det inte åt sidan, eller uppåt?” Newton kom fram till att det måste finnas en osynlig kraft som drar äpplet nedåt, mot jordens mitt.

Det tog över 20 år för Newton att formulera en sammanhängande teori om gravitationen. Sommaren 1687 publicerade han boken Principia. I den går han igenom sina tre lagar om krafter, och sin teori om gravitation. Boken är skriven på latin, och ordet gravitation kommer helt enkelt från latinets gravitas, som betyder “vikt”.

Med teorin om gravitationen kunde Newton förklara inte bara varför äpplet alltid faller rakt ner mot jordens mitt, utan också hur tidvatten fungerar, månens bana runt jorden, och många andra saker.

Läs mer:

För att astronauter ska kunna öva på hur det är att befinna sig i ett tyngdlöst tillstånd tränar de i stora flygplan som först stiger brant upp och sedan slår av motorerna så att de faller fritt. Personer inuti flygplanet kommer då att falla med precis samma acceleration som flygplanet och kommer att uppleva det som att de är viktlösa (relativt flygplanet som är deras enda referens).

När astronauter ska åka ut i rymden måste de vänja sig vid att vara tyngdlösa – alltså att sväva omkring utan att känna sin egen vikt. För att träna på det använder de ett speciellt flygplan som kallas för "parabolflygplan". Planet flyger uppåt i en båge och sedan faller det snabbt neråt, nästan som en berg-och-dalbana i luften. Under fallet känns det som att allt inne i planet svävar – precis som i rymden! Denna svävande känsla varar bara i ungefär 20 sekunder åt gången, men astronauterna gör många sådana turer för att öva.