INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
Krafter och Newtons lagar
Newtons andra lag är det viktigaste hjälpmedel vi har för att beskriva vad som händer
med en kropp och med kroppens rörelse när den påverkas av andra kroppar.
Newton II :
F m a
där
F
är krafternas summa och a är
kroppens masscentrums acceleration.
Under laborationen kommer ni att undersöka Newtons andra och tredje lag.
Författare: Lennart Selander, Johan Hellsvik
Revision: 2008-08-21
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
2 (8)
Mätningar med hängvåg
Exp 1
Hur hårt drar du i vågen?
(Exp 1 kan även göras med små fiskvågar som har en plastmarkör som visar det
maximala utslaget. Dessa vågar klarar mindre maximala krafter men mäter mer
exakt.)
Använd en hängvåg för att undersöka hur hårt du drar! Låt vågen sitta fast i väggen,
dra i vågens andra ände medan din medlaborant läser av vågen. Beräkna hur stor
kraft du drog med (Observera att kraft mäts i Newton, kilogram är ett mått på massa).
Därefter kan din medlaborant undersöka hur hårt hon/han kan dra. Redovisa vad
vågen visade och hur stor
kraft resp laborant drog
med.
Hur hårt drar ni i vågen?
Antag att var och en av er
kan dra i vågen med t ex
200 N, motsvarande att
vågen visar ungefär 20 kg.
Vad kommer vågen att visa
om ni samtidigt drar i
vågen åt varsitt håll? Dra i
vågen för att kontrollera ert
svar.
Hur hårt drar ni i
varandra?
För att kunna använda
Newtons andra lag är det
nödvändigt att kunna
identifiera vilka krafter som
utövas på den aktuella kroppen. Det största hindret är förutfattade meningar om
vilka krafter som verkar, hur krafter verkar och vilka kroppar som utövar krafter på
kroppen. Vi
skall studera
några
belysande
exempel,
hämtade från
läroböcker i
fysik.
Bilden till
vänster är
hämtad ur en
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
3 (8)
lärobok för högstadiet: Undvall, Nilheden: Fysik90
Undersök om bokens påstående om pojkarnas krafter är korrekt. I labbet finns två
hopkopplade hängvågar. Du och din medlaborant kan dra i varsin ände av vågarna
och läsa av dem för att se vem som drar hårdare i den andra. Hur stor kraft utövade
laborant 1? Laborant 2?
En av pojkarna kommer faktiskt att vinna dragkampen, dvs de kommer att röra sig åt
den pojkens håll. Rita en enkel skiss, typ streckgubbar, där du sätter ut alla krafter
som verkar på pojkarna och som förklarar hur det går till att den ena vinner.
Mätning med kraftsensor och handdator
Exp 3
Noggrannare undersökningar av hur stora krafter två föremål utövar på varandra görs
med två kraftgivare som kopplas ihop med hjälp av sytråd.
Kraftgivarna tål maximalt 50 N, det motsvarande tyngkraften på 5 kg. Ni kan lätt dra
hårdare än så. Gör inte det!
DRA INTE SÖNDER
SENSORERNA!
För att få en gardering mot
alltför stora krafter kopplas
kraftsensorerna ihop med
sytråd. Koppla EJ ihop
sensorernas krokar direkt i
varandra.
Handdatorn registrerar
krafterna som sensorerna
mäter. Ställ in respektive
sensor på att visa samma
riktning som positiv, det vill säga den ena med PULL som positiv, den andra med
PUSH positiv. Båda sensorernas mätningar ritas i samma diagram.
Lägg de hopknutna sensorerna på bordet. En laborant hanterar båda. Dra i den ena
sensorn så att båda accelererar, medan krafterna mäts. För att få större krafter utan
att accelerationen blir för stor kan laboranten dra med en hand i den ena sensorn,
medan den andra handen bromsar den andra sensorn.
Vilken sensor drar hårdast? Den andra som blir accelererad av den första, eller den
första vars rörelse blir bromsad av den andra? Newton har redan utrett sambandet
mellan de krafter som två kroppar utövar på varandra. Formulera detta samband!
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
4 (8)
Vilken kraft är det som drar?
För att kunna använda Newtons andra lag är det nödvändigt att kunna identifiera
vilka krafter som utövas på den aktuella kroppen.
Bilden till vänster är hämtad ur en lärobok för högstadiet: Undvall, Nilheden:
Fysik90
Undersök om boken har rätt, är det
jordens gravitation som får fjädern att
sträckas ut?
Exp 4
Väg kraftsensorn. Beräkna
gravitationskraften verkande på sensorn.
Häng kraftsensor i fjädern. Låt sensorn
vara stilla, mät kraften. Lyft upp sensorn,
men inte så långt att fjädern böjer sig.
Släpp sensorn så att den gungar upp och
ned i fjädern och mät kraften.
Tyngdkraften på sensorn är konstant. Är det en konstant kraft av sensorn på fjädern?
Är det gravitationskraften på sensorn som drar ut fjädern?
Vilken kropp är det som drar ut fjädern?
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
5 (8)
Vad skulle du kalla kraften som kroppen utövar på fjädern?
Snörkraft
Ett snöre kan dra i ett annat föremål. Den dragkraften kan
kallas snörkraft. En vanlig uppfattning är att när en massa
hänger i ett snöre så är snörkraften alltid lika stor som
tyngdkraften som verkar på massan. Stämmer det?
Exp 5
Häng snöre med tyngd ca 0.5 kg i kraftsensorn. Mät
snörkraftens storlek. Låt tyngden pendla med små utslag.
Mät snörkraften. Eventuellt måste utslagens storlek ökas
något. Är snörets kraft på sensorn lika med tyngdkraften?
Låt tyngden gunga i snöret som är upphängd i kraftsensor.
Mät farten med lägessensor, mät snörkraften med
kraftsensor.
Beräkna maxvärdet av summan av tyngdkraft och
snörkraft på pendeln.
Beräkna maxfart från diagramet läge/tid.
Beräkna maximala värdet av mv2/R.
Jämför detta värde med det maximala värdet av summan
av krafter på pendel.
Mätningar av normalkraft med badrumsvåg
I många böcker är tyngdkraft den första kraft som beskrivs. Därefter beskrivs
normalkraft. Då påstår man gärna att normalkraften ”tar ut tyngdkraften” och att den
är reaktionskraft enligt Newtons tredje lag.
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
6 (8)
Citat ur ”Newton och gravitationen” av Jörgen Sjöström
” Tredje lagen (till varje kraft finns en lika stor motriktad kraft) förklarar varför vi inte faller genom ett
betonggolv (och vidare in mot jordens medelpunkt) vilket vi faktiskt skulle göra om vi inte påverkades
av en motkraft exakt lika stor som tyngdkraften.”
Är normalkraften alltid lika stor som tyngdkraften?
Är normalkraften den reaktionskraft som Newtons tredje lag talar om?
Exp 6
Gör experiment med hjälp av badrumsvåg som styrker eller motsäger påståendet att
normalkraften skulle vara den reaktionskraft som är exakt lika stor som
tyngdkraften.
Beräkna hur stor normalkraft badrumsvågen
utövar på en 1-kilograms-vikt som ligger stilla
på vågen. Vågens utslag i kg kan sedan
användas för att beräkna hur stor normalkraft
vågen utövar.
Tryck vågen hårt mot väggen. Beräkna
normalkraften den utövar på dig!
Använd vågen för att väga dig och beräkna
tyngdkraften på dig.
Stå på vågen, låt en kamrat dra ner dig
respektive lyfta dig lite. Läs av vågen, beräkna
normalkraften av vågen på dig i resp fall.
Är normalkraften lika stor som tyngkraften på
dig?
Ställ dig på vågen, gunga upp och ned (inte så
våldsamt att vågen skadas). Läs av max- och
min-utslag. Beräkna maximala normalkraften
av vågen på dig och minimala normalkraften.
Är normalkraften lika stor som tyngkraften på
dig? Vilken kraft är den reaktionskraft till
tyngdkraften på dig, som enligt Newtons tredje
lag skall finnas?
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
7 (8)
Exp 7
Snörkraft, block och talja
Använd block och talja och rep för att hissa upp en 25-litersdunk med vatten.
Dunkens massa kan bestämmas med hängvåg. HÄKTA INTE LOSS BLOCKET FRÅN
TAKET!
Beräkna hur stor kraft den fria änden av repet måste utöva för att hålla dunken
upphissad. Hur stor är snörkraften i de
delar av repet som löper mellan blocket och
taljan?
Mät med fiskvåg upp hur stor kraft som
behövs för att hålla dunken upphissad.
Jämför med det värde som ni nyss
beräknade. Avviker värdena från varandra?
Rita en skiss och förklara!
Krafter och acceleration
De elektroniska givarna möjliggör ett direkt
test av Newtons andra lag, F m a , genom
att samtidigt mäta yttre kraft och
acceleration.
Exp 8
Fäst med
hjälp av
gummiband
accelerometern på en
träkloss. Väg
ekipaget, bestående av kloss och accelerometer. Häng
ekipaget i kraftsensorn. Ställ in accelerometern på att
nollställas vid start. Börja mätningen med att klossen
hänger stilla. Använd handen för att lyfta kraftsensorn
med det hängande ekipaget, så att de accelererar
uppåt. Mät dragkraften på ekipaget och dess
acceleration. Gör flera försök, lyft med varierande
acceleration, låt ekipaget accelerera nedåt och sedan
bromsa in.
Kraft/tid graf och acceleration/tid graf kan användas
för att undersöka om accelerationen är proportionell
mot summan av krafterna.
UPPSALA UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR FYSIK OCH
MATERIALVETENSKAP
Mekanik I, Laboration 2
8 (8)
Beräkna summan av krafterna på ekipaget i något ögonblick, och jämför med ma i
samma ögonblick.
Extrauppgift
Exp 9
Friktionskoeffiecient: Bestäm friktionskoefficienten genom att skjutsa iväg en låda,
innehållande accelerometer och handdator. Lådan glider och friktionskraften
bromsar. Mät accelerationen. Beräkna friktionskoefficienten. Accelerometern och
handdatorn måste vara fix i lådan.
