2. Kraft
Centralt innehåll
Kapitlet handlar om:
● krafter som sätter föremål i rörelse
● tyngdkraften som drar föremål mot marken
● skillnaden mellan tyngd och massa
● friktionskraften som motverkar rörelse.
Undervisningstips och tilläggsinformation
I boken finns rutor som förklarar formler för uträkningar inom fysiken. I början av lärarmaterialet till kapitel 1 finns ett dokument med bokens alla formler samlade. I dokumentet finns även några tilläggsuppgifter att räkna.
Mobila enheter har rikligt med applikationer som avläser telefonens sensorer, till exempel Phyphox. I detta kapitel är speciellt accelerometern mycket användbar.
s. 29 Mynt i glaset
I detta experiment fungerar ett vanligt spelkort bra, men det går också med ett kort av ett annat ganska styvt papper. Det är viktigt att snabbt sprätta bort pappret för att få myntet att trilla ner i glaset.
Diskutera gärna med eleverna vilken betydelse det har om man sprättar kortet snabbt eller långsamt, vilket material kortet är gjort av samt om myntets massa eller storlek har någon betydelse för utgången.
s. 31 Hur långt kan du blåsa en cylinder?
I detta experiment går det bra att använda olika lätta bollar. Tanken är att eleven ska introduceras till idén att krafter sätter föremål i rörelse. Kraften kan härstamma från till exempel en människa eller från tyngdkraften. Massa och tröghet kommer också fram i experimentet även om dessa inte ännu behöver diskuteras alltför ingående.
s. 34 Hur hänger massa och tyngdkraft ihop?
Då eleverna för in resultaten i tabellen är det ganska lätt att komma fram till att tyngden är ca 10 gånger större än massan. Det här kan uttryckas i följande formel: tyngden = 10 ⋅ massan.
Det går bra att diskutera varför den är just 10 gånger större än massan och kanske komma fram till att talet kommer från jordens tyngdacceleration. Då blir det också enklare att svara på frågan vad dynamomätaren skulle visa på månen där tyngdaccelerationen är ca en sjättedel.
Ytgravitationen på vår måne är ungefär 1,6 m/s/s, vilket är ungefär en sjättedel av jordens 9,8 m/s/s, och på Jupiter 26 m/s/s. Leta gärna fram ytgravitationen på andra himlakroppar och låt fantasin flöda.
s. 36 Kulor och papper i fritt fall
Galileo fällde två klot med olika vikt från det lutande tornet i Pisa. Han ville visa att ett föremåls massa inte påverkar fallhastigheten. Galileos båda klot uppnådde i stort sett samma fallhastighet.
För att fullt ut visa det Galileo ville visa med sitt experiment bör det utföras i vakuum. Det finns en del videoklipp på internet, bland annat ett klipp där en fjäder och bowlingskula släpps ner samtidigt i en vakuumhall, som med fördel kan visas för eleverna. Med tillräckligt tunga och strömlinjeformade föremål kan luftmotståndet minskas och visa att Galileis teori var och fortfarande är rätt.
s. 37 Vattendroppar som faller
Tyngdkraften verkar både på vattnet och på muggen hela tiden, oavsett om muggen faller eller inte. När muggen hålls i handen kommer vatten att spruta ut i en stråle på grund av tyngdkraften, som drar vattnet mot jordens mitt så att vattnet faller. När muggen släpps kommer vattnet att hållas kvar i muggen, men oberoende av detta faller muggen ändå.
s. 38 Skridskor och skidor har olika utformning
Skridskorna skapar ett stort tryck mot liten yta. Det gör att isen värms upp och att det bildas ett tunt vattenskikt (vätskeform) mellan skridskon och isen. Det här minskar friktionen och gör att skridskon glider lätt. Detsamma sker också under skidorna men inte i lika hög utsträckning. Ju varmare snön är, desto lättare skapas också vätskeskiktet under skidorna och de glider lättare.
Diskutera varför man inte får springa i en simhall.
s. 40 Vilka faktorer inverkar på friktionskraftens storlek?
Friktionen beror bara på två faktorer: en friktionskoefficient, som är specifik för varje material, och det belastande föremålets tyngd, som mäts i Newton. Kontaktytans storlek påverkar alltså inte friktionen.
Eleverna kan använda bilden med formel för friktionskraft när de gör experimentet.
Pdf-dokument att skriva ut.
s. 42 Boken och pappret
Använd gärna en bok som ni inte är rädda om för det finns risk för att boken i fallet spricker i limningen.
Både boken och pappret påverkas av tyngdkraften och faller med fallaccelerationen,
g ≈ 9,8 m/s², men papprets ringa massa i förhållande till dess yta gör att det påverkas mer av luftmotståndet än vad boken gör. Därför singlar pappret nedåt betydligt långsammare än boken.
Så länge pappret ligger tätt mot boken kommer luftmotståndet inte att påverka det. Boken pressar undan luften under sin färd mot marken och de virvlar som bildas snarare pressar pappret mot boken än bromsar pappret. Detta kan jämföras med turbulensen bakom fordon. I hög fart kan du känna att det är lättare att cykla tätt bakom en annan cyklist än att cykla bredvid.
s. 42 Den svävande bordtennisbollen
Om du riktar hårfönen rakt uppåt skapar den en uppåtgående luftström som på lämpligt avstånd från munstycket motsvarar bordtennisbollens terminalhastighet, alltså den hastighet där luftmotståndet är lika kraftigt som tyngdkraften som verkar på bollen. Om bollen placeras närmare munstycket blåses den uppåt. Däremot faller bollen mot fönen om den placeras högre upp.
Molekylerna i luft som rör sig är mer utspridda än molekyler i stillastående luft. Jämför med en grupp människor som står stilla, tätt intill varandra: om människorna börjar springa kolliderar de lättare med varandra vilket gör att gruppen sprids ut över större område. Det här betyder att lufttrycket är lägre i strömmande luft. På grund av det låga lufttrycket inne i luftströmmen från hårfönen kommer luften från sidorna att söka sig in mot den luftströmmen. På så vis hålls bollen kvar i luftströmmen.
Om du har en tillräckligt kraftig hårfön kan du pröva att vinkla hårfönen en aning bort från vertikalläget. Bordtennisbollen hålls fortfarande kvar i luftströmmen. Om du vaggar hårfönen försiktigt fram och tillbaka kan du se att luftströmmen bildar en rörliknande ström där bordtennisbollen ligger i mitten om strömmen går rakt uppåt men mer mot kanten ifall du riktar hårfönen aningen mot endera sidan.
s. 44 Åt vilket håll åker kärran?
Om de som drar sina dynamometrar hålls helt stilla kommer kärran småningom att stå helt stilla. Då är kraften lika stark åt båda hållen och skillnaden i kraft är noll. Om de två dragarna klarar av att dra så att den ena dynamometern hela tiden visar 1 N mer än den andra, kommer kärran att accelerera mot det håll där kraften är större. Det betyder också att personerna bör flytta sig med kärran för att inte kraften ska jämnas ut och få kärran att stanna.
F = m ⋅ a. I detta fall är massan densamma för båda dragarna. Det betyder att hela kraftövertaget på den ena sidan verkar på accelerationen.
Då båda personerna drar i vagnen är det ganska lätt att få bilen att stå stilla. Mätarna visar då samma kraft för båda två. Det är också möjligt att få bilen att röra sig med konstant hastighet med samma utslag på mätaren. Eleverna kan också pröva det här ensam. Det viktiga här är att om summan av de olika krafterna är noll, det vill säga att krafterna tar ut varandra, så är bilen antingen stilla eller rör sig med konstant hastighet. Betydligt svårare är det att lyckas med att båda drar så att den ena mätaren visar 1 N mer. Detta kan underlättas genom att placera tyngder på vagnen. Då ökar dess massa och därmed också dess tröghet.
Kraft och motkraft och massans inverkan på accelerationen framgår i denna simulering. Hur kan man bestämma ett pakets massa utgående från kraft och acceleration?
Här kan man simulera olika krafter och motkrafter, massor, hastigheter och acceleration. Lägg särskilt märke till hur den totala kraften påverkar vagnens hastighet. Vad händer om den totala kraften är noll? Man kan t.ex. försöka sätta vagnen i rörelse, för att sedan justera krafterna så att de är lika stora. Vad händer då med hastigheten? Sedan är det fritt fram att testa själv.
De här simuleringarna passar också för att testa Newtons lagar.
s. 46 Äpplet på stickan
Äpplet har betydligt större massa än stickan och är därmed trögare. När du slår stickan tränger den djupare i äpplet som p.g.a. sin tröghet blir kvar och därmed kommer högre upp på stickan och närmare handen. När detta upprepas snabbt ser det ut som att äpplet klättrar uppåt.
Det går också bra att före eller efter experimentet knacka stickan mot ett bord och då kommer äpplet att falla neråt mot bordet. Det här beror också på trögheten. Äpplet som är på väg neråt vill fortsätta sin rörelse även om stickan stannar mot bordet.
s. 48 Ballongbilen
Ballongbilen åskådliggör Newtons tredje rörelselag som säger att för varje kraft finns en lika stor och motriktad reaktionskraft. I detta fall utövar luften, genom luftmolekylernas kollisioner, en kraft på ballongens vägg. Den motriktade kraften utgörs av ballongväggens tryck på luften, eftersom ballongväggen genom sin kemiska sammansättning har ett inbyggt motstånd mot att tänjas ut.
Experimentet kan modifieras så ni trär ett sugrör på ett tunt snöre som spänns genom klassrummet. Tejpa sedan fast en långsmal ballong i sugröret. Blås upp ballongen och se vad som händer.
s. 49 Flaskraketen
Det stora lufttrycket inuti raketen pressar ut vattnet genom den lilla öppningen. När vattnet rusar bakåt så åker raketen framåt. Detta kallas jetdrift och fungerar på samma sätt i jetplansmotorerna. I experimentet tillämpas också Newtons tredje lag.
Var försiktig med de vassa verktygen och se till att ingen är i fara då raketerna skjuts upp.
Tilläggsexperiment till kapitel 2
Passar efter experimentet Den svävande bordtennisbollen på sidan 42 i boken.
- Sätt en bordtennisboll i ett dricksglas. Blås horisontellt ovanför glaset endera med lungkraft eller med en kraftig fön. Då kommer bordtennisbollen att lyftas ur glaset.
- Häng upp två bordtennisbollar i snören med ett par centimeters mellanrum. Blås mellan bollarna. Vad händer då? Det fungerar också med att hålla två papper en liten bit från varandra och blåsa mellan dem.
Bildanalysfrågor
Här finns frågor som förslag till ganska fri bildanalys. Du kan använda frågeorden på pärmen, välja bland frågorna här under eller formulera helt egna frågor och funderingar.
s. 28 Inledningsbilden
Vilka olika krafter ser du på bilden?
Vad händer i bussen?
Varför händer detta?
Varför händer inte samma sak i bilarna?
Vad påverkar fallskärmens fallhastighet?
Varför glider pucken längs med isen?
Vilka krafter inverkar på pucken?
Behöver du friktion när du åker skridskor?
s. 30 Karusellen
Vad händer på bilden?
Hur känns det för den som sitter i karusellen?
På vilket sätt påverkar hastigheten som karusellen snurrar läget för de som sitter i karusellen?
Vad händer om karusellen mitt i allt stannar?
Var någonstans i vardagslivet drar man nytta av liknande krafter?
s. 38 I skidbacken
Vem har mest fart på bilden, tror du?
Vad är det för skillnad mellan hur skidåkaren och sittskidaren håller balansen?
Hur kan de två på isen göra för att inte trilla så lätt? På vilket sätt kan de använda sig av friktion?
Vilka personer på bilden vill i stället ha så lite friktion som möjligt? Hur gör de då?
Vilka olika skyddsutrustningar behöver personerna på bilden?
Har du själv erfarenhet av att röra dig på mycket halt underlag? Hur kan du då skydda dig?
Facit till räkneuppgifter
s. 35
1.
Tyngdaccelerationen på månen: 1,6 m/s²
75 kg ⋅ 1,6 m/s² = 120 N
2.
85 kg, massan är samma oberoende av var du befinner dig.
Facit till uppgifter på sidorna 50–51
1.
A)
Exempel på svar: Om säcken har en stor massa dras den till jorden med en stor kraft. När vi drar den längs gräsmattan måste vi övervinna friktionskraften, som ju också är större ju större massa säcken har. Glidfriktionen är större än rullfriktionen, så om vi använder en skottkärra med hjul är det lättare. Likaså kunde det vara lättare att dra säcken på snö eller is.
Mest luftmotstånd: Fallskärmen.
Minst luftmotstånd: till exempel äpplet eller pucken.
2.
Friktion är en bromsande kraft som finns mellan två ytor. Vi kommer i kontakt med friktion till exempel när vi går (foten–marken), cyklar (däcket–marken), åker skidor (skidan–snön), åker pulka (pulkan–snön).
3.
A) När vi går, cyklar, åker bil, bromsar med bil eller cykel.
B) När vi åker skidor i nedförsbacke, åker pulka i nedförsbacke, mellan motordelar i en motor.
5.
A) Rakt fram i förhållande till den riktning bilen hade innan vi svängde. Vi ser den därför röra sig till höger.
B) Rakt fram. Vi ser den rusa framåt.
C) Den vill fortfarande hålla samma hastighet som innan. Därför rör den sig bakåt i förhållande till oss som sitter i bilen.
6.
A) -2N + 5N = +3 N (mot höger)
B) 2 N + 5N = +7 N (mot höger)
C) -3N + 2N +5N = +4N (mot höger)
7.
Det kokta ägget kan sägas vara stumt. Det gör att hela ägget sätts i rörelse när man sätter fart på det. Det okokta äggets inre hinner inte med i den snabba accelerationen.
Ordförklaringar
● Friktion
● Gravitation
● Lyftkraft
● Massa
● Rullfriktion
● Tröghet
● Tyngd
● Vilofriktion
Pdf-dokument att skriva ut. Kontrollera inställningarna på din skrivare så att korten skrivs ut rätt. Ordet ska finnas på kortets ena sida och förklaringen på andra sidan.