Traagheid
In de natuurkunde is traagheid de naam voor het verschijnsel dat er een kracht nodig is om een voorwerp te doen versnellen.
Inhoud |
[bewerk] Werking van versnellingsmeters
Mechanische versnellingsmeters zijn altijd in enige vorm gebaseerd op een gewicht dat verend is opgehangen in een omhulling, hierna te noemen, 'het gewicht' en 'het kastje'. Het kastje wordt vastgemaakt aan een voorwerp, en als het voorwerp door een kracht wordt versneld dan zal het kastje meeversnellen, maar het gewicht gaat niet onmiddellijk mee. Het gewicht gaat pas mee als de verende ophanging voldoende is uitgerekt/ingedrukt om de hoeveelheid kracht uit te oefenen op het gewicht dat nodig is om met het kastje mee te versnellen. Het principe van de versnellingsmeter is dat het gewicht iets later op snelheid komt dan het kastje, er is een vertraging, vandaar de naam traagheid.
[bewerk] Traagheid en kracht
Traagheid zelf wordt niet als een kracht gerekend. De algemeen erkende conventie is dat het begrip 'kracht' zo wordt gedefinieerd dat het als eigenschap heeft dat het een interactie is tussen twee voorwerpen. Bijvoorbeeld de elektrostatische kracht is een kracht die werkt tussen twee geladen voorwerpen die, als ze vrij zijn om te bewegen, door die kracht zullen worden versneld. Het uitoefenen van een kracht is een interactie waarbij er impuls wordt uitgewisseld. Traagheid wordt niet als een kracht gerekend omdat er geen uitwisseling is van impuls met een ander voorwerp.
[bewerk] Fundamenteel element van bewegingsleer
Traagheid wordt wel gezien als een van de fundamentele elementen van de bewegingsleer. Iedere bewegingsleer moet de rol die traagheid speelt beschrijven, en de twee grote theorieën, Newtoniaanse bewegingsleer, en de opvolger daarvan, relativistische bewegingsleer, beschrijven de rol van traagheid.
Bijvoorbeeld, een elektrische auto kan zo worden ontworpen dat bij afremmen de kinetische energie van de snelheid wordt teruggewonnen. Bij het omschakelen naar 'terugwinnen' gaan de motoren als generatoren werken. De wielen van de vertragende auto drijven de generatoren aan, die dan de accu's weer opladen. Het is in de natuurkunde de conventie om de 'boekhouding' van deze energiehuishouding als volgt bij te houden:
Bij het optrekken van de auto wordt de elektrische energie van de accu's door de elektromotoren omgezet in kinetische energie. De accu's verrichten hierbij arbeid. Door het verrichten van arbeid daalt de hoeveelheid in de accu's opgeslagen energie. Bij het energie-terugwinnend vertragen neemt de hoeveelheid energie in de accu's weer toe, en dat wordt 'de accu's verrichten negatieve arbeid' genoemd. Negatieve arbeid verrichten klinkt misschien vreemd, maar het gaat er alleen om dat bij elkaar opgeteld alles weer moet kloppen.
[bewerk] Verschil tussen traagheid en wrijving
Traagheid wordt soms omschreven als een weerstand van voorwerpen om in beweging gebracht te worden. In die zin lijkt traagheid op wrijving, maar er is een principieel verschil. Bij wrijving is het vaak zo dat een grotere kracht samengaat met een grotere (top)snelheid. Bij traagheid is het zo dat een grotere kracht leidt tot een grotere snelheidsverandering. Om precies te zijn, het is exact evenredig: een twee keer zo grote kracht geeft een twee keer zo felle snelheidsverandering.
Wrijving heeft vaak een drempelwaarde, er moet minstens zoveel kracht worden uitgeoefend wil het in beweging komen. Traagheid heeft geen drempelwaarde. Hoe klein de kracht ook die je uitoefent, als er geen wrijving is dan komt het voorwerp op gang, zij het maar heel langzaam als de uitgeoefende kracht heel klein is.
[bewerk] Relativiteit van traagheid
De newtoniaanse relativiteit van traagheid is een hoeksteen van de newtoniaanse bewegingsleer. Het kost kracht om een voorwerp te doen versnellen, en het kost evenveel kracht om dat voorwerp weer te doen vertragen. Daardoor kan je aan het versnellen en vertragen niet meten welke nou versnellen of vertragen was. Alle snelheid is relatief, dus vanuit een ander gezichtspunt gezien zijn het versnellen en weer vertragen van rol gewisseld. Het enige dat je daadwerkelijk kan meten is de mate van snelheidsverandering. Die is vanuit alle perspectieven gezien dezelfde. In Newtoniaanse mechanica is het onderscheid tussen versnellen en vertragen komen te vervallen, en wordt kortweg iedere snelheidsverandering een 'versnelling' genoemd.
[bewerk] De bron van traagheid
Newton opperde het beeld van absolute ruimte. Newton bracht in dat als de ruimte echt een leeg niets zou zijn de eigenschap traagheid niet zou kunnen bestaan. Zonder de eigenschap traagheid zou ieder voorwerp door de minste of geringste kracht onmiddellijk naar een oneindig grote snelheid worden gevoerd. Traagheid maakt dat de mate van versnelling evenredig is met de uitgeoefende kracht. Iedere bewegingsleer moet dit punt onderkennen: de traagheid moet een externe oorzaak hebben.
Ernst Mach opperde het volgende: volgens newtoniaanse zwaartekrachttheorie werkt zwaartekracht tot in oneindig ver, zij het nog maar onnoemelijk zwak dan. Iedere plek in het universum, bv de plek waar ons zonnestelsel zich bevindt, is dus onderhevig aan een zwaartekracht van alle materie in het universum tegelijk, een zwaartekracht die dan helemaal gelijkmatig verdeeld is. Omdat het rondom allemaal gelijk is valt het allemaal tegen elkaar weg, maar Mach opperde dat er misschien nog een aspect aan zwaartekracht zit, namelijk dat er weerstand wordt geboden aan snelheidsverandering. De algemene theorie van relativiteit, de opvolger van Newtoniaanse bewegingsleer en zwaartekrachttheorie, is mede geïnspireerd op deze gedachte van Ernst Mach.
