mini|Krefter beskrives også som et dytt eller drag på et legeme. De kan skyldes fenomener som gravitasjon, magnetisme, eller andre fenomener som kan føre til at et legeme for eksempel akselererer eller deformeres. I fysikken er en kraft enhver interaksjon som forsøker å endre bevegelsen eller formen til et legeme, om det ikke er andre krefter som motvirker dette. Med andre ord kan en kraft føre til at et objekt med masse endrer sin hastighet, hvilket betyr at det endrer sin fart fra stillestående, eller fra én hastighet til en annen. En kraft kan også beskrives intuitivt som et skyv eller et drag. Krefter har både styrke og retning, noe som gjør at de betraktes som vektorer. I SI-systemet måles en kraft i Newton og blir ofte representert med symbolet eller, om det er snakk om en vektor, med .
Newtons tre lover brukes for å analysere krefter og deres påvirkning. Den første loven sier at et legeme kun kan endre hastighet dersom det utsettes for en netto kraft. Den opprinnelige formen for Newtons andre lov sier at netto kraft som virker på en gjenstand er lik forandringen over tiden av bevegelsesmengden. Dersom massen til objektet er konstant, innebærer denne loven at akselerasjon av et legeme er direkte proporsjonal med nettokraft som virker på det, er i retning av denne nettokraften, og er omvendt proporsjonal med massen av objektet. Den tredje loven sier at når et legeme virker med en kraft på et annet legeme, vil det andre legemet også virke med en kraft på det første. Disse kreftene er like store og motsatt rettet. Dette innebærer at alle krefter er interaksjoner mellom ulike legemer, dermed finnes det ikke noe slikt som en ensrettet kraft eller en kraft som virker på bare et legeme.
Beslektede begreper til kraft er: skyvekraft, som øker hastigheten til et legeme, luftmotstand, som virker til å redusere hastigheten til et objekt, og dreiemoment som gir endring av rotasjonshastighet til et legeme. For et utvidet legeme vil hver del vanligvis virke med krefter på de tilstøtende parter; fordelingen av slike krefter gjennom legemet kalles for mekanisk spenning (eller stress). Trykk er en annen enkel form for spenning. Spenning fører vanligvis til deformasjon av faste materialer, eller strømninger i væskeer.
I moderne fysikk operere en bare med fire fundamentalkrefter: De sterke og svake kjernekrefter, den elektromagnetiske kraften som virker mellom elektriske ladninger, og gravitasjonskraft som virker mellom masser. Kjernekrefter virker bare på svært korte avstander, elektromagnetiske krefter virker på elektriske ladninger og tyngdekraften virker på alle masser i universet. Alle andre krefter er sammensatt av slike.
Den spesielle relativitetsteorien endret den moderne fysikks bilde av krefter, der blant annet betraktningen rundt krefter blir annerledes om hastighetene er svært store. Til tross for dette har Newtons bevegelseslover fremdeles stor relevans innenfor mekanikk, ettersom mange prosesser skjer ved relativt lave hastigheter.
Notasjon og måleenhet I SI-systemet er enhet for kraft er newton, med symbol N. Denne størrelsen er definert som er den kraft som er nødvendig for å akselerere et legeme med én masse på ett kilo med en hastighet på én meter pr sekund i kvadrat, eller . Et mye brukt symbol for kraft er . Dersom kreftene representeres ved hjelp av vektorer, hvilket gir informasjon om retningen kreftene virker i, brukes fet skrift, .
Historie Filosofene i antikken mini|Aristoteles er berømt for sin beskrivelse av kraft som noe som fører et objekt til å gjennomgå «unaturlig bevegelse».
Filosofer i antikken, inkludert Aristoteles og Arkimedes, anvendte begrepet kraft i studiet av stasjonære og bevegelige gjenstander. Imidlertid hadde de grunnleggende feil i sin forståelsen av fenomenet. Delvis skyldes dette ufullstendig forståelse friksjon, som ikke alltid er en åpenbar kraft, og dermed utilstrekkelig syn på årsaken til naturlige bevegelser.
Siden antikken har begrepet kraft blitt anerkjent som en integrert funksjon av hvert av de såkalte enkle maskiner, som består av blant annet skråplanet, skruen, kilen vektstangen, hjulet med aksling og trinsen . Analyse av egenskapene til krefter kulminerte til slutt i arbeidet til Arkimedes. Spesielt er han kjent for sin behandling av oppdriftskraften som oppstår i væsker.
Aristoteles ga en filosofisk drøfting av begrepet om en kraft som en integrert del av sin aristoteliske kosmologi. I Aristoteles syn er den jordiske sfære bestående av fire elementer som kommer til hvile på forskjellige «naturlige steder» deri. Aristoteles mente at ubevegelige gjenstander på jorda hovedsakelig består av elementene jord og vann, og for å være i sin naturlige plass vil de være på bakken, hvor de vil holde seg hvis de blir overlatt alene. Han skilte mellom medfødt tendens til objekter til å finne sin «naturlige plass» (for eksempel for tunge legemer til å falle), noe som førte til «naturlig bevegelse», i motsetning til «unaturlig-» eller «tvungen bevegelse», som krevde kontinuerlig anvendelse av en kraft. Denne teorien var basert på den daglige opplevelsen av hvordan objektene beveger seg, som for eksempel den konstante anvendelsen av en kraft som er nødvendig for å holde en vogn i bevegelse. Men teorien hadde konseptuelle vanskeligheter med å forklare virkemåten til prosjektiler, for eksempel bevegelsen til en pil. Stedet hvor bueskytter setter prosjektilet i beveger var ved starten av banen, og mens prosjektilet seilte gjennom luften, kan det ikke observeres noen påvirkning som får den til å fare gjennom luften. Aristoteles var klar over dette problemet og foreslo at luften som fortrenges gjennom prosjektilets bane også bærer det til sitt mål. Denne forklaringen krever generelt at et kontinuum som luft er tilstede for enhver endring av plasseringen av et legeme.
Aristotelisk fysikk begynte å utsettes for kritikk i middelalderen, først med John Philoponus i på 600-tallet.
Galileo Galilei Svakhetene ved aristotelisk fysikk ble ikke fullt ut korrigert før på 1600-tallet med arbeidet til Galileo Galilei, som var påvirket av den senere ideen fra middelalderen om at objekter i tvungen bevegelse bærer med seg en naturlig kraft, den såkalte impetus. Galilei konstruerte et eksperiment der steiner og kanonkuler begge ble satt til å rullet ned et skråplan for å motbevise Aristoteles teori om bevegelse tidlig på 1600-tallet. Han viste at legemer ble akselerert av tyngdekraften i en grad som var uavhengig av deres masse og hevdet at gjenstandene beholde sin hastighet hvis de ikke påvirkes av en kraft, for eksempel friksjon.Drake, Stillman (1978). Galileo At Work. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 0-226-16226-5
Galilei var også den første til å introdusere ideen om relative hastigheter. Fysikkens lover er de samme i hvert treghetssystem, det vil si i alle rammer som knyttes sammen av en galileitransformasjon. Nærmere bestemt vil det være slik at i systemer hvor legemer beveger seg med forskjellige hastigheter, er det umulig å bestemme hvilket legemer som er «i bevegelse», og hvilke som er «i ro». All bevegelse er relativ til annen bevegelse, og en gjenstand som er «i ro» har bare samme hastighet som andre gjenstander i samme treghetssystem.
Isaac Newton mini|En av de mest kjente anekdoter innenfor vitenskapshistorien er at et eple falt i Isaac Newtons hodet. Hendelsen ga ham briljant forståelse av tyngdekraftens natur, slik at lovene som er oppkalt etter ham omgående kunne nedtegnes. Det som imidlertid er bekreftet er at han snakket om at han fikk inspirasjon til sine arbeider om bevegelseslovene av å se fallende epler på sine eldre dager.
Isaac Newton beskrev bevegelse av alle objekter ved å bruke begrepene treghet og kraft, og dermed fant han at de følger visse bevaringslover. I 1687 publisere Newton sin avhandling Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. I dette arbeidet formulerte Newton tre lover om bevegelse som fremdeles i dag er brukt for å beskrive krefter i fysikken.
Newtons første lov om bevegelse sier at legemer fortsetter å bevege seg i en tilstand av konstant hastighet med mindre de samlet sett blir påvirket av en kraft. Denne loven er en forlengelse av Galileis innsikt om at konstant hastighet var assosiert med en mangel på netto kraft. Newton foreslo at ethvert legeme med masse har en naturlig hviletilstand i den hastigheten det allerede har. Det vil si at Newtons empiriske første lov motsier den intuitive aristoteliske oppfatningen om at en netto kraft er nødvendig for å holde et objekt i bevegelse med konstant hastighet. Ved å gjøre «hvile» fysisk umulig å skille fra «ikke-null konstant hastighet», kobler Newtons første lov direkte treghet med begrepet relative hastigheter.
Newtons andre lov om bevegelse sier at kraften som påvirker et legeme er proporsjonalt med dets akselerasjon. I Principa Mathematica ble dette formulert som en endelig differanse basert på impuls.
Kraft og determinisme Med hjelp av Newtons lover er det mulig å forutsi den tidsmessige utvikling av et fysisk system fra en gitt utgangssituasjonen og de virkende krefter. Dette gjelder ikke bare for enkelte eksperimenter i laboratoriet, men kanskje i prinsippet til universet som helhet? Denne konklusjonen bidro til oppfatningen av et deterministisk verdensbilde på 1700-tallet. Følgelig vil alle hendelser være fundamentalt forhåndsbestemte, selv om de beregninger som kreves for en forutsigelse er vanskelig i praktisk. Men i begynnelsen av 1900-tallet fant en ut at formler innenfor klassisk fysikk ikke var gyldige på atomnivå. Det deterministiske syn på verden som hadde blitt utledet fra formlene måtte derfor bli avvist i sin opprinnelige form.Carl Hoefer: Causal Determinism. Artikel in der Stanford Encyclopedia of Philosophy (englisch).
Kraft i klassisk mekanikk Newtons mekanikk
Første lov Newtons første lov om bevegelse sier at legemer fortsetter å bevege seg i en tilstand av konstant hastighet med mindre de påvirket av en ytre netto kraft. Bevegelsen vil være rettlinjet, ikke for eksempel i en kurve, og gjelder relativt til annen bevegelse som skjer i samme treghetssystem. For eksempel vil det også være gyldig inni en bil eller et fly, dersom disse beveger seg med konstant hastighet.
Kraften vil regnes som en vektorsum, det vil si at dersom man for eksempel har tre krefter , og vil det være den samlede kraften
som gir netto kraft som virker på gjenstanden.
I praksis vil det alltid være krefter som virker på alle gjenstander til enhver tid. Likevel kan man tenke seg situasjoner der disse har veldig lite å si, som for eksempel en bevegelse i vakuum med neglisjerbar friksjon, slik at observerte endringer likevel er i tråd med denne loven.
mini|Selv om Isaac Newton's mest berømte ligning er , skrev han faktisk sin andre lov om bevegelse på en form som ikke bruker differensialregning.
Andre lov Newtons andre lov kan skrives som
der er bevegelsesmengden til systemet, og er netto (vektorsum) av kraften. I likevekt er det per definisjon null netto kraft, men (balanserte) krefter kan uansett være til stede. I motsetning til dette fremgår det av andre lov at en ubalansert kraft som virker på en gjenstand vil resultere i at legemets bevegelsesmengde over tid endres.
Med definisjonen av bevegelsesmengde, kan uttrykket over skrives:
hvor m er masse og er hastighet.
Newtons andre lov gjelder bare for et system med konstant masse, og dermed kan m flyttes utenfor operatøren for den deriverte. Likningen blir da:
Ved å erstatte definisjonen av akselerasjon kan den algebraiske versjon av Newtons andre lov avledes:
Newton formulerte aldri eksplisitt formelen i sin redusert form som ovenfor. Med forhold der kraft og hastighet virker i samme retning kan formelen forenkles slik: