5.6: De derde wet van Newton

We hebben tot nu toe kracht beschouwd als een duwende of een trekkende kracht; maar als je erover nadenkt, besef je dat geen enkel duw- of trekkracht op zichzelf staat. Als je op een muur duwt, duwt de muur op jou terug. Dit brengt ons bij de derde wet van Newton.

De derde wet van Newton vertegenwoordigt een zekere symmetrie in de natuur: Krachten komen altijd in paren voor, en een lichaam kan geen kracht uitoefenen op een ander lichaam zonder zelf een kracht te ondervinden. We noemen deze wet soms losjes “actie-reactie”, waarbij de uitgeoefende kracht de actie is en de als gevolg daarvan ondervonden kracht de reactie. De derde wet van Newton heeft praktische toepassingen bij het analyseren van de oorsprong van krachten en het begrijpen welke krachten extern zijn aan een systeem.

We kunnen de derde wet van Newton gemakkelijk aan het werk zien door te kijken naar hoe mensen zich voortbewegen. Neem een zwemster die zich van de kant van een zwembad afduwt (figuur). Ze duwt met haar voeten tegen de wand van het zwembad en versnelt in de richting tegengesteld aan die van haar duwbeweging. De muur heeft een gelijke en tegengestelde kracht uitgeoefend op de zwemmer. Je zou denken dat twee gelijke en tegengestelde krachten elkaar opheffen, maar dat doen ze niet omdat ze op verschillende systemen werken. In dit geval zijn er twee systemen die we kunnen onderzoeken: de zwemmer en de muur. Als we de zwemmer als het te onderzoeken systeem kiezen, zoals in de figuur, dan is Fwall op de voeten een externe kracht op dit systeem en beïnvloedt zijn beweging. De zwemmer beweegt in de richting van deze kracht. Daarentegen werkt de kracht Ffeet op muur op de muur, niet op ons systeem van belang. Ffeet op de muur heeft dus geen directe invloed op de beweging van het systeem en heft Fwall op de voeten niet op. De zwemmer duwt in de richting tegengesteld aan die waarin zij wenst te bewegen. De reactie op haar duw is dus in de gewenste richting. In een vrij-lichaam diagram, zoals dat in figuur 1, nemen we nooit beide krachten van een actie-reactie paar op; in dit geval gebruiken we alleen Fwall op voeten, en niet Ffeet op muur.

Andere voorbeelden van de derde wet van Newton zijn gemakkelijk te vinden:

• Als een professor voor een whiteboard loopt, oefent hij een kracht achterwaarts op de vloer uit. De vloer oefent een reactiekracht voorwaarts uit op de professor, waardoor hij voorwaarts versnelt.
• Een auto versnelt voorwaarts omdat de grond voorwaarts op de aandrijfwielen duwt, als reactie op het feit dat de aandrijfwielen achterwaarts op de grond duwen. Je kunt het bewijs van het naar achteren duwen van de wielen zien als de banden op een grindweg spinnen en de stenen naar achteren gooien.
• Raketten gaan vooruit door met hoge snelheid gas naar achteren te stoten. Dit betekent dat de raket een grote achterwaartse kracht uitoefent op het gas in de verbrandingskamer van de raket; daardoor oefent het gas een grote reactiekracht voorwaarts uit op de raket. Deze reactiekracht, die een lichaam naar voren duwt in reactie op een achterwaartse kracht, wordt stuwkracht genoemd. Het is een veel voorkomende misvatting dat raketten zichzelf voortbewegen door op de grond of op de lucht achter hen te duwen. In feite werken ze beter in een vacuüm, waar ze de uitlaatgassen gemakkelijker kunnen uitstoten.
• Helikopters creëren lift door lucht naar beneden te duwen, waardoor ze een opwaartse reactiekracht ondervinden.
• Vogels en vliegtuigen vliegen ook door kracht uit te oefenen op de lucht in een richting tegengesteld aan die van de kracht die ze nodig hebben. Bijvoorbeeld, de vleugels van een vogel dwingen lucht naar beneden en naar achteren om lift te krijgen en vooruit te gaan.
• Een octopus drijft zichzelf in het water voort door water door een trechter uit zijn lichaam te stoten, vergelijkbaar met een jetski.
• Wanneer een persoon zich aan een verticaal touw naar beneden trekt, trekt het touw zich aan de persoon omhoog (figuur