Serie en parallel schakeling van krachten

Chris Riezebos

In figuur 1 a en b worden twee spieren getoond. De vraag is: welke van deze twee spieren kan de grootste kracht leveren? Studenten kiezen hierbij vaak voor spier a, omdat deze “groter is”.

Figuur 1.
a en b.           Lange en korte spier. De fysiologische doorsneden van beide spieren zijn gelijk.
d en e.           De spankracht F is in het korte en lange touw gelijk.
f.                     Bij twee parallel geschakelde touwen is de spankracht in ieder de helft.
g.                    Bij eenzelfde spankracht als in figuur 1d kan een tweemaal zo groot gewicht worden getild.

Dat is echter onjuist. Spier a is weliswaar langer dan spier b maar de fysiologische doorsnede van beide spieren is in dit voorbeeld even groot (figuur 1 c). Dit betekent dat het aantal parallel geschakelde spiervezels waaruit de spier is opgebouwd in beide gevallen gelijk is. Dat de kracht van een spier afhankelijk is van het aantal parallel geschakelde spiervezels en niet van de lengte van deze vezels kan worden verduidelijkt met behulp van figuur 1d t/m 1g.

Wanneer een gewicht aan een koord wordt gehangen is de spankracht (F) in ieder stukje van het touw even groot (figuur 1d). Ieder stukje touw staat hierbij in serie geschakeld met het volgende stukje. Wanneer we het touw twee keer zo lang maken, blijft de spankracht hierin even groot (figuur 1e) (we verwaarlozen het geringe eigen gewicht van het koord). Maar wanneer het gewicht wordt opgehangen aan twee parallel geschakelde koorden bedraagt de trekspanning in ieder koord nog maar de helft (figuur 1f). Of, omgekeerd, bij een twee keer zo groot gewicht (figuur 1g) is de trekspanning in ieder koord weer even groot als in figuur 1d en e.

Een voorbeeld uit het dagelijks leven van het verschil tussen in serie of parallel geschakelde krachten wordt gegeven in figuur 2.

Figuur 2. Serie en parallelschakeling van krachten. Verdere verklaring in de tekst.

Iemand probeert een auto aan te duwen (figuur 2a). Zijn buurman besluit hem te helpen en doet dat door tegen de rug te duwen van de voorste persoon (figuur 2b). De krachten van beide personen staan hierbij in serie. Wanneer de achterste hierbij harder duwt dan de elleboog- en schouderspieren van de voorste aan kunnen, duwt de achterste de voorste plat tegen de auto (figuur 2c). Effectiever is het wanneer de achterste persoon zelf ook tegen de auto duwt (figuur 2d). De krachten staan nu, net als het voorbeeld in figuur 1f, parallel, de krachten kunnen worden opgeteld en beide personen kunnen met volle kracht de klus klaren.