قوة الجاذبية المركزية مقابل قوة الطرد المركزي: ما الفرق ولماذا هي مهمة

قوة الجاذبية المركزية وقوة الطرد المركزي هما مصطلحان يخلط بينهما طلاب الفيزياء أو يسيئون فهمهما.

من المفاهيم الخاطئة النموذجية أن قوة الجاذبية المركزية يتم توجيهها نحو مركز المسار الدائري لجسم ما ، بينما يتم توجيه قوة الطرد المركزي إلى الخارج ، كما لو كان الاثنان يعملان في اتجاهين متعاكسين. ومع ذلك ، واحد فقط من هؤلاء هو في الواقع ملف حقيقة فرض!

القوة الوحيدة التي تسبب الحركة الدائرية للجسم هي قوة الجاذبية، والتي يتم توجيهها دائمًا نحو مركز المسار الدائري. إذا كانت السيارة تدور حول منعطف ، على سبيل المثال ، فإن قوة الجاذبية المركزية التي تجعلها تتحرك في منحنى بدلاً من خط مستقيم يتم توجيهها على طول نصف قطر الدائرة التي تتبعها السيارة.

• قوة الطرد المركزي هي قوة وهمية ، وهذا يعني أنها كذلك ليست قوة حقيقية. قوة الجاذبية انه حقيقي.

قوة الطرد المركزي، من ناحية أخرى، غير موجود. مثل مكثف التدفق "Back to the Future" ، تم اختراع المصطلح للمساعدة في وصف شيء وهمي ، وإن كان بناءً على بعض الملاحظات الحقيقية. تميل تأثيرات التحرك في دائرة إلى جعل الجسم يشعر وكأنه "يطير" إلى الخارج ، وفكرة

عندما تنعطف السيارة بشدة إلى اليسار ، قد يشعر الركاب "بالإلقاء" على يمين السيارة. أو في الجزء السفلي من حلقة على الأفعوانية ، قد يشعر الراكبون بالضغط على مقاعدهم.

هذه المشاعر هي نتيجة التعطيل؛ ومع ذلك، ليس قوة (على الرغم من أنه قد يشار إليها باسم القوة الواضحة). يصف القصور الذاتي ميل الشيء إلى مقاومة التغيرات في حركته ، كما هو موصوف في قانون نيوتن الأول ، قانون القصور الذاتي.

عندما تأخذ السيارة منعطفًا مفاجئًا ، أو عندما تغطس الأفعوانية ، فإن الأجسام البشرية الموجودة بداخلها تتحرك بالفعل ببعض السرعة في اتجاه معين. وفقا لقانون القصور الذاتي ، هذه الهيئات في البداية يقاوم تغيير سرعاتهم.

لا يزال الركاب يتحركون إلى الأمام في الفضاء عندما تبدأ السيارة في التحرك يسارًا بشكل مفاجئ - لذا فبدلاً من "إلقاءها على اليمين" ، تكون السيارة في الواقع اصطدمت بهم من اليسار وهي تتحرك فجأة. بمجرد أن تلتقط أجسادهم وتبدأ في التحرك إلى اليسار أيضًا ، ينتهي الإحساس بالانهيار.

وبالمثل في الأفعوانية ، لا تزال الأجسام تتحرك نحو الأسفل عندما تبدأ السفينة في الدفع لأعلى. إلى أن تلحق أجسادهم بالسرعة الجديدة للكوستر ، فإنهم يشعرون وكأنهم يتم إلقاؤهم على السطح الخارجي للعربات. لا تزال أجسادهم تتحرك نحو العربات حيث تتحرك العربات الآن نحو أجسادهم.

قوة الجاذبية المركزية ليست سوى جزء من الوصفة لتحريك شيء ما في دائرة. المكون الآخر هو السرعة الخطية. يجب أن يتحرك الجسم عندما تعمل قوة الجاذبية بزاوية قائمة على حركته حتى يتحرك في دائرة.

ضع في اعتبارك كرة في نهاية الخيط. لكي يدور الشخص حول رأسه ، يجب عليه أولاً أن يعطيه بعض المكونات الأفقية (بمعنى آخر ، ليس مباشرة داخل نفسه أو بعيدًا عنه). يشد الشخص الخيط ، وتبدأ الكرة في الدوران حولهما بدلاً من الطيران للخارج.

يجب أن يستمر شيئين في الحدوث حتى تستمر الكرة على الحبل في الدوران: يجب أن يستمر الشخص في شد الحبل مشدودًا (عن طريق شد الحبل) ، و يجب أن يستمروا في إضافة دفعات أفقية طفيفة للحفاظ على الحركة الخطية للكرة ، والتي من شأنها أن تبطئ من الاحتكاك مع الهواء. (في الفضاء ، ومع ذلك ، فإن الشخص فقط بحاجة إلى سحب الحبل ، لأن الكرة لن تفقد أيًا من سرعتها الخطية أثناء الدوران في الفراغ.)

إذا كانت الكرة لا تتحرك وقام الشخص بشد الحبل ، فإن الكرة ستتحرك للداخل فقط تجاه الشخص ، وليس دائرة. إذا كانت الكرة تتحرك مباشرة خارج الشخص ، وقاموا بسحب الحبل ، فإن الكرة ستتباطأ أولاً ، ثم تغير اتجاهها وتتحرك مرة أخرى نحو الشخص ، وليس دائرة.

في هذه الحالات ، لن يكون من المنطقي حتى تسمية القوة المنقولة عبر الحبل بأنها قوة جاذبة. إنها ببساطة قوة توتر مطبقة على الكرة.

الكلمة دائري هي مجرد طريقة لوصف أي قوة تعمل بشكل عمودي على السرعة الخطية لجسم ما. يمكن أن توفر أنواع كثيرة من الكائنات أو التفاعلات قوى الجاذبية.

على سبيل المثال ، كما ذكرنا سابقًا ، فإن الحبل الذي يدور في دائرة يوفر قوة الجاذبية لجسم مرتبط في نهايته. تتعرض السيارة التي تدور حول منعطف لقوة جاذبية مركزية من الاحتكاك بين إطاراتها والطريق. يستمر القمر الصناعي في المدار في التحرك في دائرة بسبب قوة الجاذبية التي توفر قوة الجاذبية تجاه مركز الأرض.

في كل حالة من هذه الحالات ، إذا تمت إزالة مصدر قوة الجاذبية فجأة ، فإن الحبل أو الاحتكاك أو الجاذبية سيتوقف الجسم عن الحركة في دائرة. وبشكل أكثر تحديدًا ، ستطير في مماس لتلك الدائرة مهما كانت سرعتها الخطية.

لأن قوة الجاذبية المركزية موجهة نحو مركز المسار الدائري لجسم ما وقوة الطرد المركزي غير موجود لمواجهته، يجب أن يكون الكائن المتحرك في مسار منحني يعاني من أ صافي القوة باتجاه مركز الدائرة.

من قانون نيوتن الثاني ، F = أماه ، ويترتب على ذلك أن القوة الكلية تسبب التسارع. في الواقع ، أي شيء يتحرك في دائرة له تسارع ، يشار إليه باسم تسارع الجاذبيةباتجاه مركز الدائرة.

قد يبدو هذا غير بديهي ، بالنظر إلى أن التسارع يعني سرعة متغيرة ، ومع ذلك فإن الكثير من الأشياء تتحرك في دائرة بمعدل ثابت على ما يبدو.

من المفيد هنا أن نتذكر أن السرعة عبارة عن متجه ، له مقدار واتجاه ، وتغيير أي منهما يؤدي إلى سرعة جديدة. عندما يتحرك الجسم في دائرة ، فإن كل من سرعته الخطية وتسارع الجاذبية يغيران اتجاههما باستمرار ؛ في أي نقطة على طول المسار ، ستواجه الأسهم لكل متجه طريقة مختلفة عن أي نقطة أخرى على طول المسار.

لذلك يستمر الجسم في التحرك عند نفس السرعة ولكن مع اتجاه متغير باستمرار. يصف الفيزيائيون هذا بأنه الحركة الدائرية المنتظمة.

نظرًا لأن قوة الجاذبية المركزية دائمًا متعامدة مع السرعة الخطية لجسم ما ، فإنها تصف نصف قطر المسار الدائري للجسم. لذلك ، كلما زادت قوة الجاذبية المركزية ، زادت صعوبة "السحب" إلى الداخل ، وكلما كانت الدائرة أكثر إحكامًا أو أصغر ، وكلما كانت قوة الجاذبية المركزية أقل ، كلما كان المسار الدائري أكبر.

قد يكون هذا منطقيًا بشكل بديهي: سحب الحبل الذي يحمل الكرة ، أو أخذ منحنى على a السطح اللزج مع الاحتكاك أكثر من السطح الزلق ، مثل الجليد ، سينتج عنهما دائري أصغر الاقتراحات. فقط تذكر أنه في أي حالة تكون القوة الوحيدة التي تسبب الحركة الدائرية هي الداخل ، قوة الجاذبية. لا توجد قوة طرد مركزي تدفع شيئًا "للخارج" إلى دائرة.