Центропетална срещу центробежна сила: Каква е разликата и защо това има значение

Центробежната сила и центробежната сила са два термина, които студентите по физика често бъркат или разбират погрешно.

Типично погрешно схващане е, че центростремителната сила е насочена към центъра на кръговата пътека на обекта, докато центробежната сила е насочена навън, сякаш двамата действат в противоположни посоки. Само едно от тях обаче всъщност е истински сила!

Единствената сила, предизвикваща кръговото движение на обекта, е центробежна сила, който винаги е насочен към центъра на кръговата пътека. Например, ако една кола заобикаля завоя, центростремителната сила, която я кара да се движи по крива, а не по права линия, е насочена по радиуса на кръга, който автомобилът очертава.

• Центробежната сила е фиктивна сила, което означава, че е не реална сила. Центробежна сила е истински.

Центробежна сила, от друга страна, не съществува. Подобно на потоковия кондензатор "Back to the Future's", терминът е измислен, за да помогне да се опише нещо въображаемо, макар и въз основа на някои реални наблюдения. Ефектите от придвижването в кръг са склонни да накарат обекта да се чувства така, сякаш "лети" навън, а идеята за

Когато колата прави труден завой наляво, пътниците могат да се почувстват "хвърлени" вдясно от колата. Или в долната част на бримка на влакче в увеселителен парк, ездачите може да се почувстват бутнати на местата си.

Тези чувства са резултат от инерция; въпреки това, не сила (макар че тя може да бъде посочена като привидна сила). Инерцията описва тенденцията на обекта да се противопоставя на промените в своето движение, както е описано от Първия закон на Нютон, Закона за инерцията.

Когато колата поеме внезапно, или влакчето увеселителен парк направи своето потапяне, човешките тела вътре вече се движат с известна скорост в определена посока. Според Закона за инерцията първоначално тези органи противопоставям се променяйки скоростите си.

Пътниците все още се движат напред в космоса, когато колата започва рязко да се движи наляво - така че вместо да бъде „хвърлена надясно“, колата всъщност е блъскайки се в тях отляво, когато изведнъж се движи. След като телата им настигнат и започнат също да се движат наляво, усещането за трясък приключва.

По същия начин в американските влакчета телата все още се движат надолу, когато увеселителен парк започне да ги бута нагоре. Докато телата им настигнат, за да съответстват на новата скорост на увеселителен парк, те се чувстват сякаш са хвърлени срещу външната страна на каруците. Телата им все още се движат към каруците, както каруците сега се движат към телата им.

Центропеталната сила е само част от рецептата за принуждаване на нещо да се движи в кръг. Другата съставка е линейна скорост. Обектът трябва да се движи, когато центростремителна сила действа под прав ъгъл спрямо неговото движение, за да се движи в кръг.

Помислете за топка в края на низ. За да го накара човек да се върти около главата си, първо трябва да го хвърли с някакъв хоризонтален компонент (с други думи, не директно в себе си или далеч от него). Човекът опъва струната и топката започва да ги обикаля, вместо да излита навън.

Две неща трябва да продължават да се случват, за да може топката на въжето да се върти: Човекът трябва да продължава да дърпа опънатото въже (като го дърпа), и те трябва да продължават да добавят леки хоризонтални побутвания, за да поддържат линейното движение на топката, което иначе би забавило триенето с въздуха. (В космоса обаче човекът би го направил само трябва да дръпнете въжето, тъй като топката няма да загуби линейната си скорост, докато се върти във вакуум.)

Ако топката не се движеше и човекът опъна въжето, то просто щеше да се придвижи навътре към човека, а не към кръг. Ако топката се движеше директно от човека и те дръпнаха въжето, първо топката щеше да се забави, след това да смени посоката и да се върне обратно към човека, отново не кръг.

В тези случаи дори няма смисъл да наричаме силата, предавана през въжето, центростремителна сила. Това е просто приложена сила на напрежение върху топката.

Думата центростремителна е просто начин да се опише всяка сила, действаща перпендикулярно на линейната скорост на обекта. Много видове обекти или взаимодействия могат да осигурят центростремителни сили.

Например, както вече споменахме, въже, въртящо се в кръг, осигурява центростремителна сила на обект, завързан в края му. Автомобил, който се обръща в завой, изпитва центростремителна сила от триенето между гумите и пътя. Сателит в орбита продължава да се движи в кръг поради гравитационната сила, осигуряваща центростремителна сила към центъра на Земята.

Във всеки от тези случаи, ако източникът на центростремителната сила бъде премахнат внезапно, въжето, триенето или гравитацията, обектът ще спре да се движи в кръг. По-конкретно, той ще излети по допирателна към този кръг с каквато и да е линейна скорост.

Тъй като центростремителната сила е насочена към центъра на кръговата пътека на обекта и центробежната сила не съществува, за да му противодейства, обектът, който се движи по извита пътека, трябва да изпитва a нетна сила към центъра на кръга.

От втория закон на Нютон, F = ma, от това следва, че нетна сила предизвиква ускорение. Всъщност, всяко движение в кръг има ускорение, което се нарича центростремително ускорение, към центъра на кръга.

Това може да изглежда противоинтуитивно, като се има предвид, че ускорението означава променяща се скорост, но много неща се движат в кръг с очевидно постоянна скорост.

Тук е полезно да си припомним, че скоростта е вектор, както с величина, така и с посока, и промяната на който и да е от тях води до нова скорост. Докато обектът се движи в кръг, както линейната му скорост, така и центростремителното ускорение непрекъснато променят посоката си; във всяка точка по пътя стрелките за всеки вектор ще бъдат обърнати по различен начин, отколкото във всяка друга точка по пътя.

Така обектът продължава да пътува по същата скорост но с постоянно променяща се посока. Физиците описват това като равномерно кръгово движение.

Тъй като центростремителната сила винаги е перпендикулярна на линейната скорост на обекта, тя описва радиуса на кръговата пътека на обекта. Следователно, колкото по-голяма е центростремителната сила, толкова по-твърд е „влекачът“ навътре, толкова по-стегнат или по-малък ще бъде кръгът и колкото по-разхлабена е центростремителната сила, толкова по-голяма ще бъде кръговата пътека.

Това може да има смисъл интуитивно: Издърпване на въжето, задържащо топката, или извършване на крива на a лепкава повърхност с по-голямо триене, отколкото върху гладка, като лед, и двете ще доведат до по-малък кръг движения. Само не забравяйте, че във всяка ситуация единствената сила, предизвикваща кръговото движение, е вътрешна, центростремителна сила. Никоя центробежна сила никога не изтласква обект „навън“ в кръг.