Centripetal vs Centrifugal Force: Hvad er forskellen og hvorfor det betyder?

Centripetal kraft og centrifugalkraft er to udtryk, som fysikstuderende ofte forveksler eller misforstår.

En typisk misforståelse er, at centripetal kraft er rettet mod centrum af en genstands cirkulære sti, mens centrifugalkraft er rettet udad, som om de to virker i modsatte retninger. Imidlertid er kun en af ​​disse faktisk en ægte kraft!

Den eneste kraft, der forårsager et objekts cirkulære bevægelse, er centripetal kraft, som altid er rettet mod centrum af den cirkulære sti. Hvis en bil f.eks. Afrunder en bøjning, er den centripetale kraft, der får den til at bevæge sig i en kurve snarere end en lige linje, rettet langs cirkelens radius, som bilen sporer ud.

• Centrifugalkraft er en fiktiv kraft, hvilket betyder, at den er ikke en reel styrke. Centripetal kraft er ægte.

Centrifugal kraft, på den anden side, eksisterer ikke. Ligesom "Back to the Future's" flux-kondensator blev udtrykket opfundet for at hjælpe med at beskrive noget imaginært, omend baseret på nogle reelle observationer. Virkningerne af at bevæge sig i en cirkel har en tendens til at få et objekt til at føle, at det "flyver" udad, og ideen om en

Når en bil drejer hårdt til venstre, kan passagerer føle sig "kastet" til højre for bilen. Eller i bunden af ​​en løkke på en rutsjebane kan ryttere føle sig skubbet ned i deres sæder.

Disse følelser er resultatet af inerti; imidlertid, ikke en styrke (selvom den kan kaldes en tilsyneladende kraft). Træghed beskriver tendensen hos et objekt til at modstå ændringer i dets bevægelse, som beskrevet i Newtons første lov, inertiloven.

Når bilen pludselig drejer, eller rutsjebanen springer, bevæger de menneskelige kroppe indeni sig allerede med en vis hastighed i en bestemt retning. I henhold til lov om inerti, disse organer oprindeligt modstå ændre deres hastighed.

Passagererne bevæger sig stadig fremad i rummet, når bilen begynder at gå brat til venstre - så i stedet for at blive "kastet til højre", er bilen faktisk kolliderer ind i dem fra venstre, når det pludselig bevæger sig. Når deres kroppe indhenter og også begynder at bevæge sig til venstre, slutter den sammenbrudende fornemmelse.

På samme måde i rutsjebanen bevæger ligene sig stadig nedad, når rutsjebanen begynder at skubbe opad på dem. Indtil deres kroppe indhenter for at matche den nye hastighed af dalbanen, føler de at de smides mod ydersiden af ​​vognene. Deres kroppe bevæger sig stadig mod vognene, når vognene nu bevæger sig mod deres kroppe.

Centripetal kraft er kun en del af opskriften til at få noget til at bevæge sig i en cirkel. Den anden ingrediens er lineær hastighed. Et objekt skal bevæge sig, når en centripetal kraft virker i en ret vinkel i forhold til dens bevægelse for at den kan bevæge sig i en cirkel.

Overvej en kugle i slutningen af ​​en streng. For at en person får det til at dreje rundt om hovedet, skal de først give det et kast med en vandret komponent (med andre ord ikke direkte ind i eller væk fra sig selv). Personen trækker strengen stramt, og bolden begynder at cirkulere dem snarere end at flyve ud.

To ting skal fortsætte med at ske for at bolden på rebet fortsætter med at dreje: Personen skal fortsætte med at trække rebet stramt (ved at trække det ind), og de skal fortsætte med at tilføje små vandrette skubber for at opretholde kuglens lineære bevægelse, som ellers ville bremse fra friktion med luften. (I rummet ville personen dog kun har brug for at trække i det lærte reb, da bolden ikke mister noget af sin lineære hastighed, mens det drejer i vakuum.)

Hvis bolden ikke bevægede sig, og personen trak rebet stramt, ville bolden bare bevæge sig indad mod personen, ikke en cirkel. Hvis bolden bevægede sig direkte ud fra personen, og de trak i rebet, ville bolden først blive langsommere og derefter ændre retning og bevæge sig tilbage mod personen, igen ikke en cirkel.

I disse tilfælde ville det ikke engang give mening at kalde den kraft, der transmitteres gennem rebet, en centripetal kraft. Det er simpelthen en anvendt spændingskraft på bolden.

Ordet centripetal er bare en måde at beskrive enhver kraft, der virker vinkelret på et objekts lineære hastighed. Mange typer objekter eller interaktioner kan give centripetale kræfter.

For eksempel, som allerede nævnt, giver et reb, der spinder i en cirkel, centripetalkraft til et objekt, der er bundet i enden af ​​det. En bil, der drejer rundt om en bøjning, oplever centripetalkraft fra friktionen mellem dens dæk og vejen. En satellit i kredsløb fortsætter med at bevæge sig i en cirkel på grund af tyngdekraften, der giver en centripetal kraft mod midten af ​​jorden.

I hvert af disse tilfælde, hvis kilden til centripetalkraften pludselig blev fjernet, rebet, friktionen eller tyngdekraften, ville objektet stoppe med at bevæge sig i en cirkel. Mere specifikt ville det flyve af med en tangens til den cirkel med den lineære hastighed, den havde.

Fordi centripetal kraft er rettet mod centrum af en genstands cirkulære sti og centrifugalkraft findes ikke for at modvirke det, genstanden, der bevæger sig i en buet sti, skal opleve en nettokraft mod midten af ​​cirklen.

Fra Newtons anden lov, F = ma, heraf følger, at en nettokraft forårsager en acceleration. Faktisk har alt, der bevæger sig i en cirkel, en acceleration, kaldet centripetal accelerationmod midten af ​​cirklen.

Dette kan virke kontraintuitivt i betragtning af at en acceleration betyder en skiftende hastighed, men alligevel bevæger sig mange ting i en cirkel med en tilsyneladende konstant hastighed.

Her hjælper det med at huske, at hastighed er en vektor med både en størrelse og en retning, og at ændre en af ​​disse resulterer i en ny hastighed. Når et objekt bevæger sig i en cirkel, ændrer både dets lineære hastighed og centripetalacceleration konstant retning; på et hvilket som helst punkt langs stien vil pilene for hver vektor vende en anden vej end på noget andet sted langs stien.

Så genstanden fortsætter med at rejse ved samme hastighed men med en konstant skiftende retning. Fysikere beskriver dette som ensartet cirkulær bevægelse.

Fordi centripetal kraft altid er vinkelret på et objekts lineære hastighed, beskriver det radius af objektets cirkelbane. Derfor er jo større centripetal kraft, jo hårdere "trækket" indad, jo strammere eller mindre vil cirklen være, og jo løsere den centripetale kraft, jo større vil den cirkulære sti være.

Dette kan være fornuftigt intuitivt: Træk ind i rebet, der holder bolden, eller tag en kurve på en klæbrig overflade med mere friktion end på en glat, som is, vil begge resultere i mindre cirkulære bevægelser. Bare husk, at i enhver situation er den eneste kraft, der forårsager den cirkulære bevægelse, en indad, centripetal kraft. Ingen centrifugalkraft skubber nogensinde et objekt "ud" i en cirkel.