Zentripetal vs. Zentrifugalkraft: Was ist der Unterschied und warum es wichtig ist

Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft sind zwei Begriffe, die Physikstudenten häufig verwechseln oder missverstehen.

Ein typisches Missverständnis ist, dass die Zentripetalkraft auf das Zentrum der Kreisbahn eines Objekts gerichtet ist, während die Zentrifugalkraft nach außen gerichtet ist, als ob die beiden in entgegengesetzte Richtungen wirken. Allerdings ist nur einer davon tatsächlich a Real Macht!

Die einzige Kraft, die die Kreisbewegung eines Objekts verursacht, ist Zentripetalkraft, die immer zum Mittelpunkt der Kreisbahn gerichtet ist. Wenn ein Auto beispielsweise eine Kurve umrundet, wird die Zentripetalkraft, die es in einer Kurve statt einer geraden Linie bewegt, entlang des Radius des Kreises gerichtet, dem das Auto folgt.

• Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive Kraft, das heißt, sie ist keine wirkliche Kraft. Zentripetalkraft ist echt.

Zentrifugalkraft, andererseits, ist nicht vorhanden. Wie der Flusskondensator von "Zurück in die Zukunft" wurde der Begriff erfunden, um etwas Imaginäres zu beschreiben, obwohl es auf einigen realen Beobachtungen basiert. Die Auswirkungen der Bewegung in einem Kreis neigen dazu, einem Objekt das Gefühl zu geben, dass es nach außen "fliegt", und die Idee einer

Wenn ein Auto eine harte Linkskurve macht, können sich die Passagiere nach rechts vom Auto "geschleudert" fühlen. Oder am Ende einer Schleife auf einer Achterbahn fühlen sich die Fahrer möglicherweise in ihre Sitze gedrückt.

Diese Gefühle sind das Ergebnis von Trägheit; jedoch, nicht eine Kraft (obwohl sie als an. bezeichnet werden kann) Scheinkraft). Trägheit beschreibt die Tendenz eines Objekts, Veränderungen in seiner Bewegung zu widerstehen, wie es durch Newtons Erstes Gesetz, das Trägheitsgesetz, beschrieben wird.

Wenn das Auto eine plötzliche Wendung nimmt oder die Achterbahn eintaucht, bewegen sich die menschlichen Körper im Inneren bereits mit einer gewissen Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung. Nach dem Trägheitsgesetz sind diese Körper zunächst widerstehen ihre Geschwindigkeiten ändern.

Die Passagiere bewegen sich immer noch im Raum vorwärts, als das Auto abrupt anfängt, nach links zu fahren - also anstatt "nach rechts geworfen" zu werden, ist das Auto tatsächlich von links in sie krachen, während es sich plötzlich bewegt. Sobald ihre Körper aufholen und sich ebenfalls nach links bewegen, endet das krachende Gefühl.

In ähnlicher Weise bewegen sich die Körper bei der Achterbahn noch nach unten, wenn die Achterbahn beginnt, sie nach oben zu drücken. Bis ihre Körper die neue Geschwindigkeit der Achterbahn einholen, haben sie das Gefühl, gegen die Außenseite der Karren geschleudert zu werden. Ihre Körper bewegen sich immer noch auf die Karren zu, während sich die Karren jetzt auf ihre Körper zubewegen.

Die Zentripetalkraft ist nur ein Teil des Rezepts, um etwas in einem Kreis zu bewegen. Die andere Zutat ist Lineargeschwindigkeit. Ein Objekt muss sich bewegen, wenn eine Zentripetalkraft im rechten Winkel zu seiner Bewegung wirkt, damit es sich im Kreis bewegen kann.

Betrachten Sie eine Kugel am Ende einer Schnur. Damit eine Person es um den Kopf drehen kann, muss sie es zuerst mit einer horizontalen Komponente werfen (mit anderen Worten, nicht direkt in oder von sich weg). Die Person zieht die Schnur straff und der Ball beginnt, sie zu umkreisen, anstatt herauszufliegen.

Damit sich der Ball am Seil weiter dreht, müssen zwei Dinge passieren: Die Person muss das Seil weiter straff ziehen (durch Einziehen), und Sie müssen immer wieder leichte horizontale Stöße hinzufügen, um die lineare Bewegung des Balls aufrechtzuerhalten, die ansonsten durch die Reibung mit der Luft verlangsamt würde. (Im Weltraum würde die Person jedoch nur muss das gelehrte Seil ziehen, da der Ball beim Drehen im Vakuum nichts von seiner Lineargeschwindigkeit verlieren würde.)

Wenn sich der Ball nicht bewegte und die Person das Seil straff zog, bewegte sich der Ball nur nach innen auf die Person zu, kein Kreis. Wenn sich der Ball direkt aus der Person heraus bewegt und sie am Seil gezogen haben, würde der Ball zuerst verlangsamen, dann die Richtung ändern und sich wieder auf die Person zubewegen, wieder kein Kreis.

In diesen Fällen wäre es nicht einmal sinnvoll, die durch das Seil übertragene Kraft als Zentripetalkraft zu bezeichnen. Es ist einfach eine ausgeübte Zugkraft auf den Ball.

Das Wort zentripetal ist nur eine Möglichkeit, jede Kraft zu beschreiben, die senkrecht zur Lineargeschwindigkeit eines Objekts wirkt. Viele Arten von Objekten oder Wechselwirkungen können Zentripetalkräfte bereitstellen.

Zum Beispiel, wie bereits erwähnt, übt ein sich im Kreis drehendes Seil Zentripetalkraft auf einen an dessen Ende gebundenen Gegenstand aus. Ein Auto, das um eine Kurve fährt, erfährt durch die Reibung zwischen seinen Reifen und der Straße eine Zentripetalkraft. Ein Satellit im Orbit bewegt sich aufgrund der Gravitationskraft, die eine Zentripetalkraft in Richtung Erdmittelpunkt erzeugt, weiterhin im Kreis.

In jedem dieser Fälle würde das Objekt aufhören, sich im Kreis zu bewegen, wenn die Quelle der Zentripetalkraft plötzlich entfernt würde, das Seil, die Reibung oder die Schwerkraft. Genauer gesagt würde es mit jeder Lineargeschwindigkeit, die es hatte, tangential zu diesem Kreis fliegen.

Da die Zentripetalkraft auf das Zentrum der Kreisbahn eines Objekts und die Zentrifugalkraft gerichtet ist existiert nicht, um dem entgegenzuwirken, muss das Objekt, das sich auf einer gekrümmten Bahn bewegt, a Nettokraft in Richtung Kreismitte.

Aus dem zweiten Newtonschen Gesetz F = ma, Daraus folgt, dass eine Nettokraft eine Beschleunigung verursacht. Tatsächlich hat alles, was sich im Kreis bewegt, eine Beschleunigung, die als. bezeichnet wird Zentripetalbeschleunigung, zum Mittelpunkt des Kreises.

Dies mag kontraintuitiv erscheinen, wenn man bedenkt, dass eine Beschleunigung eine sich ändernde Geschwindigkeit bedeutet, sich jedoch viele Dinge mit einer scheinbar konstanten Geschwindigkeit im Kreis bewegen.

Hier ist es hilfreich, sich daran zu erinnern, dass die Geschwindigkeit ein Vektor mit sowohl einer Größe als auch einer Richtung ist, und eine Änderung eines dieser Werte eine neue Geschwindigkeit ergibt. Wenn sich ein Objekt im Kreis bewegt, ändern sowohl seine lineare Geschwindigkeit als auch seine Zentripetalbeschleunigung ständig die Richtung; An jedem Punkt des Pfads zeigen die Pfeile für jeden Vektor anders als an jedem anderen Punkt entlang des Pfads.

Das Objekt reist also weiter am gleiche Geschwindigkeit aber mit ständig wechselnder Richtung. Physiker beschreiben dies als gleichförmige Kreisbewegung.

Da die Zentripetalkraft immer senkrecht zur Lineargeschwindigkeit eines Objekts steht, beschreibt sie den Radius der Kreisbahn des Objekts. Je größer die Zentripetalkraft, desto härter der "Zug" nach innen, desto enger oder kleiner wird der Kreis, und je lockerer die Zentripetalkraft, desto größer wird die Kreisbahn.

Dies kann intuitiv sinnvoll sein: An dem Seil, das den Ball hält, einziehen oder eine Kurve auf einem klebrige Oberfläche mit mehr Reibung als auf einer glatten, wie Eis, führt zu kleineren Kreisen Bewegungen. Denken Sie daran, dass in jeder Situation die einzige Kraft, die die Kreisbewegung verursacht, eine nach innen gerichtete, zentripetale Kraft. Keine Zentrifugalkraft drückt jemals ein Objekt in einen Kreis "heraus".