Centripetal vs Centrifugal Force: Ποια είναι η διαφορά και γιατί έχει σημασία

Η φυγοκεντρική δύναμη και η φυγοκεντρική δύναμη είναι δύο όροι που οι μαθητές φυσικής συνήθως συγχέουν ή παρεξηγούν.

Μια τυπική λανθασμένη αντίληψη είναι ότι η κεντρομόλος δύναμη κατευθύνεται προς το κέντρο της κυκλικής διαδρομής ενός αντικειμένου, ενώ η φυγοκεντρική δύναμη κατευθύνεται προς τα έξω, σαν να ενεργούν οι δύο σε αντίθετες κατευθύνσεις. Ωστόσο, μόνο ένα από αυτά είναι στην πραγματικότητα ένα πραγματικός δύναμη!

Η μόνη δύναμη που προκαλεί την κυκλική κίνηση ενός αντικειμένου είναι κεντρομόλος δύναμη, που κατευθύνεται πάντα προς το κέντρο της κυκλικής διαδρομής. Εάν ένα αυτοκίνητο στρογγυλεύει μια στροφή, για παράδειγμα, η κεντρομόλη δύναμη που το κάνει να κινείται σε μια καμπύλη και όχι μια ευθεία γραμμή κατευθύνεται κατά μήκος της ακτίνας του κύκλου που το αυτοκίνητο εντοπίζει.

• Η φυγοκεντρική δύναμη είναι μια πλασματική δύναμη, που σημαίνει ότι είναι όχι μια πραγματική δύναμη. Κεντρομόλος δύναμη είναι αληθινό.

Φυγόκεντρος δύναμη, αφ 'ετέρου,

Όταν ένα αυτοκίνητο κάνει μια στροφή αριστερά, οι επιβάτες μπορεί να αισθάνονται "πεταμένοι" στα δεξιά του αυτοκινήτου. Ή στο κάτω μέρος ενός βρόχου σε ένα λούνα παρκ, οι αναβάτες μπορεί να αισθάνονται πιεσμένοι στα καθίσματα τους.

Αυτά τα συναισθήματα είναι το αποτέλεσμα του αδράνεια; ωστόσο, δεν μια δύναμη (αν και μπορεί να αναφέρεται ως φαινομενική δύναμη). Η αδράνεια περιγράφει την τάση ενός αντικειμένου να αντιστέκεται στις αλλαγές στην κίνησή του, όπως περιγράφεται από τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα, τον νόμο της αδράνειας.

Όταν το αυτοκίνητο πάρει μια ξαφνική στροφή, ή το τρενάκι του λούνα παρκ, το ανθρώπινο σώμα μέσα κινείται ήδη με κάποια ταχύτητα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Σύμφωνα με το νόμο της αδράνειας, αυτοί οι οργανισμοί αρχικά αντιστέκομαι αλλάζοντας τις ταχύτητές τους.

Οι επιβάτες κινούνται ακόμα μπροστά στο διάστημα όταν το αυτοκίνητο αρχίζει να πηγαίνει απότομα αριστερά - έτσι αντί να "ρίχνονται δεξιά", το αυτοκίνητο είναι στην πραγματικότητα συντρίβει από τα αριστερά καθώς κινείται ξαφνικά. Μόλις πιάσουν το σώμα τους και αρχίσουν να κινούνται προς τα αριστερά, η αίσθηση συντριβής τελειώνει.

Ομοίως, στον τρενάκι του λούνα παρκ, τα σώματα κινούνται ακόμα προς τα κάτω όταν το τρενάκι αρχίζει να σπρώχνει προς τα πάνω. Μέχρι να φτάσουν τα σώματά τους ώστε να ταιριάζουν με τη νέα ταχύτητα του λούνα παρκ, αισθάνονται ότι ρίχνονται στο εξωτερικό των καροτσιών. Τα σώματά τους κινούνται ακόμα προς τα καροτσάκια καθώς τα καροτσάκια κινούνται τώρα προς το σώμα τους.

Η κεντρική δύναμη είναι μόνο μέρος της συνταγής για να κινηθεί κάτι σε κύκλο. Το άλλο συστατικό είναι γραμμική ταχύτητα. Ένα αντικείμενο πρέπει να κινείται όταν μια κεντρομόλος δύναμη δρα σε ορθή γωνία προς την κίνησή του για να κινείται σε κύκλο.

Σκεφτείτε μια μπάλα στο τέλος μιας χορδής. Για να το κάνει ένα άτομο να περιστρέφεται γύρω από το κεφάλι του, πρέπει πρώτα να το ρίξει με κάποιο οριζόντιο στοιχείο (με άλλα λόγια, όχι άμεσα ή μακριά από τον εαυτό τους) Το άτομο τραβάει τη χορδή τεντωμένη, και η μπάλα αρχίζει να τις περιβάλλει παρά να πετάει έξω.

Δύο πράγματα πρέπει να συνεχίσουν να συμβαίνουν για να συνεχίσει να περιστρέφεται η μπάλα στο σχοινί: Το άτομο πρέπει να τραβά το σχοινί τεντωμένο (τραβώντας το), και Πρέπει να συνεχίσουν να προσθέτουν ελαφρά οριζόντια ώθηση για να διατηρήσουν τη γραμμική κίνηση της μπάλας, η οποία διαφορετικά θα επιβραδύνει από την τριβή με τον αέρα. (Στο διάστημα, ωστόσο, το άτομο θα το έκανε μόνο πρέπει να τραβήξετε το σχοινί που διδάχθηκε, καθώς η μπάλα δεν θα χάσει καμία από τις γραμμικές ταχύτητές της ενώ περιστρέφεται σε κενό.)

Εάν η μπάλα δεν κινούνταν και το άτομο τράβηξε το σχοινί τεντωμένο, η μπάλα θα κινήθηκε προς τα μέσα προς το άτομο και όχι κύκλο. Εάν η μπάλα κινείται κατευθείαν έξω από το άτομο, και τραβούν το σχοινί, πρώτα η μπάλα θα επιβραδύνεται, μετά θα αλλάζει κατεύθυνση και θα κινείται προς τα πίσω προς το άτομο, και πάλι όχι κύκλο.

Σε αυτές τις περιπτώσεις, δεν θα είχε κανένα νόημα να ονομάσουμε τη δύναμη που μεταδίδεται μέσω του σχοινιού μια κεντρομόλη δύναμη. Είναι απλά μια εφαρμοζόμενη δύναμη έντασης στην μπάλα.

Η λέξη κεντρομόλος είναι απλώς ένας τρόπος για να περιγράψουμε οποιαδήποτε δύναμη ενεργεί κάθετη στη γραμμική ταχύτητα ενός αντικειμένου. Πολλοί τύποι αντικειμένων ή αλληλεπιδράσεων μπορούν να παρέχουν κεντρομόνες δυνάμεις.

Για παράδειγμα, όπως ήδη αναφέρθηκε, ένα σχοινί που περιστρέφεται σε κύκλο παρέχει κεντρομόλο δύναμη σε ένα αντικείμενο δεμένο στο άκρο του. Ένα αυτοκίνητο που στρίβει σε μια στροφή βιώνει κεντρομόλο δύναμη από την τριβή μεταξύ των ελαστικών του και του δρόμου. Ένας δορυφόρος σε τροχιά συνεχίζει να κινείται σε κύκλο λόγω της βαρυτικής δύναμης που παρέχει μια κεντρομόλη δύναμη προς το κέντρο της Γης.

Σε καθεμία από αυτές τις περιπτώσεις, εάν η πηγή της κεντρομόλης δύναμης αφαιρέθηκε ξαφνικά, το σχοινί, η τριβή ή η βαρύτητα, το αντικείμενο θα σταματούσε να κινείται σε κύκλο. Πιο συγκεκριμένα, θα πετούσε σε μια εφαπτομένη σε αυτόν τον κύκλο με όποια γραμμική ταχύτητα είχε.

Επειδή η κεντρομόλος δύναμη κατευθύνεται προς το κέντρο της κυκλικής διαδρομής ενός αντικειμένου και της φυγοκεντρικής δύναμης δεν υπάρχει για να το αντισταθμίσει, το αντικείμενο που κινείται σε καμπύλη διαδρομή πρέπει να αντιμετωπίζει ένα καθαρή δύναμη προς το κέντρο του κύκλου.

Από το δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, F = μα, Επομένως, μια καθαρή δύναμη προκαλεί επιτάχυνση. Πράγματι, οτιδήποτε κινείται σε κύκλο έχει επιτάχυνση, που αναφέρεται ως κεντροπεταλική επιτάχυνση, προς το κέντρο του κύκλου.

Αυτό μπορεί να φαίνεται αντιδιαισθητικό, δεδομένου ότι η επιτάχυνση σημαίνει μεταβαλλόμενη ταχύτητα, αλλά πολλά πράγματα κινούνται σε κύκλο με φαινομενικά σταθερό ρυθμό.

Εδώ βοηθά να θυμηθούμε ότι η ταχύτητα είναι ένα διάνυσμα, με μέγεθος και κατεύθυνση, και η αλλαγή ενός από αυτά τα αποτελέσματα οδηγεί σε μια νέα ταχύτητα. Καθώς ένα αντικείμενο κινείται σε κύκλο, τόσο η γραμμική του ταχύτητα όσο και η κεντρομόλος επιτάχυνση αλλάζουν συνεχώς κατεύθυνση. σε οποιοδήποτε σημείο κατά μήκος της διαδρομής, τα βέλη για κάθε διάνυσμα θα βλέπουν διαφορετικό τρόπο από οποιοδήποτε άλλο σημείο κατά μήκος της διαδρομής.

Έτσι το αντικείμενο συνεχίζει να ταξιδεύει στο ίδια ταχύτητα αλλά με μια συνεχώς μεταβαλλόμενη κατεύθυνση. Οι φυσικοί το περιγράφουν ως ομοιόμορφη κυκλική κίνηση.

Επειδή η κεντρομόλος δύναμη είναι πάντα κάθετη προς τη γραμμική ταχύτητα ενός αντικειμένου, περιγράφει την ακτίνα της κυκλικής διαδρομής του αντικειμένου. Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η κεντρομόλος δύναμη, τόσο πιο δύσκολο είναι το "ρυμουλκό" προς τα μέσα, τόσο πιο σφιχτός ή μικρότερος θα είναι ο κύκλος και όσο πιο χαλαρή είναι η κεντρομόλη δύναμη, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η κυκλική διαδρομή.

Αυτό μπορεί να έχει νόημα διαισθητικά: Τράβηγμα στο σχοινί κρατώντας την μπάλα ή λήψη καμπύλης στο α κολλώδης επιφάνεια με μεγαλύτερη τριβή από ό, τι σε μια λεία επιφάνεια, όπως ο πάγος, και τα δύο θα έχουν ως αποτέλεσμα μικρότερη κυκλική κινήσεις. Απλώς θυμηθείτε ότι σε κάθε περίπτωση η μόνη δύναμη που προκαλεί την κυκλική κίνηση είναι μια προς τα μέσα, κεντρομόλο δύναμη. Καμία φυγοκεντρική δύναμη δεν ωθεί ποτέ ένα αντικείμενο "έξω" σε κύκλο.