Tsentraalne vs tsentrifugaaljõud: mis vahe on ja miks see oluline on

Tsentraaljõud ja tsentrifugaaljõud on kaks mõistet, mida füüsikaõpilased tavaliselt segi ajavad või mõistavad valesti.

Tüüpiline väärarusaam on see, et tsentripetaaljõud on suunatud objekti ringikujulise keskme suunas, samal ajal kui tsentrifugaaljõud suunatakse väljapoole, justkui toimiksid need kaks vastupidises suunas. Kuid ainult üks neist on tegelikult a päris jõud!

Ainus jõud, mis põhjustab objekti ümmarguse liikumise, on tsentripetaalne jõud, mis on alati suunatud ringikujulise keskme suunas. Näiteks kui auto ümardab kurvi, suunatakse tsentripetaalne jõud, mis paneb selle liikuma pigem kurvis kui sirgjooneliselt mööda selle ringi raadiust, mille auto jälgib.

• Tsentrifugaaljõud on fiktiivne jõud, see tähendab, et on mitte päris jõud. Tsentripetaalne jõud on päris.

Tsentrifugaaljõud, teiselt poolt, ei eksisteeri. Nagu ka "Tagasi tulevikku" voolukondensaator, leiutati see termin, et aidata kirjeldada midagi kujuteldavat, ehkki mõnede reaalsete tähelepanekute põhjal. Ringis liikumise tagajärjed tekitavad objektis tunde, nagu see "lendaks" väljapoole, ja idee

Kui auto teeb raske vasakpöörde, võivad reisijad tunda end autost paremale visatud. Või võib olla, et teerullil on silmus põhjas, sõitjad tunda, et nad on oma istmetele alla surutud.

Need tunded on tagajärg inerts; Kuid, mitte jõud (kuigi sellele võib viidata kui näiline jõud). Inertsus kirjeldab objekti kalduvust vastu seista muutustele oma liikumises, nagu on kirjeldatud Newtoni esimeses seaduses, inertsiseaduses.

Kui auto võtab järsu pöörde või kui teerull teeb suuna, liiguvad sealsed inimkehad juba teatud kiirusega kindlas suunas. Inertsiseaduse järgi algselt need asutused vastu nende kiiruste muutmine.

Reisijad liiguvad endiselt ruumis edasi, kui auto hakkab järsult vasakule minema - nii et selle asemel, et neid "paremale visata", on auto tegelikult krahhides neile vasakult, kui see järsku liigub. Kui nende keha jõuab järele ja hakkab liikuma ka vasakule, lõpeb krahh.

Sarnaselt teerulliga liiguvad surnukehad ikka allapoole, kui rannasõidulaev hakkab neile ülespoole suruma. Kuni nende keha jõuab järele, et see vastaks rannasõidu uuele kiirusele, tunnevad nad, et neid visatakse vastu vankrite väliskülge. Nende kehad liiguvad endiselt vankrite poole, kui vankrid liiguvad nüüd nende keha poole.

Tsentraaljõud on ainult osa retseptist, kuidas midagi ringis liikuma panna. Teine koostisosa on lineaarne kiirus. Objekt peab liikuma, kui tsentripetaaljõud mõjub selle liikumisele täisnurga all, et see saaks ringis liikuda.

Mõelge nööri otsas olevale pallile. Selleks, et inimene paneks selle ümber pea ringi käima, peavad nad esmalt talle viskama mingi horisontaalse komponendi (teisisõnu, mitte otse iseendasse ega endast eemale). Inimene tõmbab nööri pingule ja pall hakkab neid pigem ringistama kui välja lendama.

Nööri peal oleva palli pöörlemiseks peab juhtuma kaks asja: inimene peab köit pidevalt pingutama (sisse tõmmates), ja palli lineaarse liikumise säilitamiseks peavad nad pidevalt lisama kergeid horisontaalseid nihkeid, mis muidu õhuga hõõrdumisest aeglustuksid. (Kosmoses aga inimene seda teeks ainult vaja tõmmata õpetatud köit, kuna pall ei kaotaks vaakumis keereldes oma lineaarset kiirust.)

Kui pall ei liikunud ja inimene tõmbas trossi pingule, liikus pall lihtsalt inimese suunas sissepoole, mitte ringi. Kui pall liikus inimeselt otse välja ja nad tõmbasid köit, siis aeglustas pall kõigepealt, muutis suunda ja liikus inimese poole tagasi, jällegi mitte ringi.

Nendel juhtudel ei oleks isegi mõtet trossi kaudu edastatavat jõudu nimetada tsentripetaalseks jõuks. See on lihtsalt pallile rakendatud pingejõud.

Sõna tsentraalne on lihtsalt viis kirjeldada mis tahes jõudu, mis toimib risti objekti joonkiirusega. Tsentripetaaljõude võivad pakkuda mitut tüüpi objektid või vastastikmõjud.

Näiteks, nagu juba mainitud, annab ringis pöörlev köis selle otsa külge seotud objektile tsentripetaalse jõu. Kurvis ümber pöörav auto kogeb rehvide ja tee vahelise hõõrdumise tõttu tsentripetaalset jõudu. Orbiidil olev satelliit jätkab ringi liikumist tänu gravitatsioonijõule, mis tagab tsentripetaalse jõu Maa keskosa suunas.

Kõigil neil juhtudel, kui tsentripetaaljõu allikas äkki eemaldataks, lakkaks köis, hõõrdumine või raskusjõud objektil ringis liikumast. Täpsemalt, see lendaks selle ringi puutujana välja mis tahes lineaarse kiirusega.

Sest tsentripetaalne jõud on suunatud objekti ringikujulise keskme ja tsentrifugaaljõu poole selle vastu ei eksisteeri, peab kõverjoonel liikuv objekt kogema a netojõud ringi keskosa suunas.

Newtoni teisest seadusest F = ma, sellest järeldub, et netojõud põhjustab kiirenduse. Tõepoolest, igal ringil liikuval on kiirendus, mida nimetatakse tsentripetaalne kiirendus, ringi keskosa suunas.

See võib tunduda vastuoluline, arvestades, et kiirendus tähendab muutuvat kiirust, kuid palju asju liigub ringis ilmselt ühtlase kiirusega.

Siinkohal aitab see meelde tuletada, et kiirus on vektor, millel on nii suurus kui ka suund, ja kumbagi muutes saadakse uus kiirus. Kui objekt liigub ringis, muutuvad nii selle joonkiirus kui ka tsentripetaalne kiirendus pidevalt suunda; suvalises rajapunktis on iga vektori nooled suunatud teistmoodi kui mis tahes muus rajapunktis.

Nii jätkab objekt rännakut sama kiirusega kuid pidevalt muutuva suunaga. Füüsikud kirjeldavad seda nii ühtlane ringliikumine.

Kuna tsentripetaalne jõud on alati objekti sirgjoonelise kiirusega risti, kirjeldab see objekti ringikujulist raadiust. Seega, mida suurem on tsentraaljõud, seda raskem on "tõmbamine" sissepoole, seda tihedam või väiksem on ring ning mida lõdvem on tsentraaljõud, seda suurem on ringtee.

See võib olla mõistlik intuitiivselt: palli hoidvast köiest sisse tõmbamine või a-le kurvi võtmine kleepuv pind suurema hõõrdumisega kui libedal pinnal, nagu jää, annavad mõlemad väiksema ümmarguse kuju liikumisi. Pidage meeles, et igas olukorras on ainus ringliikumist põhjustav jõud an sissepoole suunatud, tsentripetaalne jõud. Ükski tsentrifugaaljõud ei lükka objekti kunagi ringist välja.