Keskiosaama ja keskipakovoima ovat kaksi termiä, jotka fysiikan opiskelijat sekoittavat tai ymmärtävät väärin.
Tyypillinen väärinkäsitys on, että keskipakovoima kohdistuu kohteen pyöreän polun keskipisteeseen, kun taas keskipakovoima kohdistuu ulospäin, ikään kuin molemmat toimisivat vastakkaisiin suuntiin. Kuitenkin vain yksi näistä on todella todellinen pakottaa!
Centripetal vs. Keskipakoisvoima
Ainoa voima, joka aiheuttaa kohteen ympyräliikkeen, on keskihakuvoima, joka on aina suunnattu pyöreän polun keskelle. Jos auto esimerkiksi pyöristää mutkaa, keskiosainen voima, joka saa sen liikkumaan kaaressa suoran viivan sijasta, ohjataan pitkin ympyrän sädettä, jonka auto jäljittää.
Vinkkejä
Keskipakovoima on kuvitteellinen voima, mikä tarkoittaa sitä ei todellinen voima. Keskihakuvoima on todellinen.
Keskipakoisvoima, toisaalta, ei ole olemassa. Kuten "Takaisin tulevaisuuteen" -virtauskondensaattori, termi keksittiin auttamaan kuvaamaan jotain kuvitteellista, tosin joidenkin todellisten havaintojen perusteella. Ympyrässä liikkumisen vaikutukset saavat kohteen tuntemaan "lentävän" ulospäin ja ajatuksen
sisäänpäin suuntautunut voima tällaisen kokemuksen aiheuttaminen voi aluksi tuntua hämmentävältä.Keskipakovoima on tunne
Kun auto tekee vaikean vasemman käännöksen, matkustajat saattavat tuntea olonsa heitetyn auton oikealle puolelle. Tai vuoristoradan silmukan alaosassa ratsastajat saattavat tuntea olevansa työnnettyinä alas paikoilleen.
Nämä tunteet ovat seurausta inertia; kuitenkin, ei voima (tosin sitä voidaan kutsua nimellä näennäinen voima). Inertia kuvaa kohteen taipumusta vastustaa muutoksia liikkeessään, kuten Newtonin ensimmäinen laki, hitauslae kuvaa.
Kun auto kääntyy äkillisesti tai vuoristorata syöksyy, sisällä olevat ihmiskehot liikkuvat jo jonkin verran nopeudella tiettyyn suuntaan. Hitauslain mukaan nämä elimet alun perin vastustaa muuttamalla niiden nopeuksia.
Matkustajat liikkuvat edelleen avaruudessa eteenpäin, kun auto alkaa yhtäkkiä vasemmalle - eikä "heittää oikealle", vaan auto on oikeastaan kaatuen niihin vasemmalta, kun se yhtäkkiä liikkuu. Kun heidän ruumiinsa tarttuu kiinni ja alkaa liikkua myös vasemmalle, kaatumismatka päättyy.
Vastaavasti vuoristoradalla rungot liikkuvat edelleen alaspäin, kun vuoristorata alkaa työntää niitä ylöspäin. Kunnes heidän ruumiinsa pysähtyy vastaamaan vuoristoradan uutta nopeutta, heistä tuntuu, että heidät heitetään vaunujen ulkopuolelle. Heidän ruumiinsa liikkuvat edelleen kärryjä kohti, kun kärryt liikkuvat nyt kohti heidän ruumiinsa.
Kuinka Centripetal Force toimii
Keskisuuntainen voima on vain osa reseptiä saada jotain liikkumaan ympyrässä. Muut aineet ovat lineaarinen nopeus. Kohteen on oltava liikkeessä, kun keskisuuntainen voima vaikuttaa suorassa kulmassa liikkeeseensa nähden, jotta se voi liikkua ympyrässä.
Harkitse palloa narun päässä. Jotta henkilö saa sen pyörimään päänsä ympärillä, hänen on ensin annettava sille heitto jonkin vaakasuoran komponentin kanssa (toisin sanoen, ei suoraan itseensä tai itsestään). Henkilö vetää narun kireäksi, ja pallo alkaa kiertää heitä sen sijaan, että lentäisi ulos.
Kahta asiaa on jatkettava, jotta köyden pallo pyörii jatkuvasti: henkilön on jatkettava köyden vetämistä kireällä (vetämällä sitä sisään), ja niiden on jatkuvasti lisättävä pieniä vaakasuoria murtumia pallon lineaarisen liikkeen ylläpitämiseksi, joka muuten hidastuisi kitkasta ilman kanssa. (Avaruudessa ihminen kuitenkin tekisi vain täytyy vetää opetettua köyttä, koska pallo ei menetä mitään lineaarista nopeuttaan pyöriessään tyhjiössä.)
Jos pallo ei liiku ja henkilö veti köyden tiukasti, pallo vain liikkuu sisäänpäin kohti henkilöä, ei ympyrää. Jos pallo liikkui suoraan ulos ihmisestä ja he vetivät köyttä, pallo ensin hidastui, muutti suuntaa ja siirtyi takaisin kohti henkilöä, ei taas ympyrää.
Näissä tapauksissa ei olisi edes järkevää kutsua köyden välityksellä välitettyä voimaa keskiosan voimaksi. Se on yksinkertaisesti käytetty jännitysvoima palloon.
Lähtökohdat
Sana keskipitkä on vain tapa kuvata mitä tahansa voimaa, joka vaikuttaa kohtisuoraan kohteen lineaariseen nopeuteen. Monen tyyppiset esineet tai vuorovaikutus voivat tuottaa keskisuuntaisia voimia.
Esimerkiksi, kuten jo mainittiin, ympyrässä pyörivä köysi antaa keskipistevoiman esineelle, joka on sidottu sen päähän. Taivutuksen ympäri kääntyvä auto kokee renkaiden ja tien välisestä kitkasta keskipitkän voiman. Kiertoradalla oleva satelliitti liikkuu edelleen ympyrässä gravitaatiovoiman ansiosta, joka tarjoaa keskipakovoiman kohti maapallon keskustaa.
Kummassakin näistä tapauksista, jos keskiosan voiman lähde poistettaisiin yhtäkkiä, köysi, kitka tai painovoima, esine lopettaa liikkumisen ympyrässä. Tarkemmin sanottuna se lentäisi kyseisen ympyrän tangentilla millä tahansa lineaarisella nopeudella.
Keskisuuntainen voima ja kiihtyvyys
Koska keskisuuntainen voima on suunnattu kohteen pyöreän polun ja keskipakovoiman keskelle ei ole olemassa sen torjumiseksi, kaarevalla polulla liikkuvan kohteen täytyy kokea a nettovoima kohti ympyrän keskustaa.
Newtonin toisesta laista, F = ma, tästä seuraa, että nettovoima aiheuttaa kiihtyvyyden. Kaikella ympyrässä liikkuvalla on kiihtyvyys, jota kutsutaan nimellä sentripetaalikiihtyvyys, kohti ympyrän keskustaa.
Tämä saattaa tuntua vasta-intuitiiviselta, kun otetaan huomioon, että kiihtyvyys tarkoittaa muuttuvaa nopeutta, mutta monet asiat liikkuvat ympyrässä näennäisesti vakiona.
Tässä auttaa muistamaan, että nopeus on vektori, jolla on sekä suuruus että suunta, ja jommankumman muuttaminen johtaa uuteen nopeuteen. Kun esine liikkuu ympyrässä, sekä sen lineaarinen nopeus että keskipidon kiihtyvyys muuttuvat jatkuvasti; missä tahansa polun pisteessä kunkin vektorin nuolet osoittavat eri tavalla kuin missään muussa polun pisteessä.
Joten esine jatkaa matkaa samalla nopeudella mutta jatkuvasti muuttuvassa suunnassa. Fyysikot kuvaavat tätä tasainen pyöreä liike.
Pyöreän liikkeen säätäminen
Koska keskisuuntainen voima on aina kohtisuorassa kohteen lineaariseen nopeuteen nähden, se kuvaa kohteen pyöreän polun säteen. Siksi mitä suurempi keskisuuntainen voima on, sitä kovempi "hinaaja" on sisäänpäin, sitä tiukempi tai pienempi ympyrä on ja mitä löysempi keskiosainen voima on, sitä suurempi on pyöreä reitti.
Tämä saattaa olla järkevää intuitiivisesti: vetämällä kiinni köyttä pitämällä palloa tai ottamalla käyrä a tahmea pinta enemmän kitkaa kuin liukkaalla pinnalla, kuten jää, molemmat johtavat pienempään pyöreään liikkeet. Muista vain, että kaikissa tilanteissa ainoa ympyräliikkeen aiheuttava voima on sisäänpäin suuntautuva keskisuuntainen voima. Mikään keskipakovoima ei koskaan työnnä kohdetta "ulos" ympyrään.