Centripetalna vs centrifugalna sila: koja je razlika i zašto je to važno

Centripetalna sila i centrifugalna sila dva su pojma koja studenti fizike često zbunjuju ili pogrešno razumiju.

Tipična zabluda je da je centripetalna sila usmjerena prema središtu kružnog puta objekta, dok je centrifugalna sila usmjerena prema van, kao da djeluju u suprotnim smjerovima. Međutim, samo jedan od njih zapravo je stvaran sila!

Jedina sila koja uzrokuje kružno gibanje objekta je centripetalna sila, koji je uvijek usmjeren prema središtu kružne staze. Na primjer, ako automobil zaokruži zavoj, centripetalna sila koja ga tjera da se kreće u krivini, a ne u ravnoj crti, usmjerena je duž radijusa kružnice koju automobil ocrtava.

• Centrifugalna sila je fiktivna sila, što znači da jest nije stvarna sila. Centripetalna sila je stvarno.

Centrifugalna sila, s druge strane, ne postoji. Poput protočnog kondenzatora "Povratak u budućnost", taj je pojam izmišljen kako bi pomogao u opisivanju nečega zamišljenog, premda na temelju nekih stvarnih opažanja. Efekti kretanja u krugu čine da objekt osjeća kao da "leti" prema van, a ideja o

Kada automobil napravi težak zavoj ulijevo, putnici bi se mogli osjećati "odbačenima" desno od automobila. Ili na dnu petlje na toboganu, vozači se mogu osjećati gurnutima na svoja sjedala.

Ti su osjećaji rezultat inercija; međutim, ne sila (mada se može nazvati i prividna sila). Inercija opisuje tendenciju objekta da se odupire promjenama u svom kretanju, kako je opisano Newtonovim prvim zakonom, Zakonom o tromosti.

Kad automobil naglo zaokrene, ili se američka roller-podloga padne, ljudska tijela iznutra već se kreću s određenom brzinom u određenom smjeru. Prema zakonu o tromosti, ta tijela u početku odoljeti mijenjajući njihove brzine.

Putnici se i dalje kreću prema naprijed u svemiru kad automobil naglo krene lijevo - pa umjesto da ih "baci udesno", automobil je zapravo zabivši se u njih s lijeve strane kad se odjednom pomakne. Jednom kada njihova tijela sustignu i počnu se kretati i ulijevo, senzacija sudara prestaje.

Na sličan način u toboganima, tijela se i dalje pomiču prema dolje kad ih podmetač počne potiskivati ​​prema gore. Sve dok njihova tijela ne sustignu novu brzinu podmetača, osjećaju se kao da su bačena na vanjsku stranu kolica. Njihova se tijela još uvijek kreću prema kolicima kao što se kolica sada kreću prema njihovim tijelima.

Centripetalna sila samo je dio recepta za pokretanje nečega u krug. Drugi sastojak je linearna brzina. Predmet se mora kretati kada centripetalna sila djeluje pod pravim kutom na njegovo kretanje kako bi se mogla kretati u krugu.

Razmislite o kuglici na kraju žice. Da bi je osoba zavrtjela oko glave, prvo je treba baciti nekom vodoravnom komponentom (drugim riječima, ne izravno u sebe ili od sebe). Osoba zategne konopac i lopta ih počne kružiti, a ne izlijetati.

Dvije se stvari moraju neprestano događati da bi se lopta na užetu i dalje vrtjela: osoba mora nastaviti uvlačiti uže zategnuto (povlačenjem), i moraju nastaviti dodavati lagane vodoravne potiske kako bi održali linearno gibanje lopte, što bi inače usporilo od trenja sa zrakom. (Međutim, u svemiru bi osoba to učinila samo treba povući naučeni konop jer kuglica ne bi izgubila linearnu brzinu dok bi se vrtjela u vakuumu.)

Ako se lopta ne bi kretala i osoba bi povukla uže zategnuta, lopta bi se samo pomaknula prema osobi, a ne krug. Ako se lopta pomiče izravno od osobe i povuku konop, prvo bi lopta usporila, a zatim promijenila smjer i vratila se prema osobi, opet ne u krug.

U tim slučajevima ne bi imalo smisla ni nazvati silu koja se prenosi kroz uže centripetalnom silom. To je jednostavno primijenjena sila napetosti na loptu.

Riječ centripetalni je samo način za opis bilo koje sile koja djeluje okomito na linearnu brzinu objekta. Mnoge vrste predmeta ili interakcije mogu pružiti centripetalne sile.

Na primjer, kao što je već spomenuto, konop koji se vrti u krug pruža centripetalnu silu na predmet vezan na njegovom kraju. Automobil koji skreće u zavoju doživljava centripetalnu silu od trenja između guma i ceste. Satelit u orbiti nastavlja se kretati u krugu zbog gravitacijske sile koja pruža centripetalnu silu prema središtu Zemlje.

U svakom od ovih slučajeva, ako bi se izvor centripetalne sile iznenada uklonio, uže, trenje ili gravitacija, objekt bi se prestao kretati u krugu. Preciznije, odletjela bi tangentom na taj krug s bilo kojom linearnom brzinom koju bi imala.

Budući da je centripetalna sila usmjerena prema središtu kružnog puta objekta i centrifugalnoj sili ne postoji da bi se tome suprotstavio, objekt koji se kreće zakrivljenom stazom mora imati a neto sila prema središtu kruga.

Iz Newtonovog drugog zakona, F = ma, proizlazi da neto sila uzrokuje ubrzanje. Zapravo, sve što se kreće u krugu ima ubrzanje, koje se naziva centripetalno ubrzanje, prema središtu kruga.

To se može činiti kontra-intuitivnim, s obzirom na to da ubrzanje znači promjenu brzine, ali ipak se puno stvari kreće u krugu s naizgled konstantnom brzinom.

Ovdje se pomaže podsjetiti da je brzina vektor, i s veličinom i sa smjerom, a promjena bilo kojeg od tih rezultata rezultira novom brzinom. Kako se objekt kreće u krugu, njegova linearna brzina i centripetalno ubrzanje neprestano mijenjaju smjer; u bilo kojoj točki duž puta strelice za svaki vektor bit će okrenute na drugačiji način nego u bilo kojoj drugoj točki na putu.

Dakle, predmet nastavlja putovanje na iste brzine ali uz stalno mijenjanje smjera. Fizičari to opisuju kao jednoliko kružno kretanje.

Budući da je centripetalna sila uvijek okomita na linearnu brzinu objekta, ona opisuje polumjer kružne putanje objekta. Prema tome, što je veća centripetalna sila, to je "navlaka" tvrđa prema unutra, to će krug biti tijesniji ili manji, a što je centripetalnija sila labavija, to će kružni put biti veći.

To može imati smisla intuitivno: povlačenjem konopa koji drži loptu ili zavojem krivine ljepljiva površina s više trenja nego na glatkoj, poput leda, rezultirat će manjim kružnim pokreti. Samo zapamtite da je u bilo kojoj situaciji jedina sila koja uzrokuje kružno gibanje prema unutra, centripetalna sila. Nijedna centrifugalna sila nikada ne gura predmet "van" u krug.