צנטריפטל לעומת כוח צנטריפוגלי: מה ההבדל ולמה זה חשוב

כוח צנטריפטלי וכוח צנטריפוגלי הם שני מונחים שתלמידי פיזיקה בדרך כלל מבלבלים או לא מבינים.

תפיסה מוטעית אופיינית היא שכוח צנטריפטלי מכוון למרכז הנתיב המעגלי של האובייקט, בעוד שכוח צנטריפוגלי מופנה כלפי חוץ, כאילו השניים פועלים בכיוונים מנוגדים. עם זאת, רק אחד מאלה הוא למעשה א אמיתי כּוֹחַ!

הכוח היחיד שגורם לתנועה מעגלית של אובייקט הוא כוח צנטריפטלי, שמופנה תמיד למרכז הנתיב המעגלי. אם מכונית מסתובבת בעיקול, למשל, הכוח הצנטריפטרי שגורם לה לנוע בעקומה ולא בקו ישר מופנה לאורך רדיוס המעגל שהמכונית מתחקה החוצה.

• כוח צנטריפוגלי הוא כוח פיקטיבי, כלומר לא כוח אמיתי. כוח צנטריפטלי אמיתי.

כח צנטריפוגלי, מצד שני, לא קיים. כמו קבלים השטף של "בחזרה לעתיד", המונח הומצא בכדי לעזור בתיאור משהו דמיוני, אם כי מבוסס על כמה תצפיות אמיתיות. ההשפעות של תנועה במעגל נוטות לגרום לאובייקט להרגיש שהוא "עף" החוצה, והרעיון של כוח מכוון פנימה גורם לחוויה כזו יכול להיראות בתחילה תמוה.

כאשר מכונית פונה שמאלה קשה, הנוסעים עשויים להרגיש "נזרקים" מימין לרכב. או בתחתית לולאה ברכבת הרים, רוכבים עשויים להרגיש דחוקים למטה למושבם.

רגשות אלה הם תוצאה של אִינֶרצִיָה; למרות זאת, לֹא כוח (אם כי ניתן לכנות אותו כוח לכאורה). האינרציה מתארת ​​את נטייתו של אובייקט להתנגד לשינויים בתנועתו, כמתואר בחוק הראשון של ניוטון, חוק האינרציה.

כשהמכונית מסתובבת לפתע, או רכבת ההרים מזנקת, גופי האדם בפנים כבר נעים במהירות מסוימת לכיוון מסוים. על פי חוק האינרציה, גופים אלה בתחילה לְהִתְנַגֵד שינוי מהירויותיהם.

הנוסעים עדיין מתקדמים בחלל כשהמכונית מתחילה ללכת שמאלה בפתאומיות - אז במקום "להיזרק ימינה", המכונית היא למעשה מתנגש בהם משמאל כשהוא נע לפתע. ברגע שגופם מתעדכן ומתחיל לנוע גם שמאלה, תחושת ההתרסקות נגמרת.

באופן דומה ברכבת ההרים, הגופות עדיין נעות כלפי מטה כאשר הרכבת מתחילה לדחוף עליהן כלפי מעלה. עד שגופם מתעדכן כדי להתאים למהירות החדשה של הרכבת התחתית, הם מרגישים שהם נזרקים אל מחוץ לעגלות. גופם עדיין נע לעבר העגלות כאשר העגלות נעות כעת לעבר גופן.

כוח צנטריפטלי הוא רק חלק מהמתכון לגרום למשהו לנוע במעגל. המרכיב הנוסף הוא מהירות ליניארית. אובייקט צריך לנוע כאשר כוח צנטריפטאלי פועל בזווית ישרה לתנועתו על מנת שהוא ינוע במעגל.

שקול כדור בקצה המיתר. כדי שאדם יגרום לו להסתובב סביב ראשו, עליו קודם כל לזרוק לו זריקה עם רכיב אופקי כלשהו (במילים אחרות, לא ישירות אל עצמם או ממנו). האדם מושך בחוט מתוח, והכדור מתחיל להקיף אותם ולא לעוף החוצה.

שני דברים צריכים להתרחש כדי שהכדור על החבל ימשיך להסתחרר: על האדם להמשיך למשוך את החבל מתוח (על ידי משיכתו פנימה), ו עליהם להמשיך להוסיף דחיפות אופקיות קלות כדי לשמור על תנועת הכדור הליניארית, שאם לא כן, תאט את החיכוך עם האוויר. (בחלל, לעומת זאת, האדם היה עושה זאת רק צריך למשוך את החבל הנלמד מכיוון שהכדור לא יאבד את מהירותו הליניארית בזמן שהוא מסתובב בוואקום.)

אם הכדור לא זז והאדם משך את החבל מתוח, הכדור היה פשוט נע פנימה לעבר האדם, לא מעגל. אם הכדור היה זז ישירות מהאדם, והם משכו בחבל, תחילה הכדור היה מאט, ואז ישנה כיוון ויעבור חזרה לעבר האדם, שוב לא מעגל.

במקרים אלה, זה אפילו לא יהיה הגיוני לקרוא לכוח המועבר דרך החבל כוח צנטריפטלי. זה פשוט כוח מתח שהופעל על הכדור.

המילה צנטריפטל היא רק דרך לתאר כל כוח הפועל בניצב למהירות הליניארית של האובייקט. סוגים רבים של עצמים או אינטראקציות יכולים לספק כוחות צנטריפטל.

לדוגמא, כאמור, חבל המסתובב במעגל מספק כוח צנטריפטלי לחפץ הקשור בקצהו. מכונית המסתובבת בעיקול חווה כוח צנטריפטלי מהחיכוך בין צמיגיה לכביש. לווין במסלול ממשיך לנוע במעגל בגלל כוח הכבידה המספק כוח צנטריפטלי לכיוון מרכז כדור הארץ.

בכל אחד מהמקרים הללו, אם מקור הכוח הצנטריפטלי יוסר לפתע, החבל, החיכוך או כוח המשיכה, האובייקט היה מפסיק לנוע במעגל. באופן ספציפי יותר, הוא יעוף משיק למעגל ההוא בכל המהירות הליניארית שיש לו.

מכיוון שכוח צנטריפטלי מכוון לעבר מרכז הנתיב המעגלי של העצם וכוחו הצנטריפוגלי לא קיים כדי לנטרל את זה, האובייקט הנע בדרך עקומה חייב לחוות א כוח נטו לכיוון מרכז המעגל.

מהחוק השני של ניוטון, F = ma, מכאן נובע שכוח נטו גורם להאצה. ואכן, לכל מה שנע במעגל יש תאוצה, המכונה תאוצה צנטריפוגלית, לכיוון מרכז המעגל.

זה אולי נראה אינטואיטיבי, בהתחשב בכך שתאוצה פירושה מהירות משתנה, אך הרבה דברים נעים במעגל בקצב קבוע לכאורה.

כאן זה עוזר להיזכר שמהירות היא וקטור, בעל גודל וגם כיוון, ומשנה את אחת מהתוצאות במהירות מהירה. כאשר אובייקט נע במעגל, גם המהירות הליניארית שלו וגם התאוצה הצנטריפטלית משתנים כל הזמן מכיוון; בכל נקודה לאורך הנתיב, החצים עבור כל וקטור יהיו פונים בדרך שונה מאשר בכל נקודה אחרת לאורך השביל.

אז האובייקט ממשיך לנסוע במלון אותה מהירות אבל עם כיוון שמשתנה כל הזמן. פיזיקאים מתארים זאת כ תנועה מעגלית אחידה.

מכיוון שכוח צנטריפטרי תמיד מאונך למהירות הליניארית של האובייקט, הוא מתאר את רדיוס הנתיב המעגלי של האובייקט. לכן, ככל שכוח הצנטריפטל גדול יותר, כך ה"משיכה "פנימה קשה יותר, כך העיגול יהיה הדוק או קטן יותר, וככל שהכוח הצנטריפטלי יהיה רופף יותר, כך הנתיב המעגלי יהיה גדול יותר.

זה עשוי להיות הגיוני מבחינה אינטואיטיבית: משיכת החבל המחזיק את הכדור, או לקיחת עקומה על משטח דביק עם חיכוך רב יותר מאשר על חלקלק, כמו קרח, יביא לשני מעגלים קטנים יותר תנועות. רק זכרו שבכל מצב הכוח היחיד שגורם לתנועה המעגלית הוא כוח פנימי, צנטריפטלי. שום כוח צנטריפוגלי לא דוחף אובייקט "החוצה" למעגל.