Išcentrinė ir išcentrinė jėga: koks skirtumas ir kodėl tai svarbu

Išcentrinė jėga ir išcentrinė jėga yra du terminai, kuriuos fizikos studentai paprastai painioja arba neteisingai supranta.

Tipiškas klaidingas supratimas yra tas, kad išcentrinė jėga nukreipta į objekto apskritimo kelio centrą, o išcentrinė jėga - į išorę, tarsi abu veiktų priešingomis kryptimis. Tačiau iš tikrųjų tik vienas iš jų yra a tikras jėga!

Vienintelė jėga, sukelianti objekto sukamą sukimąsi, yra išcentrinė jėga, kuris visada nukreiptas į apskritimo kelio centrą. Pavyzdžiui, jei automobilis apvalina posūkį, išcentrinė jėga, priverčianti jį judėti kreive, o ne tiesi, nukreipta apskritimo, kurį automobilis seka, spinduliu.

• Išcentrinė jėga yra fiktyvi jėga, reiškianti, kad yra ne tikra jėga. Išcentrinė jėga yra tikras.

Išcentrinė jėga, iš kitos pusės, neegzistuoja. Kaip ir „Atgal į ateitį“ srauto kondensatorius, šis terminas buvo išrastas tam, kad padėtų apibūdinti ką nors įsivaizduojamą, nors ir pagrįstą kai kuriais realiais pastebėjimais. Dėl judėjimo ratu daiktas jaučia, kad jis „skrenda“ į išorę, ir idėja

Kai automobilis pasuka kairiuoju posūkiu, keleiviai gali jaustis „išmesti“ į dešinę nuo automobilio. Arba kalnelių kilpos apačioje vairuotojai gali jaustis nustumti į savo vietas.

Šie jausmai yra rezultatas inercija; vis dėlto ne jėga (nors ji gali būti vadinama regima jėga). Inercija apibūdina objekto polinkį atsispirti jo judėjimo pokyčiams, kaip aprašyta pirmajame Niutono dėsnyje - inercijos dėsnyje.

Kai automobilis pasisuka staigiu posūkiu arba kalneliai pasineria, viduje esantys žmogaus kūnai jau juda tam tikru greičiu tam tikra kryptimi. Pagal inercijos įstatymą šios įstaigos iš pradžių priešintis keičiant jų greitį.

Keleiviai vis dar juda į priekį erdvėje, kai automobilis pradeda staigiai važiuoti kairėn - taigi, užuot „mėtytas į dešinę“, automobilis iš tikrųjų yra atsitrenkęs į juos iš kairės, kai staiga juda. Kai jų kūnai pasivys ir pradės judėti taip pat į kairę, gniuždymo pojūtis baigsis.

Panašiai kalneliuose kūnai vis dar juda žemyn, kai kalneliai pradeda juos stumti aukštyn. Kol jų kūnai pasivys, kad atitiktų naują kalnelio greitį, jie jaučiasi mėtomi prieš vežimėlių išorę. Jų kūnai vis dar juda link vežimų, nes dabar vežimėliai juda link jų kūnų.

Centripetal jėga yra tik dalis recepto, kaip priversti kažką judėti ratu. Pagalbinė medžiaga yra linijinis greitis. Objektas turi judėti, kai išcentrinė jėga veikia stačiu kampu savo judesiui, kad jis galėtų judėti ratu.

Apsvarstykite rutulį ant stygos galo. Kad žmogus priverstų jį suktis aplink galvą, jis pirmiausia turi išmesti jį su tam tikru horizontaliu komponentu (kitaip tariant, ne tiesiogiai į save ar nuo savęs). Asmuo traukia virvelę įtemptą, o rutulys pradeda juos apeiti, o ne išskristi.

Kad rutulys ant virvės suktųsi, turi vykti du dalykai: asmuo turi nuolat tempti virvę įtempdamas (įsitempdamas), ir jie turi nuolat pridėti nedidelius horizontalius įbrėžimus, kad išlaikytų rutulio linijinį judėjimą, kuris kitu atveju sulėtėtų nuo trinties oru. (Vis dėlto kosmose žmogus norėtų tik reikia tempti mokytą virvę, nes kamuolys, sukdamasis vakuume, neprarastų jokio tiesinio greičio.)

Jei rutulys nejudėjo ir asmuo tempė virvę įtemptą, rutulys tiesiog judėjo į vidų link žmogaus, o ne apskritimo. Jei rutulys judėjo tiesiai nuo žmogaus ir jie patraukė virvę, pirmiausia rutulys sulėtėjo, tada pasikeitė kryptis ir vėl judėjo link žmogaus, o ne apskritimo.

Šiais atvejais net nebūtų prasmės vadinti virve perduodamą jėgą centripetaline jėga. Tai tiesiog taikoma kamuolio įtempimo jėga.

Žodis išcentrinis yra tik būdas apibūdinti bet kokią jėgą, veikiančią statmenai objekto tiesiniam greičiui. Daugybė objektų ar sąveikos tipų gali suteikti centrinės jėgos.

Pavyzdžiui, kaip jau minėta, ratu besisukanti virvė suteikia centripetalinę jėgą daiktui, pririštam jo gale. Apsisukęs automobilis patiria centrinės jėgos jėgą nuo trinties tarp padangų ir kelio. Orbitoje esantis palydovas toliau juda ratu dėl gravitacinės jėgos, teikiančios išcentrinę jėgą link Žemės centro.

Kiekvienu iš šių atvejų, jei staiga būtų pašalintas išcentrinės jėgos šaltinis, virvė, trintis ar gravitacija, objektas nustotų judėti ratu. Tiksliau, jis skristų ties to apskritimo liestine, nesvarbu, kokį linijinį greitį jis turėjo.

Nes išcentrinė jėga nukreipta į objekto apskrito kelio ir išcentrinės jėgos centrą neegzistuoja, lenktu keliu judantis objektas turi patirti a grynoji jėga link apskritimo centro.

Iš antrojo Niutono dėsnio, F = ma, iš to seka, kad grynoji jėga sukelia pagreitį. Iš tiesų, viskas, kas juda ratu, turi pagreitį, vadinamą išcentrinis pagreitis, link apskritimo centro.

Tai gali atrodyti priešingai, turint omenyje, kad pagreitis reiškia kintantį greitį, tačiau daugybė dalykų juda ratu akivaizdžiai pastoviu greičiu.

Čia tai padeda prisiminti, kad greitis yra vektorius, turintis ir dydį, ir kryptį, ir pakeitus bet kurį iš jų gaunamas naujas greitis. Kai objektas juda ratu, tiek jo linijinis greitis, tiek centripetinis pagreitis nuolat keičia kryptį; bet kuriame kelio taške kiekvieno vektoriaus rodyklės bus nukreiptos kitaip nei bet kuriame kitame kelio taške.

Taigi objektas toliau keliauja į tuo pačiu greičiu bet su nuolat besikeičiančia kryptimi. Fizikai tai apibūdina taip vienodas sukamasis judesys.

Kadangi centripetalinė jėga visada yra statmena objekto tiesiniam greičiui, ji apibūdina objekto apskritimo kelio spindulį. Todėl kuo didesnė išcentrinė jėga, tuo sunkiau „tampoma“ į vidų, tuo griežtesnis ar mažesnis bus apskritimas, o kuo laisvesnė centripetalinė jėga, tuo didesnis bus apskritimo kelias.

Tai gali būti prasminga intuityviai: prisitraukite virvę, laikančią kamuolį, arba kreivę a lipnus paviršius, turintis didesnę trintį nei ant slidaus paviršiaus, pavyzdžiui, ledas, sukels mažesnį apskritimą judesius. Tiesiog nepamirškite, kad bet kokioje situacijoje vienintelė jėga, sukelianti sukamuosius judesius, yra į vidų, centrinė jėga. Jokia išcentrinė jėga niekada neišstumia objekto „į ratą“.