Centripetal vs centrbēdzes spēks: kāda ir atšķirība un kāpēc tas ir svarīgi

Centripetālais spēks un centrbēdzes spēks ir divi termini, kurus fizikas studenti parasti jauc vai pārprot.

Tipisks nepareizs uzskats ir tāds, ka centrbēdzes spēks ir vērsts uz objekta apļa ceļa centru, bet centrbēdzes spēks ir vērsts uz āru, it kā abi darbotos pretējos virzienos. Tomēr tikai viens no tiem faktiski ir īsts spēks!

Vienīgais spēks, kas izraisa objekta apļveida kustību, ir centrālais spēks, kas vienmēr ir vērsts uz apļveida ceļa centru. Piemēram, ja automašīna noapaļo līkumu, centrālā virziena spēks, kas liek tam pārvietoties līknē, nevis taisna, tiek virzīts pa tā apļa rādiusu, kuram automašīna izseko.

• Centrbēdzes spēks ir fiktīvs spēks, tas nozīmē, ka tas ir nav īsts spēks. Centripetāls spēks ir īsts.

Centrbēdzes spēks, no otras puses, neeksistē. Tāpat kā plūsmas kondensators "Atpakaļ nākotnē", šis termins tika izgudrots, lai palīdzētu aprakstīt kaut ko iedomātu, lai arī balstoties uz dažiem reāliem novērojumiem. Pārvietošanās riņķī ietekmē mēdz likt objektam justies kā "lidojošam" uz āru, un priekšstats par

Kad automašīna veic grūtu pagriezienu pa kreisi, pasažieri var justies “izmesti” pa labi no automašīnas. Vai arī amerikāņu kalniņu cilpas apakšā braucēji var justies nogremdēti savās vietās.

Šīs jūtas ir rezultāts inerce; tomēr nē spēks (lai arī to var dēvēt par šķietamais spēks). Inerce apraksta objekta tieksmi pretoties izmaiņām tā kustībā, kā aprakstīts Ņūtona Pirmajā likumā - Inerces likumā.

Kad automašīna pēkšņi pagriežas vai amerikāņu kalniņi iegremdējas, iekšpusē esošie cilvēku ķermeņi jau pārvietojas ar zināmu ātrumu noteiktā virzienā. Saskaņā ar inerces likumu šīs struktūras sākotnēji pretoties mainot to ātrumu.

Pasažieri joprojām pārvietojas uz priekšu kosmosā, kad automašīna sāk pēkšņi iet pa kreisi - tā vietā, lai tiktu "izmesta pa labi", automašīna faktiski tiek ietriecoties tajos no kreisās puses, pēkšņi kustoties. Kad viņu ķermeņi ir panākuši un sāk kustēties arī pa kreisi, avarējošā sajūta beidzas.

Līdzīgi amerikāņu kalniņos ķermeņi joprojām virzās uz leju, kad kalniņi sāk uz tiem virzīties uz augšu. Kamēr viņu ķermeņi nesasniedzas, lai atbilstu kalniņa jaunajam ātrumam, viņi jūtas kā mesti pret ratiņu ārpusi. Viņu ķermeņi joprojām virzās uz ratiem, jo ​​ratiņi tagad virzās uz viņu ķermeņiem.

Centripetal spēks ir tikai daļa no receptes, kā likt kaut kam pārvietoties pa apli. Cita sastāvdaļa ir lineārais ātrums. Objektam jābūt kustīgam, kad centrripetālais spēks darbojas taisnā leņķī pret tā kustību, lai tas varētu pārvietoties pa apli.

Apsveriet bumbu virknes galā. Lai cilvēks liktu tam griezties ap galvu, viņam vispirms ir jādod tam lozēšana ar kādu horizontālu komponentu (citiem vārdiem sakot, nevis tieši sevī vai prom no sevis). Persona velk auklu saspringtu, un bumba sāk viņus riņķot, nevis lidot ārā.

Lai bumba uz virves turpinātu griezties, jāturpina notikt divām lietām: Cilvēkam jātur virve stingri jāvelk (velkot to iekšā), un viņiem ir jāturpina pievienot nelieli horizontāli nobīdījumi, lai saglabātu bumbas lineāro kustību, kas citādi palēninātos no berzes ar gaisu. (Tomēr kosmosā cilvēks to darītu tikai jāvelk mācītā virve, jo, griežoties vakuumā, bumba nezaudētu nevienu lineāro ātrumu.)

Ja bumba nekustētos un cilvēks virvi nostieptu saspiestu, bumba tikai virzītos uz iekšu pret personu, nevis apli. Ja bumba virzījās tieši ārā no cilvēka un viņi uzvilka virvi, vispirms bumba palēninājās, pēc tam mainīja virzienu un atkal virzījās uz cilvēku, atkal nevis apli.

Šādos gadījumos pat nebūtu jēgas saukt spēku, kas tiek pārsūtīts pa virvi, par centripetālu spēku. Tas ir vienkārši pielietots bumbas spriedzes spēks.

Vārds centrālais ir tikai veids, kā aprakstīt jebkuru spēku, kas darbojas perpendikulāri objekta lineārajam ātrumam. Daudzi objektu vai mijiedarbības veidi var nodrošināt centripetālos spēkus.

Piemēram, kā jau minēts, virve, kas griežas apli, nodrošina centrmezglu spēku objektam, kas sasiets tā galā. Automašīna, pagriežoties ap līkumu, piedzīvo centripetālu spēku no berzes starp riepām un ceļu. Orbītā esošais pavadonis turpina kustību apļa dēļ gravitācijas spēka dēļ, kas nodrošina centripetālu spēku uz Zemes centru.

Katrā no šiem gadījumiem, ja centripetālā spēka avots pēkšņi tiktu noņemts, virve, berze vai gravitācija, objekts pārstātu kustēties pa apli. Precīzāk, tas lidotu pie šī apļa pieskāriena ar jebkuru lineāro ātrumu, kāds tam bija.

Tā kā centrālais spēks ir vērsts uz objekta apļveida ceļa un centrbēdzes spēka centru nepastāv, lai to neitralizētu, objektam, kas pārvietojas pa izliektu ceļu, ir jāpiedzīvo a neto spēks virzienā uz apļa centru.

No Ņūtona otrā likuma F = ma, no tā izriet, ka neto spēks izraisa paātrinājumu. Patiešām, visam, kas pārvietojas pa apli, ir paātrinājums, saukts par centrālā ātruma paātrinājums, virzienā uz apļa centru.

Tas, šķiet, šķiet intuitīvi, ņemot vērā, ka paātrinājums nozīmē mainīgu ātrumu, tomēr daudzas lietas pārvietojas pa apli acīmredzami nemainīgā ātrumā.

Šeit tas palīdz atcerēties, ka ātrums ir vektors, kuram ir gan lielums, gan virziens, un mainot kādu no šiem, tiek iegūts jauns ātrums. Kad objekts pārvietojas pa apli, gan tā lineārais ātrums, gan centrālā ātruma paātrinājums pastāvīgi maina virzienu; jebkurā ceļa posmā katra vektora bultiņas būs vērstas citādi nekā jebkurā citā ceļa posmā.

Tātad objekts turpina ceļot pie tāds pats ātrums bet ar nepārtraukti mainīgu virzienu. Fiziķi to raksturo kā vienmērīga apļveida kustība.

Tā kā centrālais spēks vienmēr ir perpendikulārs objekta lineārajam ātrumam, tas apraksta objekta apļveida ceļa rādiusu. Tāpēc, jo lielāks ir centrripetālais spēks, jo grūtāk "velk" uz iekšu, jo stingrāks vai mazāks būs aplis, un jo brīvāks būs centrcentra spēks, jo lielāks būs apļveida ceļš.

Tam varētu būt jēga intuitīvi: ievilkt virvi, kas tur bumbu, vai veikt līkni uz a lipīga virsma ar lielāku berzi nekā uz slidenas virsmas, piemēram, ledus, abas radīs mazāku apļveida formu kustības. Vienkārši atcerieties, ka jebkurā situācijā vienīgais spēks, kas izraisa apļveida kustības, ir iekšējs, centrālais spēks. Neviens centrbēdzes spēks nekad neizstumj objektu "ārā" aplī.