Centripetale versus middelpuntvliedende kracht: wat is het verschil en waarom is het belangrijk?

Centripetale kracht en middelpuntvliedende kracht zijn twee termen die natuurkundestudenten vaak verwarren of verkeerd begrijpen.

Een typische misvatting is dat de middelpuntvliedende kracht is gericht op het midden van het cirkelvormige pad van een object, terwijl de middelpuntvliedende kracht naar buiten is gericht, alsof de twee in tegengestelde richtingen werken. Slechts één van deze is echter een echt dwingen!

De enige kracht die de cirkelvormige beweging van een object veroorzaakt, is: middelpuntzoekende kracht, die altijd naar het midden van het cirkelvormige pad is gericht. Als een auto bijvoorbeeld een bocht afrondt, wordt de middelpuntvliedende kracht die ervoor zorgt dat hij in een bocht beweegt in plaats van in een rechte lijn langs de straal van de cirkel die de auto aftekent.

• Centrifugaalkracht is een fictieve kracht, wat betekent dat het is geen echte kracht. Middelpuntzoekende kracht is echt.

Centrifugale kracht, aan de andere kant,

Wanneer een auto een scherpe bocht naar links maakt, kunnen passagiers het gevoel hebben dat ze naar rechts van de auto worden 'gegooid'. Of onderaan een lus in een achtbaan kunnen rijders het gevoel hebben dat ze in hun stoel worden geduwd.

Deze gevoelens zijn het resultaat van traagheid; echter, niet een kracht (hoewel het kan worden aangeduid als een schijnbare kracht). Traagheid beschrijft de neiging van een object om weerstand te bieden aan veranderingen in zijn beweging, zoals beschreven door de eerste wet van Newton, de wet van traagheid.

Wanneer de auto een plotselinge bocht neemt, of de achtbaan zijn duikvlucht maakt, bewegen de menselijke lichamen binnenin al met enige snelheid in een bepaalde richting. Volgens de wet van traagheid zijn deze lichamen aanvankelijk zich verzetten hun snelheden veranderen.

De passagiers gaan nog steeds vooruit in de ruimte wanneer de auto abrupt naar links begint te gaan - dus in plaats van "naar rechts te worden gegooid", is de auto eigenlijk van links tegen ze aan botsen terwijl het plotseling beweegt. Zodra hun lichamen inhalen en ook naar links beginnen te bewegen, eindigt het crashende gevoel.

Evenzo in de achtbaan bewegen de lichamen nog steeds naar beneden wanneer de achtbaan hen omhoog begint te duwen. Totdat hun lichamen de nieuwe snelheid van de achtbaan evenaren, hebben ze het gevoel dat ze tegen de buitenkant van de karren worden gegooid. Hun lichamen bewegen nog steeds naar de karren terwijl de karren nu naar hun lichamen toe bewegen.

Centripetale kracht is slechts een deel van het recept om iets in een cirkel te laten bewegen. Het andere ingrediënt is: lineaire snelheid. Een object moet bewegen wanneer een middelpuntzoekende kracht haaks op zijn beweging werkt om in een cirkel te kunnen bewegen.

Beschouw een bal aan het einde van een touwtje. Als iemand het om zijn hoofd wil laten draaien, moet hij het eerst een worp geven met een horizontale component (met andere woorden, niet rechtstreeks in of weg van zichzelf). De persoon trekt het touwtje strak en de bal begint om hen heen te cirkelen in plaats van eruit te vliegen.

Er moeten twee dingen blijven gebeuren om de bal aan het touw te laten draaien: de persoon moet het touw strak blijven trekken (door eraan te trekken), en ze moeten lichte horizontale duwtjes blijven geven om de lineaire beweging van de bal te behouden, die anders zou vertragen door wrijving met de lucht. (In de ruimte zou de persoon echter enkel en alleen moet aan het aangeleerde touw trekken, omdat de bal zijn lineaire snelheid niet zou verliezen tijdens het draaien in een vacuüm.)

Als de bal niet bewoog en de persoon het touw strak trok, zou de bal gewoon naar binnen bewegen in de richting van de persoon, geen cirkel. Als de bal rechtstreeks van de persoon uit zou gaan en ze aan het touw zouden trekken, zou de bal eerst vertragen, dan van richting veranderen en terug naar de persoon gaan, opnieuw geen cirkel.

In deze gevallen zou het zelfs niet logisch zijn om de kracht die door het touw wordt overgebracht een middelpuntzoekende kracht te noemen. Het is gewoon een uitgeoefende kracht van spanning op de bal.

Het woord middelpuntzoekend is slechts een manier om elke kracht te beschrijven die loodrecht op de lineaire snelheid van een object werkt. Veel soorten objecten of interacties kunnen middelpuntzoekende krachten leveren.

Zoals eerder vermeld, levert een touw dat in een cirkel ronddraait middelpuntzoekende kracht op een object dat aan het uiteinde ervan is vastgemaakt. Een auto die door een bocht draait, ondervindt de middelpuntvliedende kracht van de wrijving tussen de banden en de weg. Een satelliet in een baan om de aarde blijft in een cirkel bewegen vanwege de zwaartekracht die een middelpuntzoekende kracht naar het middelpunt van de aarde levert.

In elk van deze gevallen, als de bron van de middelpuntzoekende kracht plotseling zou worden verwijderd, het touw, de wrijving of de zwaartekracht, zou het object stoppen met bewegen in een cirkel. Meer specifiek, het zou wegvliegen in een raaklijn aan die cirkel met welke lineaire snelheid het ook had.

Omdat de middelpuntvliedende kracht is gericht op het middelpunt van het cirkelvormige pad en de middelpuntvliedende kracht van een object bestaat niet om het tegen te gaan, moet het object dat zich in een gekromd pad beweegt a ervaren netto kracht naar het midden van de cirkel.

Van de tweede wet van Newton, F = ma, hieruit volgt dat een netto kracht een versnelling veroorzaakt. Inderdaad, alles dat in een cirkel beweegt, heeft een versnelling, ook wel genoemd: middelpuntzoekende versnelling, naar het midden van de cirkel.

Dit lijkt misschien contra-intuïtief, aangezien een versnelling een veranderende snelheid betekent, maar toch bewegen veel dingen in een cirkel met een schijnbaar constante snelheid.

Hier helpt het eraan te herinneren dat snelheid een vector is, met zowel een grootte als een richting, en het veranderen van een van beide resulteert in een nieuwe snelheid. Terwijl een object in een cirkel beweegt, veranderen zowel de lineaire snelheid als de centripetale versnelling voortdurend van richting; op elk punt langs het pad zullen de pijlen voor elke vector in een andere richting wijzen dan op enig ander punt langs het pad.

Dus het object blijft reizen op de dezelfde snelheid maar met een steeds veranderende richting. Natuurkundigen beschrijven dit als: eenparige cirkelvormige beweging.

Omdat de middelpuntzoekende kracht altijd loodrecht staat op de lineaire snelheid van een object, beschrijft het de straal van het cirkelvormige pad van het object. Daarom, hoe groter de middelpuntzoekende kracht, hoe harder de "trekkracht" naar binnen, hoe strakker of kleiner de cirkel zal zijn, en hoe losser de middelpuntzoekende kracht, hoe groter het cirkelvormige pad zal zijn.

Dit kan intuïtief logisch zijn: aan het touw trekken dat de bal vasthoudt, of een bocht nemen op een plakkerig oppervlak met meer wrijving dan op een glad oppervlak, zoals ijs, zal beide resulteren in kleinere cirkelvormige bewegingen. Onthoud gewoon dat in elke situatie de enige kracht die de cirkelvormige beweging veroorzaakt, een is innerlijke, middelpuntzoekende kracht. Geen enkele centrifugale kracht duwt ooit een object "naar buiten" in een cirkel.