Sentripetal vs sentrifugalkraft: Hva er forskjellen og hvorfor det betyr noe?

Sentripetal kraft og sentrifugalkraft er to begreper som fysikkstudenter ofte forveksler eller misforstår.

En typisk misforståelse er at sentripetal kraft er rettet mot sentrum av en gjenstands sirkulære bane, mens sentrifugalkraft er rettet utover, som om de to virker i motsatt retning. Imidlertid er bare en av disse faktisk en ekte makt!

Den eneste kraften som forårsaker et objekts sirkelbevegelse er sentripetal kraft, som alltid er rettet mot sentrum av sirkelstien. Hvis en bil for eksempel runder en sving, blir sentripetalkraften som får den til å bevege seg i en kurve i stedet for en rett linje, rettet langs sirkelen i sirkelen som bilen sporer ut.

• Sentrifugalkraft er en fiktiv kraft, noe som betyr at den er ikke en reell kraft. Sentripetal kraft er ekte.

Sentrifugalkraft, på den andre siden, eksisterer ikke. Som "Back to the Future's" flux kondensator, ble begrepet oppfunnet for å beskrive noe imaginært, om enn basert på noen reelle observasjoner. Effektene av å bevege seg i en sirkel har en tendens til å få et objekt til å føles som om det "flyr" utover, og ideen om en

Når en bil svinger hardt til venstre, kan passasjerer føle seg "kastet" til høyre for bilen. Eller i bunnen av en løkke på en berg-og dalbane, kan ryttere føle seg presset ned i setene.

Disse følelsene er resultatet av treghet; derimot, ikke en styrke (selv om den kan kalles en tilsynelatende kraft). Treghet beskriver tendensen til et objekt til å motstå endringer i bevegelsen, som beskrevet av Newtons første lov, treghetsloven.

Når bilen tar en plutselig sving, eller berg- og dalbanen setter sprang, beveger menneskekroppene inne seg allerede med en viss hastighet i en bestemt retning. I henhold til treghetsloven, disse kroppene i utgangspunktet stå imot endre hastighet.

Passasjerene beveger seg fremdeles fremover i rommet når bilen begynner å gå brått til venstre - i stedet for å bli "kastet til høyre", er bilen faktisk krasjer inn i dem fra venstre når den plutselig beveger seg. Når kroppene deres tar igjen og begynner å bevege seg mot venstre også, avsluttes den krasjende følelsen.

På samme måte i berg- og dalbanen beveger kroppene seg fortsatt nedover når dalbanen begynner å skyve oppover på dem. Inntil kroppene deres tar igjen for å matche den nye hastigheten til dalbanen, føler de at de blir kastet mot utsiden av vognene. Kroppene deres beveger seg fortsatt mot vognene når vognene nå beveger seg mot kroppene deres.

Sentripetal kraft er bare en del av oppskriften for å få noe til å bevege seg i en sirkel. Den andre ingrediensen er lineær hastighet. Et objekt må bevege seg når en sentripetal kraft virker i rett vinkel i forhold til bevegelsen for at den skal bevege seg i en sirkel.

Vurder en ball på enden av en streng. For at en person skal få det til å snurre rundt hodet, må de først gi det et kast med en horisontal komponent (med andre ord, ikke direkte inn i eller bort fra seg selv). Personen trekker strengen stramt, og ballen begynner å sirkle rundt dem i stedet for å fly ut.

To ting må fortsette å skje for at ballen på tauet skal fortsette å spinne: Personen må fortsette å trekke tauet stramt (ved å trekke det inn), og de må fortsette å legge til små horisontale knotter for å opprettholde ballens lineære bevegelse, som ellers vil redusere friksjonen med luften. (I rommet ville imidlertid personen gjøre det kun trenger å trekke i tauet som er lært siden ballen ikke vil miste noe av sin lineære hastighet mens den snurrer i vakuum.)

Hvis ballen ikke beveget seg og personen trakk tauet stramt, ville ballen bare bevege seg innover mot personen, ikke en sirkel. Hvis ballen beveget seg direkte ut fra personen, og de trakk i tauet, ville ballen først avta, deretter endre retning og bevege seg tilbake mot personen, igjen ikke en sirkel.

I disse tilfellene ville det ikke engang være fornuftig å kalle kraften som overføres gjennom tauet en sentripetal kraft. Det er rett og slett en påført spenningskraft på ballen.

Ordet sentripetal er bare en måte å beskrive hvilken som helst kraft som virker vinkelrett på et objekts lineære hastighet. Mange typer gjenstander eller interaksjoner kan gi sentripetale krefter.

For eksempel, som allerede nevnt, gir et tau som spinner i en sirkel sentripetal kraft til et objekt som er bundet på enden av det. En bil som snur seg rundt en sving opplever sentripetal kraft fra friksjonen mellom dekkene og veien. En satellitt i bane fortsetter å bevege seg i en sirkel på grunn av gravitasjonskraften som gir en sentripetal kraft mot sentrum av jorden.

I hvert av disse tilfellene, hvis kilden til sentripetalkraften ble fjernet plutselig, tauet, friksjonen eller tyngdekraften, ville objektet slutte å bevege seg i en sirkel. Mer spesifikt, ville det fly i en tangens til den sirkelen med den lineære hastigheten den hadde.

Fordi sentripetalkraft er rettet mot sentrum av en gjenstands sirkulære bane og sentrifugalkraft eksisterer ikke for å motvirke det, må objektet som beveger seg i en buet sti oppleve en nettokraft mot sentrum av sirkelen.

Fra Newtons andre lov, F = ma, det følger at en nettokraft forårsaker en akselerasjon. Faktisk har alt som beveger seg i en sirkel en akselerasjon, referert til som sentripetal akselerasjon, mot sentrum av sirkelen.

Dette kan virke kontraintuitivt, med tanke på at en akselerasjon betyr en endring av hastighet, men likevel beveger mange ting seg i en sirkel med en tilsynelatende konstant hastighet.

Her hjelper det å huske at hastighet er en vektor, med både en styrke og en retning, og å endre en av disse resulterer i en ny hastighet. Når et objekt beveger seg i en sirkel, endrer både dets lineære hastighet og sentripetal akselerasjon stadig retning; når som helst langs banen, vil pilene for hver vektor være vendt mot en annen vei enn på noe annet sted langs banen.

Så gjenstanden fortsetter å reise på samme hastighet men med en stadig skiftende retning. Fysikere beskriver dette som ensartet sirkelbevegelse.

Fordi sentripetalkraft alltid er vinkelrett på et objekts lineære hastighet, beskriver det radiusen til objektets sirkelbane. Derfor, jo større sentripetalkraft, jo hardere "slepebåt" innover, desto strammere eller mindre blir sirkelen, og jo løsere sentripetalkraft, desto større blir sirkelbanen.

Dette kan være fornuftig intuitivt: Å trekke inn i tauet som holder ballen, eller ta en kurve på en klebrig overflate med mer friksjon enn på en glatt, som is, vil begge resultere i mindre sirkulære bevegelser. Bare husk at i alle situasjoner er den eneste kraften som forårsaker sirkelbevegelsen en indre, sentripetal kraft. Ingen sentrifugalkraft skyver et objekt "ut" i en sirkel.