Siła dośrodkowa a siła odśrodkowa: jaka jest różnica i dlaczego ma to znaczenie

Siła dośrodkowa i siła odśrodkowa to dwa terminy, które studenci fizyki często mylą lub błędnie rozumieją.

Typowym błędnym przekonaniem jest to, że siła dośrodkowa jest skierowana w kierunku środka toru kołowego obiektu, podczas gdy siła odśrodkowa jest skierowana na zewnątrz, tak jakby obie działały w przeciwnych kierunkach. Jednak tylko jeden z nich jest w rzeczywistości a real siła!

Jedyną siłą powodującą ruch okrężny obiektu jest siła dośrodkowa, który jest zawsze skierowany w stronę środka ścieżki kołowej. Na przykład, jeśli samochód zaokrągla zakręt, siła dośrodkowa powodująca, że ​​porusza się on po łuku, a nie po linii prostej, jest kierowana wzdłuż promienia okręgu, po którym samochód porusza się.

• Siła odśrodkowa jest siłą fikcyjną, co oznacza, że ​​jest nie prawdziwa siła. Siła dośrodkowa jest realne.

Siła odśrodkowa, z drugiej strony, nie istnieje. Podobnie jak kondensator strumienia „Powrót do przyszłości”, termin ten został wymyślony, aby pomóc opisać coś wyimaginowanego, choć opartego na prawdziwych obserwacjach. Skutki poruszania się po okręgu sprawiają, że obiekt wydaje się „odlatywać” na zewnątrz, a idea

Gdy samochód skręca ostro w lewo, pasażerowie mogą poczuć się „rzuceni” na prawo od samochodu. Lub na dole pętli na kolejce górskiej jeźdźcy mogą czuć się wepchnięci na swoje siedzenia.

Te uczucia są wynikiem bezwładność; jednak, nie siła (chociaż może być określana jako an pozorna siła). Bezwładność opisuje tendencję obiektu do przeciwstawiania się zmianom w swoim ruchu, zgodnie z pierwszym prawem Newtona, prawem bezwładności.

Gdy samochód nagle skręca lub kolejka górska wpada do środka, ludzkie ciała w środku poruszają się już z pewną prędkością w określonym kierunku. Zgodnie z prawem bezwładności ciała te początkowo opierać się zmieniając ich prędkości.

Pasażerowie wciąż poruszają się do przodu w kosmosie, gdy samochód zaczyna nagle schodzić w lewo – więc zamiast zostać „wyrzucony w prawo”, samochód jest właściwie wpada na nie z lewej strony, gdy nagle się porusza. Gdy ich ciała dogonią i zaczną poruszać się również w lewo, uczucie zderzenia się kończy.

Podobnie w kolejce górskiej ciała nadal poruszają się w dół, gdy kolejka zaczyna napierać na nie w górę. Dopóki ich ciała nie dogonią, aby dopasować się do nowej prędkości kolejki, czują się, jakby zostali rzuceni na zewnątrz wozów. Ich ciała wciąż poruszają się w kierunku wozów, które teraz zbliżają się do ich ciał.

Siła dośrodkowa to tylko część przepisu na poruszanie się po okręgu. Drugi składnik to prędkość liniowa. Obiekt musi się poruszać, gdy siła dośrodkowa działa pod kątem prostym do jego ruchu, aby mógł poruszać się po okręgu.

Rozważ piłkę na końcu sznurka. Aby osoba mogła kręcić się wokół głowy, musi najpierw rzucić ją jakimś poziomym komponentem (innymi słowy, nie bezpośrednio do siebie lub od siebie). Osoba napina sznurek, a piłka zaczyna ją krążyć, zamiast wylatywać.

Dwie rzeczy muszą się wydarzyć, aby piłka na linie nadal się kręciła: osoba musi ciągnąć linę naprężoną (przez wciąganie), i muszą ciągle dodawać lekkie poziome szturchnięcia, aby utrzymać liniowy ruch piłki, który w przeciwnym razie spowolniłby tarcie z powietrzem. (W kosmosie jednak osoba: tylko trzeba ciągnąć linę nauczoną, ponieważ piłka nie straciłaby żadnej ze swojej prędkości liniowej podczas wirowania w próżni.)

Gdyby piłka się nie poruszała, a osoba naciągnęła linę naprężoną, piłka po prostu przesunęłaby się do wewnątrz w kierunku osoby, a nie koło. Gdyby piłka wysuwała się bezpośrednio od osoby, a oni ciągnęli za linę, najpierw zwolniłaby, a następnie zmieniła kierunek i wróciła w stronę osoby, znowu nie koło.

W takich przypadkach nie miałoby nawet sensu nazywanie siły przenoszonej przez linę siłą dośrodkową. Jest to po prostu siła naciągu piłki.

Słowo dośrodkowy to tylko sposób na opisanie każdej siły działającej prostopadle do prędkości liniowej obiektu. Wiele rodzajów obiektów lub interakcji może generować siły dośrodkowe.

Na przykład, jak już wspomniano, lina obracająca się w kółko zapewnia siłę dośrodkową do przedmiotu przywiązanego na jej końcu. Samochód skręcający na zakręcie doświadcza siły dośrodkowej wynikającej z tarcia między oponami a drogą. Satelita na orbicie nadal porusza się po okręgu dzięki sile grawitacyjnej, która zapewnia siłę dośrodkową w kierunku środka Ziemi.

W każdym z tych przypadków, gdyby źródło siły dośrodkowej zostało nagle usunięte, lina, tarcie lub grawitacja, obiekt przestałby się poruszać po okręgu. Mówiąc dokładniej, odleciałby stycznie do tego okręgu z jakąkolwiek prędkością liniową, jaką miałby.

Ponieważ siła dośrodkowa jest skierowana w kierunku środka toru kołowego obiektu i siły odśrodkowej nie istnieje, by temu przeciwdziałać, obiekt poruszający się po zakrzywionej ścieżce musi doświadczać siła wypadkowa w kierunku środka koła.

Z drugiego prawa Newtona, F = ma, wynika z tego, że siła wypadkowa powoduje przyspieszenie. Rzeczywiście, wszystko poruszające się po okręgu ma przyspieszenie, określane jako przyspieszenie dośrodkowe, w kierunku środka okręgu.

Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, biorąc pod uwagę, że przyspieszenie oznacza zmianę prędkości, a jednak wiele rzeczy porusza się po okręgu z pozornie stałą prędkością.

W tym miejscu warto przypomnieć, że prędkość jest wektorem, mającym zarówno wartość, jak i kierunek, a zmiana którejkolwiek z tych wartości daje nową prędkość. Gdy obiekt porusza się po okręgu, zarówno jego prędkość liniowa, jak i przyspieszenie dośrodkowe stale zmieniają kierunek; w dowolnym punkcie ścieżki strzałki każdego wektora będą skierowane w inną stronę niż w jakimkolwiek innym punkcie ścieżki.

Więc obiekt kontynuuje podróż w at ta sama prędkość ale z ciągle zmieniającym się kierunkiem. Fizycy opisują to jako Jednolity ruch kołowy.

Ponieważ siła dośrodkowa jest zawsze prostopadła do prędkości liniowej obiektu, opisuje promień toru kołowego obiektu. Dlatego im większa siła dośrodkowa, tym mocniejsze „sciągnięcie” do wewnątrz, ciaśniejsze lub mniejsze koło, a im mniejsza siła dośrodkowa, tym większa będzie okrągła ścieżka.

To może mieć sens intuicyjnie: ciągnięcie liny trzymającej piłkę lub robienie zakrętu na lepka powierzchnia z większym tarciem niż na śliskiej, takiej jak lód, spowoduje mniejsze okrągłe ruchy. Pamiętaj tylko, że w każdej sytuacji jedyną siłą powodującą ruch okrężny jest do wewnątrz, siła dośrodkowa. Żadna siła odśrodkowa nigdy nie wypycha obiektu „na zewnątrz” w okrąg.