Orice obiect care se mișcă într-un cerc accelerează, chiar dacă viteza acestuia rămâne aceeași. Acest lucru ar putea părea contraintuitiv, deoarece cum poți accelera fără o schimbare de viteză? De fapt, deoarece accelerația este rata de schimbare a vitezei, iar viteza include viteza și direcția de mișcare, este imposibil să aveți mișcare circulară fără accelerație. Conform celei de-a doua legi a lui Newton, orice accelerare (A) este legat de o forță (F) deF = ma, iar în cazul mișcării circulare, forța în cauză se numește forță centripetă. Lucrul acesta este un proces simplu, dar este posibil să fie necesar să vă gândiți la situație în moduri diferite, în funcție de informațiile pe care le aveți.
TL; DR (Prea lung; Nu am citit)
Găsiți forța centripetă folosind formula:
F = mv2 / r
Aici,Fface referire la forță,meste masa obiectului,veste viteza tangențială a obiectului șireste raza cercului în care călătorește. Dacă cunoașteți sursa forței centripete (gravitația, de exemplu), puteți găsi forța centripetă folosind ecuația pentru acea forță.
Ce este forța centripetă?
Forța centripetă nu este o forță la fel ca forța gravitațională sau forța de frecare. Forța centripetă există deoarece accelerația centripetă există, dar cauza fizică a acestei forțe poate varia în funcție de situația specifică.
Luați în considerare mișcarea Pământului în jurul soarelui. Chiar dacă viteza orbitei sale este constantă, ea schimbă direcția continuu și, prin urmare, are o accelerație îndreptată spre soare. Această accelerație trebuie să fie cauzată de o forță, în conformitate cu prima și a doua lege a mișcării lui Newton. În cazul orbitei Pământului, forța care provoacă accelerația este gravitația.
Cu toate acestea, dacă rotiți o minge pe un șir într-un cerc cu o viteză constantă, forța care provoacă accelerația este diferită. În acest caz, forța este de la tensiunea din șir. Un alt exemplu este o mașină care menține o viteză constantă, dar care se rotește în cerc. În acest caz, fricțiunea dintre roțile mașinii și șosea este sursa forței.
Cu alte cuvinte, există forțe centripete, dar cauza fizică a acestora depinde de situație.
Formula pentru Forța Centripetă și Accelerația Centripetă
Accelerația centripetă este numele pentru accelerație direct spre centrul cercului în mișcare circulară. Aceasta este definită de:
a = \ frac {v ^ 2} {r}
Undeveste viteza obiectului în linie tangențială la cerc șireste raza cercului în care se deplasează. Gândește-te la ce s-ar întâmpla dacă ai balansa o minge conectată la un șir într-un cerc, dar șirul s-a rupt. Mingea ar zbura în linie dreaptă din poziția sa pe cerc în momentul în care s-a rupt șirul, iar acest lucru vă oferă o idee despre cevînseamnă în ecuația de mai sus.
Deoarece a doua lege a lui Newton afirmă că forța = masa × accelerație și avem o ecuație pentru accelerație mai sus, forța centripetă trebuie să fie:
F = \ frac {mv ^ 2} {r}
În această ecuație,mse referă la masă.
Deci, pentru a găsi forța centripetă, trebuie să cunoașteți masa obiectului, raza cercului în care călătorește și viteza sa tangențială. Folosiți ecuația de mai sus pentru a găsi forța pe baza acestor factori. Păstrați viteza, înmulțiți-o cu masa și apoi împărțiți rezultatul la raza cercului.
sfaturi
-
Viteze unghiulare:De asemenea, puteți utiliza viteza unghiularăω a obiectului dacă îl cunoașteți; este rata de schimbare a poziției unghiulare a obiectului în timp. Aceasta schimbă ecuația de accelerație centripetă la:
A = ω2r
Ecuația forței centripete devine:
F = mω2r
Găsirea forței centripete cu informații incomplete
Dacă nu aveți toate informațiile de care aveți nevoie pentru ecuația de mai sus, s-ar putea să păreați imposibil să găsiți forța centripetă. Cu toate acestea, dacă vă gândiți la situație, puteți de multe ori să aflați care ar putea fi forța.
De exemplu, dacă încercați să găsiți forța centripetă care acționează pe o planetă care orbitează o stea sau o lună care orbitează o planetă, știți că forța centripetă provine din gravitație. Aceasta înseamnă că puteți găsi forța centripetă fără viteza tangențială utilizând ecuația obișnuită pentru forța gravitațională:
F = \ frac {Gm_1m_2} {r ^ 2}
Undem1 șim2 sunt masele,Geste constanta gravitațională șireste separarea dintre cele două mase.
Pentru a calcula forța centripetă fără o rază, aveți nevoie de mai multe informații (circumferința cercului legată de rază deC = 2πr,de exemplu) sau valoarea pentru accelerația centripetă. Dacă cunoașteți accelerația centripetă, puteți calcula forța centripetă direct folosind a doua lege a lui Newton,F = ma.