Centripetal vs Centrifugal Force: Care este diferența și de ce contează

Forța centripetă și forța centrifugă sunt doi termeni pe care studenții la fizică le confundă sau le înțeleg greșit.

O concepție greșită tipică este că forța centripetă este direcționată spre centrul căii circulare a unui obiect, în timp ce forța centrifugă este direcționată spre exterior, ca și cum cele două acționează în direcții opuse. Cu toate acestea, doar unul dintre acestea este de fapt un real forta!

Singura forță care provoacă mișcarea circulară a unui obiect este forta centripeta, care este întotdeauna îndreptată spre centrul căii circulare. Dacă o mașină rotunjește o curbă, de exemplu, forța centripetă care o face să se deplaseze într-o curbă mai degrabă decât o linie dreaptă este direcționată de-a lungul razei cercului pe care mașina o urmărește.

• Forța centrifugă este o forță fictivă, ceea ce înseamnă că este nu o forță reală. Forta centripeta e real.

Forța centrifugă, pe de altă parte, nu exista. La fel ca condensatorul de flux „Înapoi la viitor”, termenul a fost inventat pentru a ajuta la descrierea a ceva imaginar, deși pe baza unor observații reale. Efectele mișcării într-un cerc tind să facă un obiect să pară că „zboară” spre exterior și ideea unui

Când o mașină face o cotitură puternică la stânga, pasagerii s-ar putea simți „aruncați” în dreapta mașinii. Sau în partea de jos a unei bucle pe un roller coaster, călăreții se pot simți împinși în jos în scaunele lor.

Aceste sentimente sunt rezultatul inerţie; in orice caz, nu o forță (deși poate fi denumită o forță aparentă). Inerția descrie tendința unui obiect de a rezista schimbărilor în mișcarea sa, așa cum este descris de Prima lege a lui Newton, Legea inerției.

Când mașina ia o întorsătură bruscă sau muntele rusesc plonjează, corpurile umane din interior se mișcă deja cu o anumită viteză într-o anumită direcție. Conform Legii inerției, aceste organisme inițial a rezista schimbându-le viteza.

Pasagerii continuă să avanseze în spațiu când mașina începe să meargă brusc la stânga - deci, mai degrabă decât să fie „aruncată la dreapta”, mașina este de fapt izbindu-se de ele din stânga, pe măsură ce se mișcă brusc. Odată ce corpurile lor ajung din urmă și încep să se miște și la stânga, senzația de prăbușire se termină.

În mod similar, în roller coaster, corpurile se mișcă încă în jos atunci când coasterul începe să împingă în sus pe ele. Până când corpurile lor ajung din nou pentru a se potrivi cu noua viteză a coasterului, simt că sunt aruncați în exteriorul căruțelor. Corpurile lor se mișcă încă spre căruțe, pe măsură ce căruțele se îndreaptă acum spre corpurile lor.

Forța centripetă este doar o parte a rețetei pentru a face ceva să se miște în cerc. Celălalt ingredient este viteza liniară. Un obiect trebuie să fie în mișcare atunci când o forță centripetă acționează în unghi drept față de mișcarea sa pentru a se deplasa într-un cerc.

Luați în considerare o minge la capătul unui șir. Pentru ca o persoană să-l facă să se învârtă în jurul capului, trebuie să-i dea mai întâi o aruncare cu o componentă orizontală (cu alte cuvinte, nu direct în sau departe de ei înșiși). Persoana trage coarda încordată, iar mingea începe să le înconjoare mai degrabă decât să zboare.

Două lucruri trebuie să se întâmple în continuare pentru ca mingea de pe frânghie să se învârtă în continuare: persoana trebuie să continue să tragă frânghia încordată (trăgând-o), și ei trebuie să adauge în continuare ușoare lovituri orizontale pentru a menține mișcarea liniară a mingii, care altfel ar încetini din fricțiunea cu aerul. (În spațiu, însă, persoana ar face-o numai trebuie să tragi frânghia învățată, deoarece mingea nu și-ar pierde din viteza liniară în timp ce se rotește în vid.)

Dacă mingea nu se mișca și persoana trage frânghia încordată, mingea s-ar mișca doar spre interior, nu un cerc. Dacă mingea se mișca direct de la persoana respectivă și trăgea de frânghie, mai întâi mingea ar încetini, apoi își va schimba direcția și se va deplasa înapoi spre persoană, din nou nu un cerc.

În aceste cazuri, nici măcar nu ar avea sens să numim forța transmisă prin frânghie o forță centripetă. Este pur și simplu o forță de tensiune aplicată asupra mingii.

Cuvantul centripet este doar o modalitate de a descrie orice forță care acționează perpendicular pe viteza liniară a unui obiect. Multe tipuri de obiecte sau interacțiuni pot furniza forțe centripete.

De exemplu, după cum sa menționat deja, o frânghie care se rotește într-un cerc oferă forță centripetă unui obiect legat la capătul acestuia. O mașină care se întoarce în jurul unei curbe experimentează forța centripetă din fricțiunea dintre anvelope și drum. Un satelit pe orbită continuă să se miște într-un cerc datorită forței gravitaționale care oferă o forță centripetă către centrul Pământului.

În fiecare dintre aceste cazuri, dacă sursa forței centripete ar fi îndepărtată brusc, frânghia, fricțiunea sau gravitația, obiectul ar înceta să se miște în cerc. Mai precis, ar zbura la o tangentă la acel cerc cu orice viteză liniară avea.

Deoarece forța centripetă este direcționată spre centrul căii circulare și forța centrifugă a unui obiect nu există pentru a o contracara, obiectul care se mișcă pe o cale curbată trebuie să experimenteze un forta neta spre centrul cercului.

Din a doua lege a lui Newton, F = ma, rezultă că o forță netă determină o accelerație. Într-adevăr, orice mișcare într-un cerc are o accelerație, denumită accelerație centripetă, spre centrul cercului.

Acest lucru poate părea contra-intuitiv, având în vedere că o accelerație înseamnă o viteză în schimbare, totuși o mulțime de lucruri se mișcă într-un cerc cu o rată aparent constantă.

Aici ne ajută să ne amintim că viteza este un vector, atât cu o magnitudine, cât și cu o direcție, iar schimbarea oricăreia dintre acestea are ca rezultat o nouă viteză. Pe măsură ce un obiect se mișcă într-un cerc, atât viteza sa liniară, cât și accelerația centripetă se schimbă constant de direcție; în orice punct de-a lungul căii, săgețile pentru fiecare vector vor fi orientate într-un mod diferit decât în ​​orice alt punct de-a lungul căii.

Deci obiectul continuă să călătorească la aceeași viteză dar cu o direcție în continuă schimbare. Fizicienii descriu acest lucru ca fiind mișcare circulară uniformă.

Deoarece forța centripetă este întotdeauna perpendiculară pe viteza liniară a unui obiect, ea descrie raza căii circulare a obiectului. Prin urmare, cu cât forța centripetă este mai mare, cu atât „remorcherul” este mai greu spre interior, cu atât cercul va fi mai strâns sau mai mic și cu cât forța centripetă este mai slabă, cu atât va fi mai mare calea circulară.

Acest lucru ar putea avea sens intuitiv: Tragând de coarda ținând mingea sau luând o curbă pe un o suprafață lipicioasă cu mai multe fricțiuni decât pe una slick, cum ar fi gheața, va avea ca rezultat o circulară mai mică mișcări. Amintiți-vă doar că, în orice situație, singura forță care provoacă mișcarea circulară este o forța interioară, centripetă. Nici o forță centrifugă nu împinge vreodată un obiect „afară” într-un cerc.