Центростремительная сила против центробежной силы: в чем разница и почему это важно

Центростремительная сила и центробежная сила - два термина, которые студенты-физики обычно путают или неправильно понимают.

Типичное заблуждение состоит в том, что центростремительная сила направлена ​​к центру кругового пути объекта, в то время как центробежная сила направлена ​​вовне, как если бы они действовали в противоположных направлениях. Однако только один из них на самом деле настоящий сила!

Единственная сила, вызывающая круговое движение объекта, - это центростремительная сила, который всегда направлен к центру круговой траектории. Если автомобиль, например, огибает поворот, центростремительная сила, заставляющая его двигаться по кривой, а не по прямой линии, направлена ​​по радиусу круга, по которому идет автомобиль.

• Центробежная сила - это фиктивная сила, то есть она не настоящая сила. Центростремительная сила это реально.

Центробежная сила, с другой стороны, не существует. Как и конденсатор потока «Назад в будущее», этот термин был изобретен, чтобы помочь описать что-то воображаемое, хотя и основанное на некоторых реальных наблюдениях. Эффекты движения по кругу вызывают у объекта ощущение, будто он «летит» наружу, и идея

Когда автомобиль резко поворачивает налево, пассажиры могут чувствовать себя «брошенными» вправо от машины. Или в нижней части петли на американских горках гонщики могут почувствовать себя прижатыми к своим сиденьям.

Эти чувства - результат инерция; тем не мение, нет сила (хотя ее можно назвать кажущаяся сила). Инерция описывает тенденцию объекта сопротивляться изменениям в его движении, как описано в Первом законе Ньютона, Законе инерции.

Когда машина резко поворачивает или американские горки падают, человеческие тела внутри уже движутся с некоторой скоростью в определенном направлении. Согласно Закону инерции эти тела изначально сопротивляться изменяя их скорости.

Пассажиры все еще движутся вперед в пространстве, когда машина резко начинает уезжать влево - так что вместо того, чтобы быть "брошенным вправо", машина на самом деле врезаясь в них слева, когда он внезапно движется. Как только их тела догоняют и начинают двигаться влево, ощущение грохота заканчивается.

Точно так же и на американских горках тела все еще движутся вниз, когда горки начинают толкать их вверх. Пока их тела не догонят, чтобы соответствовать новой скорости каботажного судна, они чувствуют, что их бросают на внешнюю сторону тележек. Их тела все еще движутся к тележкам, поскольку тележки теперь движутся к их телам.

Центростремительная сила - это только часть рецепта, заставляющего что-то двигаться по кругу. Другой ингредиент линейная скорость. Объект должен двигаться, когда центростремительная сила действует под прямым углом к ​​его движению, чтобы он мог двигаться по кругу.

Представьте шарик на конце веревки. Чтобы человек мог заставить его вращаться вокруг своей головы, он должен сначала подбросить его с некоторым горизонтальным компонентом (другими словами, не прямо в себя или от себя). Человек туго натягивает веревку, и мяч начинает кружить над ним, а не вылетать.

Чтобы мяч на веревке продолжал вращаться, должны происходить две вещи: человек должен продолжать натягивать веревку (натягивая ее), а также они должны продолжать добавлять небольшие горизонтальные толчки, чтобы поддерживать линейное движение мяча, которое в противном случае замедлилось бы из-за трения с воздухом. (Однако в космосе человек мог бы Только необходимо тянуть за веревку, так как мяч не теряет своей линейной скорости при вращении в вакууме.)

Если бы мяч не двигался и человек натянул веревку, мяч просто двинулся бы внутрь к человеку, а не по кругу. Если мяч двигался прямо от человека, и они тянули за веревку, сначала мяч замедлялся, затем менял направление и возвращался к человеку, опять же не по кругу.

В этих случаях даже не имеет смысла называть силу, передаваемую через веревку, центростремительной силой. Это просто приложенная к мячу сила натяжения.

Слово центростремительный это просто способ описать любую силу, действующую перпендикулярно линейной скорости объекта. Многие типы объектов или взаимодействий могут создавать центростремительные силы.

Например, как уже упоминалось, веревка, вращающаяся по кругу, передает центростремительную силу объекту, привязанному к ее концу. Автомобиль, поворачивающий на повороте, испытывает центростремительную силу от трения между шинами и дорогой. Спутник на орбите продолжает движение по кругу из-за гравитационной силы, создающей центростремительную силу по направлению к центру Земли.

В каждом из этих случаев, если внезапно удалить источник центростремительной силы, веревку, трение или гравитацию, объект перестанет двигаться по кругу. В частности, он будет лететь по касательной к этому кругу с любой линейной скоростью.

Поскольку центростремительная сила направлена ​​к центру кругового пути объекта, а центробежная сила не существует, чтобы противодействовать этому, объект, движущийся по изогнутой траектории, должен испытывать равнодействующая сила к центру круга.

Из Второго закона Ньютона, F = ma, из этого следует, что чистая сила вызывает ускорение. Действительно, все, что движется по кругу, имеет ускорение, называемое центростремительное ускорение, к центру круга.

Это может показаться нелогичным, учитывая, что ускорение означает изменяющуюся скорость, но многие вещи движутся по кругу с очевидно постоянной скоростью.

Здесь полезно вспомнить, что скорость - это вектор, имеющий как величину, так и направление, и изменение любого из них приводит к новой скорости. Когда объект движется по кругу, его линейная скорость и центростремительное ускорение постоянно меняют направление; в любой точке пути стрелки для каждого вектора будут смотреть иначе, чем в любой другой точке пути.

Таким образом, объект продолжает движение по такая же скорость но с постоянно меняющимся направлением. Физики описывают это как равномерное круговое движение.

Поскольку центростремительная сила всегда перпендикулярна линейной скорости объекта, она описывает радиус круговой траектории объекта. Следовательно, чем больше центростремительная сила, тем сильнее «рывок» внутрь, тем плотнее или меньше будет круг, и чем слабее центростремительная сила, тем больше будет круговой путь.

Это может иметь интуитивный смысл: натянуть веревку, удерживающую мяч, или повернуть липкая поверхность с большим трением, чем на гладкой, как лед, приведет к уменьшению круглой движения. Просто помните, что в любой ситуации единственная сила, вызывающая круговое движение, - это внутрь, центростремительная сила. Никакая центробежная сила никогда не выталкивает объект «наружу» по кругу.