Odstredivá vs odstredivá sila: Aký je rozdiel a prečo na ňom záleží

Odstredivá sila a odstredivá sila sú dva pojmy, ktoré si študenti fyziky bežne mýlia alebo nesprávne chápu.

Typická mylná predstava je, že dostredivá sila smeruje do stredu kruhovej dráhy objektu, zatiaľ čo odstredivá sila smeruje von, akoby pôsobili opačne. Iba jedna z nich je však v skutočnosti a reálny sila!

Jedinou silou spôsobujúcou kruhový pohyb objektu je dostredivá sila, ktorá je vždy smerovaná do stredu kruhovej dráhy. Ak napríklad auto obieha zákrutu, dostredivá sila, ktorá ho posúva, sa pohybuje skôr v zákrute, než po priamke, smeruje pozdĺž polomeru kružnice, ktorú automobil sleduje.

• Odstredivá sila je fiktívna sila, to znamená, že je nie skutočná sila. Dostredivá sila je skutočný.

Odstredivá sila, na druhej strane, neexistuje. Rovnako ako tavný kondenzátor „Back to the Future“, aj tento termín bol vynájdený, aby pomohol opísať niečo imaginárne, hoci na základe skutočných pozorovaní. Účinky pohybu v kruhu majú tendenciu vyvolávať u objektu pocit, akoby „letel“ smerom von, a predstava o

Keď auto prudko zatočí doľava, cestujúci sa môžu cítiť „hodení“ napravo od vozidla. Alebo na spodnej časti slučky na horskej dráhe, môžu sa jazdci cítiť tlačení dole na svoje miesta.

Tieto pocity sú výsledkom zotrvačnosť; avšak nie sila (aj keď sa môže označovať ako zdanlivá sila). Zotrvačnosť popisuje tendenciu objektu odolávať zmenám v jeho pohybe, ako ho popisuje Newtonov prvý zákon, zákon zotrvačnosti.

Keď auto prudko odbočí alebo sa horská dráha ponorí, ľudské telá vo vnútri sa už pohybujú určitou rýchlosťou určitým smerom. Podľa zákona zotrvačnosti, tieto orgány spočiatku odolať ich rýchlosti.

Pasažieri sa stále pohybujú vpred, keď auto začne prudko ísť doľava - takže namiesto toho, aby bolo „odhodené vpravo“, je auto skutočne narazil do nich zľava, keď sa to náhle pohlo. Akonáhle ich telá dobehnú a začnú sa pohybovať tiež doľava, zrážka sa skončí.

Podobne ako na horskej dráhe, aj tak sa telá pohybujú nadol, keď sa horská dráha na ne začne tlačiť smerom nahor. Kým sa ich telá nestihnú vyrovnať novej rýchlosti horskej dráhy, majú pocit, že ich vrhajú na vonkajšiu stranu vozíkov. Ich telá sa stále pohybujú smerom k vozíkom, pretože vozíky sa teraz pohybujú smerom k ich telám.

Dostredivá sila je iba časťou receptu na to, aby sa niečo pohlo v kruhu. Ďalšou zložkou je lineárna rýchlosť. Objekt sa musí pohybovať, keď dostredivá sila pôsobí v pravom uhle na jeho pohyb, aby sa mohla pohybovať v kruhu.

Zvážte guľu na konci povrázku. Aby sa človeku točilo okolo hlavy, musí to najskôr hodiť nejakou vodorovnou zložkou (inými slovami, nie priamo do seba alebo od seba). Osoba potiahne šnúrku napnutú a loptička ich začne skôr obiehať ako vyletovať.

Aby sa lopta na lane mohla stále točiť, musia sa neustále diať dve veci: Osoba musí neustále napínať lano (zaťahovať ho), a musia neustále pridávať mierne vodorovné štuchnutia, aby udržali lineárny pohyb lopty, ktorý by sa inak spomalil v dôsledku trenia so vzduchom. (Vo vesmíre by to však človek urobil iba je potrebné ťahať za povraz, pretože loptička by pri rotovaní vo vákuu nestratila nič zo svojej lineárnej rýchlosti.)

Ak sa lopta nehýbala a osoba napnutá za lano napínala, lopta by sa pohybovala iba smerom dovnútra k osobe, nie k kruhu. Ak sa lopta pohybovala priamo od osoby a tí by natiahli lano, najskôr by sa lopta spomalila, potom zmenila smer a vrátila sa späť k osobe, opäť nie v kruhu.

V týchto prípadoch by ani nemalo zmysel nazývať silu prenášanú lanom dostredivou silou. Je to jednoducho pôsobiaca sila napätia na loptu.

Slovo dostredivý je len spôsob, ako opísať ľubovoľnú silu pôsobiacu kolmo na lineárnu rýchlosť objektu. Mnoho druhov objektov alebo interakcií môže poskytnúť dostredivé sily.

Napríklad, ako už bolo spomenuté, lano točiace sa v kruhu poskytuje dostredivú silu na predmet uviazaný na jeho konci. Auto zatáčajúce v zákrute zažíva dostredivú silu od trenia medzi pneumatikami a vozovkou. Družica na obežnej dráhe sa naďalej pohybuje v kruhu vďaka gravitačnej sile poskytujúcej dostredivú silu smerom do stredu Zeme.

V každom z týchto prípadov, ak by sa náhle odstránil zdroj dostredivej sily, lano, trenie alebo gravitácia, objekt by sa prestal pohybovať v kruhu. Konkrétnejšie, odletela by v dotyčnici k tomuto kruhu s akoukoľvek lineárnou rýchlosťou, ktorú mala.

Pretože dostredivá sila smeruje do stredu kruhovej dráhy objektu a odstredivej sily neexistuje, aby tomu čelil, objekt pohybujúci sa v zakrivenej dráhe musí prežívať a čistá sila smerom do stredu kruhu.

Z Newtonovho druhého zákona, F = ma, z toho vyplýva, že čistá sila spôsobuje zrýchlenie. Čokoľvek, čo sa pohybuje v kruhu, má skutočne zrýchlenie, ktoré sa označuje ako dostredivé zrýchlenie, smerom do stredu kruhu.

To sa môže javiť ako neintuitívne, ak vezmeme do úvahy, že zrýchlenie znamená zmenu rýchlosti, napriek tomu sa veľa vecí pohybuje v kruhu zjavne konštantnou rýchlosťou.

Tu pomáha pripomenúť, že rýchlosť je vektor s veľkosťou aj smerom a zmena ktorejkoľvek z nich vedie k novej rýchlosti. Keď sa objekt pohybuje v kruhu, jeho lineárna rýchlosť a dostredivé zrýchlenie neustále menia smer; v ktoromkoľvek bode cesty budú šípky pre každý vektor smerovať iným spôsobom ako v ktoromkoľvek inom bode cesty.

Takže objekt pokračuje v cestovaní po rovnakou rýchlosťou ale s neustále sa meniacim smerom. Fyzici to popisujú ako rovnomerný kruhový pohyb.

Pretože dostredivá sila je vždy kolmá na lineárnu rýchlosť objektu, popisuje polomer kruhovej dráhy objektu. Preto čím väčšia je dostredivá sila, tým ťažšie bude „ťahanie“ dovnútra, tým bude kruh užší alebo menší, a čím voľnejšia bude dostredivá sila, tým väčšia bude kruhová dráha.

Toto by mohlo mať zmysel intuitívne: Zatiahnutie za lano držiace loptu alebo zakrivenie na a lepkavý povrch s väčším trením ako na klzkom povrchu, napríklad ako ľad, bude mať za následok menší kruhový tvar pohyby. Pamätajte, že v každej situácii je jediná sila spôsobujúca kruhový pohyb an dovnútra, dostredivá sila. Žiadna odstredivá sila nikdy nevytlačí predmet „von“ do kruhu.