Centripetalna vs centrifugalna sila: kakšna je razlika in zakaj je to pomembno

Centripetalna sila in centrifugalna sila sta dva izraza, ki ju študentje fizike pogosto zamenjajo ali napačno razumejo.

Tipično napačno prepričanje je, da je centripetalna sila usmerjena proti središču krožne poti predmeta, medtem ko je centrifugalna sila usmerjena navzven, kot da deluje v nasprotni smeri. Vendar pa je le eden od njih pravzaprav a resnično sila!

Edina sila, ki povzroči krožno gibanje predmeta, je centripetalna sila, ki je vedno usmerjen proti središču krožne poti. Če avtomobil na primer zaokroži ovinek, je centripetalna sila, zaradi katere se premika v ovinku in ne v ravni črti, usmerjena vzdolž polmera kroga, ki ga izrisuje avto.

• Centrifugalna sila je fiktivna sila, kar pomeni, da je ni prava sila. Centripetalna sila je resnično.

Centrifugalna sila, po drugi strani, ne obstaja. Tako kot fluksni kondenzator "Nazaj v prihodnost" je bil tudi ta izraz izumljen, da bi opisal nekaj namišljenega, čeprav na podlagi nekaterih resničnih opazovanj. Učinki gibanja v krogu naredijo predmet, da se počuti, kot da "leti" navzven, in ideja o

Ko avtomobil močno zavije v levo, se potniki morda počutijo "vržene" na desno stran avtomobila. Ali na dnu zanke na toboganu se lahko kolesarji počutijo potisnjene na svoja sedeža.

Ti občutki so posledica vztrajnost; vendar ne sila (čeprav se lahko imenuje " navidezna sila). Inercija opisuje težnjo predmeta, da se upira spremembam v svojem gibanju, kot ga opisuje Newtonov prvi zakon, inercijski zakon.

Ko avto nenadoma zavije ali pa se ameriški tobogan potopi, se človeška telesa v notranjosti že premikajo z določeno hitrostjo v določeno smer. Po zakonu o vztrajnosti so ta telesa sprva upreti se spreminjajo njihove hitrosti.

Potniki se v vesolju še vedno premikajo naprej, ko začne avto nenadoma iti levo - tako da avtomobil dejansko ni "vržen v desno" trči vanje z leve, ko se nenadoma premakne. Ko se njihova telesa ujamejo in začnejo premikati tudi v levo, se občutek treskanja konča.

Podobno se v toboganih podstavkih telesa še vedno premikajo navzdol, ko jih podstavek začne potiskati navzgor. Dokler se njihova telesa ne ujamejo z novo hitrostjo podstavka, se počutijo, kot da jih vržejo proti zunanji strani vozov. Njihova telesa se še vedno premikajo proti vozičkom, saj se vozički zdaj premikajo proti njihovim telesom.

Centripetalna sila je le del recepta za premikanje v krogu. Druga sestavina je linearna hitrost. Predmet se mora premikati, kadar centripetalna sila deluje pravokotno na njegovo gibanje, da se lahko premika v krogu.

Razmislite o krogli na koncu vrvice. Da se osebi vrti okoli glave, jo mora najprej premetati s kakšno vodoravno komponento (z drugimi besedami, ne neposredno vase ali stran od sebe). Oseba napeta vrvico in žoga začne krožiti po njej, namesto da bi odletela.

Dve stvari se morata nenehno dogajati, da se žoga na vrvi nenehno vrti: človek mora vrv vleči napeto (tako, da jo vleče), in nenehno morajo dodajati rahle vodoravne potiske, da ohranijo linearno gibanje krogle, ki bi sicer upočasnilo trenje z zrakom. (V vesolju pa bi človek samo je treba vleči naučeno vrv, saj krogla med vrtenjem v vakuumu ne bi izgubila linearne hitrosti.)

Če se žoga ne bi premikala in bi oseba napela vrv, bi se žoga samo premaknila navznoter proti osebi in ne krogu. Če bi se žoga premikala neposredno od osebe in bi potegnili vrv, bi se najprej žoga upočasnila, nato spremenila smer in se premaknila nazaj proti osebi, spet ne krogu.

V teh primerih niti ne bi bilo smiselno, da bi sila, ki se prenaša skozi vrv, imenovali centripetalna sila. To je preprosto sila napetosti na žogo.

Beseda centripetalno je le način za opis kakršne koli sile, ki deluje pravokotno na linearno hitrost predmeta. Mnoge vrste predmetov ali interakcij lahko zagotavljajo centripetalne sile.

Na primer, kot smo že omenili, vrv, ki se vrti v krogu, zagotavlja centripetalno silo na predmet, privezan na koncu. Avtomobil, ki zavija za ovinkom, doživi centripetalno silo zaradi trenja med gumami in cesto. Satelit v orbiti se še naprej giblje v krogu zaradi gravitacijske sile, ki zagotavlja centripetalno silo proti središču Zemlje.

Če bi se v vsakem od teh primerov nenadoma odstranili vir centripetalne sile, vrv, trenje ali gravitacija, bi se objekt ustavil v krogu. Natančneje, odletela bi po tangenti na ta krog s kakršno koli linearno hitrostjo.

Ker je centripetalna sila usmerjena proti središču krožne poti predmeta in centrifugalne sile ne obstaja, da bi ji preprečil, objekt, ki se premika po ukrivljeni poti, mora doživljati a neto sila proti sredini kroga.

Iz Newtonovega drugega zakona, F = ma, iz tega sledi, da neto sila povzroči pospešek. Dejansko ima vse, kar se giblje v krogu, pospešek, imenovan centripetalni pospešek, proti sredini kroga.

To se morda zdi nasprotno intuitivno, saj pospešek pomeni spreminjanje hitrosti, a vseeno se veliko stvari premika v krogu z navidezno konstantno hitrostjo.

Tukaj je v pomoč, če se spomnimo, da je hitrost vektor, tako z velikostjo kot s smerjo, in spreminjanje katerega koli od teh povzroči novo hitrost. Ko se objekt premika v krogu, njegova linearna hitrost in centripetalni pospešek nenehno spreminjata smer; na kateri koli točki poti bodo puščice za vsak vektor obrnjene drugače kot na katero koli drugo točko na poti.

Torej objekt še naprej potuje po enaka hitrost vendar s stalno spreminjajočo se smerjo. Fiziki to opisujejo kot enakomerno krožno gibanje.

Ker je centripetalna sila vedno pravokotna na linearno hitrost predmeta, opisuje polmer krožne poti predmeta. Torej, večja kot je centripetalna sila, močnejši kot je "vleka" navznoter, tesnejši ali manjši bo krog in bolj rahla bo centripetalna sila, večja bo krožna pot.

To je lahko smiselno intuitivno: vlečenje vrvi, ki drži žogo, ali zavijanje na a lepljiva površina z več trenja kot na gladki, kot na ledu, bo privedla do manjše krožnice gibi. Samo ne pozabite, da je v vseh situacijah edina sila, ki povzroča krožno gibanje, an navznoter, centripetalna sila. Nobena centrifugalna sila nikoli ne potisne predmeta "ven" v krog.