Centripetal vs Centrifugal Force: Vad är skillnaden och varför det spelar roll?

Centripetalkraft och centrifugalkraft är två termer som fysikstudenter vanligtvis förvirrar eller missförstår.

En typisk missuppfattning är att centripetalkraften är riktad mot mitten av ett föremåls cirkulära bana, medan centrifugalkraften riktas utåt, som om de två verkar i motsatta riktningar. Men bara en av dessa är faktiskt en verklig tvinga!

Den enda kraften som orsakar ett objekts cirkelrörelse är centripetal kraft, som alltid är riktad mot centrum av den cirkulära banan. Om en bil exempelvis avrundar en böjning riktas den centripetala kraften som får den att röra sig i en kurva snarare än en rak linje längs radien på den cirkel som bilen spårar ut.

• Centrifugalkraft är en fiktiv kraft, vilket betyder att den är inte en verklig kraft. Centripetal kraft är riktig.

Centrifugalkraft, å andra sidan, existerar inte. Liksom "Tillbaka till framtidens" flödeskondensator uppfanns termen för att beskriva något imaginärt, om än baserat på några verkliga observationer. Effekterna av att röra sig i en cirkel tenderar att få ett objekt att känna att det "flyger" utåt och tanken på en

När en bil svänger hårt åt vänster kan passagerarna känna sig "kastade" till höger om bilen. Eller längst ner på en slinga på en berg-och dalbana kan förare känna sig pressade ner i sina platser.

Dessa känslor är resultatet av tröghet; i alla fall, inte en kraft (även om den kan kallas en uppenbar kraft). Tröghet beskriver tendensen hos ett objekt att motstå förändringar i dess rörelse, som beskrivs av Newtons första lag, tröghetslagen.

När bilen plötsligt svänger, eller berg-och dalbanan tar sitt steg, rör sig redan de mänskliga kropparna med viss hastighet i en viss riktning. Enligt tröghetslagen, dessa organ initialt stå emot ändra hastigheter.

Passagerarna rör sig fortfarande framåt i rymden när bilen börjar gå åt vänster plötsligt - så istället för att "kastas åt höger", är bilen faktiskt kraschar i dem från vänster när det plötsligt rör sig. När deras kroppar kommer ikapp och börjar flytta till vänster också, slutar den kraschande känslan.

På samma sätt i berg-och dalbana rör sig kropparna fortfarande nedåt när dalbanan börjar skjuta uppåt på dem. Tills deras kroppar kommer ikapp för att matcha den nya hastigheten på dalbanan, känner de att de kastas mot utsidan av vagnarna. Deras kroppar rör sig fortfarande mot vagnarna när vagnarna nu rör sig mot sina kroppar.

Centripetal kraft är bara en del av receptet för att få något att röra sig i en cirkel. Den andra ingrediensen är linjär hastighet. Ett objekt måste röra sig när en centripetal kraft verkar i rät vinkel mot sin rörelse för att den ska kunna röra sig i en cirkel.

Tänk på en boll i slutet av en sträng. För att en person ska få det att snurra runt huvudet måste de först ge det ett kast med någon horisontell komponent (med andra ord, inte direkt in i eller bort från sig själva). Personen drar strängen stramt, och bollen börjar cirkla runt dem snarare än att flyga ut.

Två saker måste fortsätta att hända för att bollen på repet ska fortsätta snurra: Personen måste fortsätta dra i repet stramt (genom att dra i det), och de måste fortsätta lägga till små horisontella knuffar för att bibehålla kulans linjära rörelse, som annars skulle sakta ner från friktion med luften. (I rymden skulle dock personen göra det endast måste dra i det rep som lärs ut eftersom bollen inte tappar någon av sin linjära hastighet när den snurrar i ett vakuum.)

Om bollen inte rörde sig och personen drog repet stramt skulle bollen bara röra sig inåt mot personen, inte en cirkel. Om bollen rörde sig direkt ut från personen och de drog i repet, skulle bollen först sakta ner, sedan ändra riktning och gå tillbaka in mot personen, återigen inte en cirkel.

I dessa fall skulle det inte ens vara vettigt att kalla kraften som överförs genom repet en centripetal kraft. Det är helt enkelt en applicerad spänningskraft på bollen.

Ordet centripetal är bara ett sätt att beskriva vilken kraft som helst som verkar vinkelrätt mot ett objekts linjära hastighet. Många typer av föremål eller interaktioner kan ge centripetala krafter.

Till exempel, som redan nämnts, ger ett rep som snurrar i en cirkel centripetalkraft till ett föremål som är bundet i änden av det. En bil som svänger runt en böj upplever centripetalkraft från friktionen mellan dess däck och vägen. En satellit i omlopp fortsätter att röra sig i en cirkel på grund av gravitationskraften som ger en centripetal kraft mot jordens centrum.

I vart och ett av dessa fall, om källan till centripetalkraften plötsligt avlägsnades, repet, friktionen eller tyngdkraften, skulle objektet sluta röra sig i en cirkel. Mer specifikt skulle den flyga iväg i en tangent till den cirkeln med vilken linjär hastighet som helst.

Eftersom centripetalkraft är riktad mot centrum av ett föremåls cirkulära väg och centrifugalkraft finns inte för att motverka detmåste objektet som rör sig i en böjd väg uppleva en nettokraft mot mitten av cirkeln.

Från Newtons andra lag, F = ma, det följer att en nettokraft orsakar en acceleration. Faktiskt, allt som rör sig i en cirkel har en acceleration, kallad centripetal acceleration, mot mitten av cirkeln.

Detta kan verka kontraintuitivt, med tanke på att en acceleration betyder en förändrad hastighet, men ändå rör sig många saker i en cirkel med en uppenbarligen konstant hastighet.

Här hjälper det att komma ihåg att hastigheten är en vektor, med både en storlek och en riktning, och att ändra något av dessa resulterar i en ny hastighet. När ett objekt rör sig i en cirkel förändras både dess linjära hastighet och centripetalacceleration ständigt; vid vilken punkt som helst längs banan kommer pilarna för varje vektor att vara på ett annat sätt än vid någon annan punkt längs banan.

Så objektet fortsätter att resa vid samma hastighet men med en ständigt föränderlig riktning. Fysiker beskriver detta som enhetlig cirkelrörelse.

Eftersom centripetal kraft alltid är vinkelrät mot ett objekts linjära hastighet, beskriver det radien för objektets cirkulära bana. Ju större centripetalkraften är, desto hårdare blir "bogserbåten" inåt, desto strammare eller mindre blir cirkeln, och ju lösare centripetalkraften är, desto större blir cirkelbanan.

Det kan vara vettigt intuitivt: Att dra in i repet som håller bollen eller ta en kurva på en klibbig yta med mer friktion än på en glatt, som is, kommer båda att resultera i mindre cirkulär rörelser. Kom bara ihåg att i alla situationer är den enda kraften som orsakar cirkelrörelsen en inåt, centripetal kraft. Ingen centrifugalkraft trycker någonsin ett föremål "ut" i en cirkel.