แรงสู่ศูนย์กลางและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเป็นคำสองคำที่นักศึกษาฟิสิกส์มักสับสนหรือเข้าใจผิด
ความเข้าใจผิดโดยทั่วไปคือแรงสู่ศูนย์กลางมุ่งตรงไปยังจุดศูนย์กลางของเส้นทางวงกลมของวัตถุ ในขณะที่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางพุ่งออกไปด้านนอก ราวกับว่าทั้งสองกระทำในทิศตรงกันข้าม อย่างไรก็ตาม มีเพียงหนึ่งในนี้เท่านั้นที่เป็น a จริง บังคับ!
ศูนย์กลางกับ แรงเหวี่ยง
แรงเดียวที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลมคือ แรงสู่ศูนย์กลางซึ่งมุ่งตรงไปยังศูนย์กลางของเส้นทางวงกลมเสมอ ถ้ารถกำลังเข้าโค้ง ตัวอย่างเช่น แรงสู่ศูนย์กลางที่ทำให้มันเคลื่อนที่เป็นทางโค้งมากกว่าที่จะเป็นเส้นตรงจะพุ่งไปตามรัศมีของวงกลมที่รถกำลังเคลื่อนตัวออกไป
เคล็ดลับ
แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเป็นแรงสมมติ หมายความว่า ไม่ใช่กำลังที่แท้จริง แรงสู่ศูนย์กลาง เป็นจริง
แรงเหวี่ยง, ในทางกลับกัน, ไม่ได้อยู่. เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุฟลักซ์ "กลับสู่อนาคต" คำนี้ถูกคิดค้นขึ้นเพื่อช่วยอธิบายบางสิ่งในจินตภาพ แม้ว่าจะอิงจากการสังเกตจริงบางอย่างก็ตาม ผลกระทบของการเคลื่อนที่เป็นวงกลมมักจะทำให้วัตถุรู้สึกเหมือนกำลัง "บิน" ออกไปด้านนอก และความคิดที่ว่า แรงทางภายใน ทำให้ประสบการณ์ดังกล่าวในตอนแรกอาจดูเหมือนทำให้งง
แรงเหวี่ยงคือความรู้สึก
เมื่อรถเลี้ยวซ้ายอย่างหนัก ผู้โดยสารอาจรู้สึกว่า "ถูกเหวี่ยง" ไปทางขวาของรถ หรือที่ด้านล่างของห่วงบนรถไฟเหาะ ผู้ขับขี่อาจรู้สึกถูกผลักลงไปในที่นั่ง
ความรู้สึกเหล่านี้เป็นผลมาจาก ความเฉื่อย; อย่างไรก็ตาม ไม่ แรง (แม้ว่าจะเรียกว่า an พลังที่ชัดเจน). ความเฉื่อยอธิบายแนวโน้มของวัตถุที่จะต้านทานการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ ดังที่อธิบายไว้ในกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน กฎความเฉื่อย
เมื่อรถเลี้ยวกะทันหันหรือรถไฟเหาะพุ่งลง ร่างกายของมนุษย์ภายในก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งอยู่แล้ว ตามกฎความเฉื่อย วัตถุเหล่านี้ในขั้นต้น ต่อต้าน เปลี่ยนความเร็วของพวกเขา
ผู้โดยสารยังคงเคลื่อนที่ไปข้างหน้าในอวกาศเมื่อรถเริ่มเลี้ยวซ้ายกระทันหัน - ดังนั้นแทนที่จะ "ถูกเหวี่ยงไปทางขวา" ที่จริงแล้วรถเป็น พุ่งชนพวกเขาจากทางซ้ายขณะที่มันเคลื่อนตัวไปในทันใด เมื่อร่างกายของพวกมันไล่ตามและเริ่มเคลื่อนไปทางซ้ายเช่นกัน ความรู้สึกที่พังทลายก็สิ้นสุดลง
ในทำนองเดียวกันในรถไฟเหาะ ร่างกายยังคงเคลื่อนตัวลงเมื่อรถไฟเหาะเริ่มดันขึ้นข้างบน จนกว่าร่างกายของพวกมันจะวิ่งตามความเร็วใหม่ของรถไฟเหาะ พวกมันจะรู้สึกเหมือนถูกโยนเข้าที่ด้านนอกของเกวียน ร่างกายของพวกเขายังคงเคลื่อนไปทางเกวียนในขณะที่เกวียนเคลื่อนเข้าหาร่างกายของพวกเขา
แรงสู่ศูนย์กลางทำงานอย่างไร
แรงสู่ศูนย์กลางเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสูตรการทำบางสิ่งให้เคลื่อนที่เป็นวงกลม ส่วนประกอบอื่นๆ คือ ความเร็วเชิงเส้น. วัตถุต้องเคลื่อนที่เมื่อแรงสู่ศูนย์กลางกระทำในมุมฉากกับการเคลื่อนที่ของวัตถุเพื่อให้เคลื่อนที่เป็นวงกลม
พิจารณาลูกที่ปลายเชือก สำหรับคนที่จะหมุนรอบศีรษะได้ ก่อนอื่นต้องโยนด้วยองค์ประกอบแนวนอน (กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไม่ใช่เข้าหรือออกจากตัวเองโดยตรง) บุคคลนั้นดึงเชือกให้ตึง และลูกบอลก็เริ่มหมุนวนไปรอบๆ แทนที่จะบินออกไป
สองสิ่งที่ต้องเกิดขึ้นเพื่อให้ลูกบอลบนเชือกหมุนต่อไปได้: บุคคลนั้นต้องดึงเชือกให้ตึง (โดยการดึงเข้าไป) และ พวกเขาต้องเพิ่มการสะกิดในแนวนอนเล็กน้อยเพื่อรักษาการเคลื่อนที่เชิงเส้นของลูกบอล ซึ่งจะทำให้ช้าลงจากการเสียดสีกับอากาศ (อย่างไรก็ตาม ในอวกาศ บุคคลจะ เท่านั้น ต้องดึงเชือกที่สอนเพราะลูกบอลจะไม่สูญเสียความเร็วเชิงเส้นใด ๆ ขณะหมุนในสุญญากาศ)
ถ้าลูกบอลไม่เคลื่อนที่และบุคคลนั้นดึงเชือกให้ตึง ลูกบอลก็จะเคลื่อนเข้าหาบุคคลนั้น ไม่ใช่วงกลม หากลูกบอลเคลื่อนออกจากบุคคลโดยตรง และพวกเขาดึงเชือก อันดับแรก ลูกบอลจะช้าลง จากนั้นเปลี่ยนทิศทางและเคลื่อนกลับเข้าหาบุคคลนั้น ไม่ใช่วงกลมอีกครั้ง
ในกรณีเหล่านี้ มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะเรียกแรงที่ส่งผ่านเชือกมาเป็นแรงสู่ศูนย์กลาง มันเป็นเพียงแรงดึงที่ใช้กับลูกบอล
แหล่งที่มาของแรงสู่ศูนย์กลาง
คำ ศูนย์กลาง เป็นเพียงวิธีอธิบายแรงใดๆ ที่กระทำในแนวตั้งฉากกับความเร็วเชิงเส้นของวัตถุ วัตถุหรือการโต้ตอบหลายประเภทสามารถให้แรงสู่ศูนย์กลางได้
ตัวอย่างเช่น ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เชือกที่หมุนเป็นวงกลมทำให้เกิดแรงสู่ศูนย์กลางกับวัตถุที่ผูกติดอยู่ที่ปลายเชือก รถที่เลี้ยวโค้งจะได้รับแรงสู่ศูนย์กลางจากการเสียดสีระหว่างยางกับถนน ดาวเทียมในวงโคจรยังคงเคลื่อนที่เป็นวงกลมเนื่องจากแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงสู่ศูนย์กลางของโลก
ในแต่ละกรณีเหล่านี้ หากแหล่งกำเนิดของแรงสู่ศูนย์กลางถูกขจัดออกไปอย่างกะทันหัน เชือก แรงเสียดทาน หรือแรงโน้มถ่วง วัตถุจะหยุดเคลื่อนที่เป็นวงกลม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันจะบินออกไปที่เส้นสัมผัสของวงกลมนั้นด้วยความเร็วเชิงเส้นเท่าใดก็ตามที่มันมี
แรงสู่ศูนย์กลางและความเร่งสู่ศูนย์กลาง
เนื่องจากแรงสู่ศูนย์กลางมุ่งสู่ศูนย์กลางของเส้นทางวงกลมของวัตถุและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ไม่มีอยู่เพื่อต่อต้านมัน, วัตถุที่เคลื่อนที่ในเส้นทางโค้งจะต้องประสบกับ a แรงสุทธิ ไปทางศูนย์กลางของวงกลม
จากกฎข้อที่สองของนิวตัน ฉ = หม่า, มันตามมาด้วยแรงสุทธิทำให้เกิดความเร่ง อันที่จริง สิ่งใดที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม มีความเร่ง เรียกว่า ความเร่งสู่ศูนย์กลาง, ไปทางศูนย์กลางของวงกลม
สิ่งนี้อาจดูเหมือนขัดกับสัญชาตญาณ เมื่อพิจารณาว่าความเร่งหมายถึงความเร็วที่เปลี่ยนแปลง แต่หลายสิ่งหลายอย่างเคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยอัตราคงที่ที่เห็นได้ชัด
ในที่นี้จะช่วยให้ระลึกได้ว่าความเร็วเป็นเวกเตอร์ ที่มีทั้งขนาดและทิศทาง และเปลี่ยนผลลัพธ์เหล่านั้นให้เป็นความเร็วใหม่ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลม ทั้งความเร็วเชิงเส้นและความเร่งสู่ศูนย์กลางจะเปลี่ยนทิศทางอย่างต่อเนื่อง ที่จุดใดก็ได้ตามเส้นทาง ลูกศรสำหรับเวกเตอร์แต่ละตัวจะหันไปทางที่แตกต่างจากจุดอื่นตามเส้นทาง
วัตถุจึงเดินทางต่อไปที่ ความเร็วเท่ากัน แต่มีทิศทางที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา นักฟิสิกส์อธิบายสิ่งนี้ว่า การเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ.
วิธีปรับการเคลื่อนที่แบบวงกลม
เนื่องจากแรงสู่ศูนย์กลางจะตั้งฉากกับความเร็วเชิงเส้นของวัตถุเสมอ มันจึงอธิบายรัศมีของเส้นทางวงกลมของวัตถุ ดังนั้น ยิ่งแรงสู่ศูนย์กลางมากเท่าใด การ "ดึง" เข้าด้านในยิ่งแข็งขึ้น วงกลมก็จะยิ่งแน่นขึ้นหรือเล็กลง และแรงสู่ศูนย์กลางที่คลายออกมากเท่าใด เส้นทางวงกลมก็จะยิ่งกว้างขึ้น
สิ่งนี้อาจสมเหตุสมผลโดยสัญชาตญาณ: ดึงเชือกที่ถือลูกบอลหรือเข้าโค้งบน a พื้นผิวที่เหนียวเหนอะหนะมีความเสียดทานมากกว่าบนพื้นผิวที่ลื่น เช่น น้ำแข็ง ทั้งคู่จะส่งผลให้วงกลมเล็ก การเคลื่อนไหว เพียงจำไว้ว่าในทุกสถานการณ์ แรงเดียวที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงกลมคือ an แรงสู่ศูนย์กลาง. ไม่มีแรงเหวี่ยงใดผลักวัตถุ "ออก" ให้เป็นวงกลม
