วิธีการคำนวณแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง

คุณอาจเคยประสบการขับรถไปตามทางหลวง เมื่อถนนโค้งไปทางซ้ายอย่างกะทันหันและรู้สึกเหมือนถูกผลักออกไปทางขวาในทิศทางตรงกันข้ามกับทางโค้ง นี่เป็นตัวอย่างทั่วไปของสิ่งที่หลายคนคิดและเรียกว่า "แรงเหวี่ยงหนีศูนย์" "แรง" นี้เรียกผิดว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง แต่แท้จริงแล้วไม่มีสิ่งนั้น!

วัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมสม่ำเสมอจะสัมผัสกับแรงที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าผลรวมของแรงจะพุ่งเข้าด้านในเข้าหาศูนย์กลาง แรงเดี่ยว เช่น แรงตึงในเชือกเป็นตัวอย่างของแรงสู่ศูนย์กลาง แต่แรงอื่นก็สามารถทำหน้าที่นี้ได้เช่นกัน ความตึงในเชือกส่งผลให้เกิดแรงสู่ศูนย์กลาง ซึ่งทำให้การเคลื่อนที่เป็นวงกลมสม่ำเสมอ มีแนวโน้มว่านี่คือสิ่งที่คุณต้องการคำนวณ

ก่อนอื่น เรามาดูกันว่าความเร่งสู่ศูนย์กลางคืออะไรและจะคำนวณได้อย่างไร รวมถึงวิธีคำนวณแรงสู่ศูนย์กลาง แล้วจะเข้าใจว่าทำไมไม่มีแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง

• ไม่มีแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ถ้าไม่มีก็จะไม่มีการเคลื่อนไหวเป็นวงกลม คุณสามารถดูสิ่งนี้ได้อย่างง่ายดายหากคุณสร้างแผนภาพแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่มีแรงสู่ศูนย์กลางด้วย แรงสู่ศูนย์กลางทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงกลม และมุ่งตรงไปยังศูนย์กลางของการเคลื่อนที่

เพื่อให้เข้าใจแรงสู่ศูนย์กลางและความเร่ง การจำคำศัพท์บางคำอาจเป็นประโยชน์ อย่างแรก ความเร็วคือเวกเตอร์ที่อธิบายความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถัดมา หากความเร็วเปลี่ยนแปลง หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่าความเร็วหรือทิศทางของวัตถุเปลี่ยนแปลงไปตามฟังก์ชันของเวลา มันก็มีความเร่งเช่นกัน

กรณีเฉพาะของการเคลื่อนที่แบบสองมิติคือการเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ ซึ่งวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่รอบจุดศูนย์กลางที่หยุดนิ่ง

สังเกตว่าเราบอกว่าวัตถุมีค่าคงที่ความเร็ว, แต่ไม่ความเร็วเนื่องจากวัตถุเปลี่ยนทิศทางอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น วัตถุจึงมีองค์ประกอบของความเร่งสองส่วน: ความเร่งในแนวสัมผัสซึ่งขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ และความเร่งสู่ศูนย์กลางซึ่งตั้งฉาก

ถ้าการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ ขนาดของความเร่งในแนวสัมผัสจะเป็นศูนย์ และความเร่งสู่ศูนย์กลางจะมีขนาดคงที่ ไม่เป็นศูนย์ แรง (หรือแรง) ที่ทำให้เกิดความเร่งสู่ศูนย์กลางคือแรงสู่ศูนย์กลาง ซึ่งชี้เข้าด้านในเข้าหาศูนย์กลางด้วย

แรงนี้ ซึ่งมาจากภาษากรีก แปลว่า "แสวงหาศูนย์กลาง" มีหน้าที่ในการหมุนของวัตถุในเส้นทางวงกลมที่สม่ำเสมอรอบศูนย์กลาง

ความเร่งสู่ศูนย์กลางของวัตถุถูกกำหนดโดย

ที่ไหนวีคือความเร็วของวัตถุและRคือรัศมีที่มันหมุน อย่างไรก็ตามปรากฎว่าปริมาณ

ไม่ใช่แรงจริงๆ แต่สามารถนำมาใช้เพื่อช่วยให้คุณสัมพันธ์กับแรงหรือแรงที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงกลม กับความเร่งสู่ศูนย์กลาง

สมมุติว่ามีสิ่งที่เรียกว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง หรือแรงที่เท่ากันและตรงข้ามกับแรงสู่ศูนย์กลาง หากเป็นกรณีนี้ แรงทั้งสองจะหักล้างซึ่งกันและกัน หมายความว่าวัตถุจะไม่เคลื่อนที่เป็นวงกลม แรงอื่นๆ ที่มีอยู่อาจผลักวัตถุไปในทิศทางอื่นหรือเป็นเส้นตรง แต่ถ้ามีแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเท่ากันและตรงข้ามเสมอ จะไม่มีการเคลื่อนที่เป็นวงกลม

แล้วความรู้สึกที่คุณรู้สึกเมื่อคุณเข้าโค้งบนถนนและในตัวอย่างแรงเหวี่ยงอื่นๆ ล่ะ? "แรง" นี้เป็นผลมาจากแรงเฉื่อย: ร่างกายของคุณยังคงเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและตัวรถจริงๆ ผลักคุณเข้าโค้ง รู้สึกเหมือนกำลังถูกผลักเข้าไปในรถในทิศทางตรงกันข้ามกับ เส้นโค้ง

เครื่องคำนวณแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางใช้สูตรความเร่งสู่ศูนย์กลาง (ซึ่งอธิบายค่าจริง ปรากฏการณ์) และย้อนกลับทิศทางของแรงเพื่ออธิบายแรงเหวี่ยงที่เห็นได้ชัด (แต่ท้ายที่สุดก็เป็นเรื่องสมมติขึ้น) บังคับ. ในกรณีส่วนใหญ่ ไม่จำเป็นต้องทำเช่นนี้จริงๆ เนื่องจากไม่ได้อธิบายความเป็นจริงของสถานการณ์ทางกายภาพ เฉพาะสถานการณ์ที่ชัดเจนในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย (i, e จากมุมมองของคนในรถที่เลี้ยว)