Merkezcil ve Merkezkaç Kuvveti: Fark Nedir ve Neden Önemlidir?

Merkezcil kuvvet ve merkezkaç kuvveti, fizik öğrencilerinin genellikle karıştırdığı veya yanlış anladığı iki terimdir.

Tipik bir yanılgı, merkezkaç kuvvetinin bir nesnenin dairesel yolunun merkezine doğru yönlendirildiği, merkezkaç kuvvetinin ise sanki ikisi zıt yönlerde hareket ediyormuş gibi dışa doğru yönlendirildiğidir. Ancak bunlardan sadece biri aslında bir gerçek güç!

Bir cismin dairesel hareketine neden olan tek kuvvet, merkezcil kuvvet, her zaman dairesel yolun merkezine doğru yönlendirilir. Örneğin, bir araba bir virajı dönüyorsa, onu düz bir çizgi yerine bir eğride hareket ettiren merkezcil kuvvet, arabanın izlediği dairenin yarıçapı boyunca yönlendirilir.

• Merkezkaç kuvveti hayali bir kuvvettir, yani gerçek bir güç değil. merkezcil kuvvet gerçek.

Merkezkaç kuvveti, diğer yandan, mevcut değil. "Geleceğe Dönüş" akı kapasitörü gibi, terim de bazı gerçek gözlemlere dayansa da hayali bir şeyi tanımlamaya yardımcı olmak için icat edildi. Bir daire içinde hareket etmenin etkileri, bir nesneyi dışa doğru "uçuyor" gibi hissettirme eğilimindedir.

Bir araba sert bir sola dönüş yaptığında, yolcular arabanın sağına "atılmış" hissedebilirler. Veya bir hız treninde bir döngünün sonunda, biniciler koltuklarına doğru itilmiş hissedebilirler.

Bu hislerin sonucu eylemsizlik; ancak, değil bir kuvvet (bir kuvvet olarak adlandırılabilse de) görünür kuvvet). Eylemsizlik, Newton'un Birinci Yasası, Eylemsizlik Yasası ile tanımlandığı gibi, bir nesnenin hareketindeki değişikliklere direnme eğilimini tanımlar.

Araba ani bir dönüş yaptığında veya hız treni dalıp gittiğinde, içerideki insan bedenleri zaten belirli bir yönde belirli bir hızla hareket etmektedir. Eylemsizlik Yasasına göre, bu cisimler başlangıçta direnmek hızlarını değiştiriyor.

Araba aniden sola gitmeye başladığında yolcular hala uzayda ilerliyorlar - yani "sağa fırlatılmak" yerine, araba aslında aniden hareket ederken soldan onlara çarpıyor. Vücutları yetişip de sola doğru hareket etmeye başladığında, çarpma hissi sona erer.

Roller coaster'da da benzer şekilde, coaster üzerlerine doğru itmeye başladığında gövdeler hala aşağı doğru hareket ediyor. Vücutları trenin yeni hızına yetişene kadar, arabaların dışına fırlatılmış gibi hissederler. Arabalar artık bedenlerine doğru hareket ederken, bedenleri hala arabalara doğru hareket ediyor.

Merkezcil kuvvet, bir şeyi bir daire içinde hareket ettirmek için tarifin yalnızca bir parçasıdır. Diğer bileşen ise Çizgisel hız. Bir cismin daire içinde hareket edebilmesi için hareketine dik açıda bir merkezcil kuvvet etki ettiğinde hareket ediyor olması gerekir.

Bir ipin ucundaki bir top düşünün. Bir kişinin onu başının etrafında döndürmesi için, önce onu yatay bir bileşenle (başka bir deyişle, doğrudan kendi içine veya dışına değil) fırlatması gerekir. Kişi ipi gergin bir şekilde çeker ve top dışarı uçmak yerine onların etrafında dönmeye başlar.

İpteki topun dönmeye devam etmesi için iki şeyin devam etmesi gerekir: Kişi ipi gergin bir şekilde (çekerek) çekmeye devam etmelidir. ve topun doğrusal hareketini korumak için hafif yatay dürtmeler eklemeye devam etmelidirler, aksi takdirde hava ile sürtünmeden dolayı yavaşlar. (Ancak uzayda, kişi sadece vakumda dönerken top doğrusal hızından hiçbir şey kaybetmeyeceğinden öğretilen ipi çekmeniz gerekir.)

Top hareket etmiyorsa ve kişi ipi gergin bir şekilde çekerse, top bir daireye değil, kişiye doğru sadece içe doğru hareket ederdi. Top doğrudan kişiden dışarı çıkıyorsa ve onlar ipi çekiyorsa, top önce yavaşlayacak, sonra yön değiştirecek ve yine bir daire değil, kişiye doğru geri dönecekti.

Bu durumlarda, ipten geçen kuvvete merkezcil kuvvet demek bile mantıklı olmaz. Bu sadece topa uygulanan bir gerilim kuvvetidir.

Kelime merkezcil bir nesnenin doğrusal hızına dik olarak etki eden herhangi bir kuvveti tanımlamanın bir yoludur. Birçok nesne veya etkileşim türü, merkezcil kuvvetler sağlayabilir.

Örneğin, daha önce de belirtildiği gibi, bir daire içinde dönen bir ip, ucuna bağlı bir nesneye merkezcil kuvvet sağlar. Bir virajda dönen bir araba, lastikleri ile yol arasındaki sürtünmeden kaynaklanan merkezcil kuvvete maruz kalır. Yörüngedeki bir uydu, Dünya'nın merkezine doğru bir merkezcil kuvvet sağlayan yerçekimi kuvveti nedeniyle bir daire içinde hareket etmeye devam eder.

Bu durumların her birinde, eğer merkezcil kuvvetin kaynağı, ip, sürtünme veya yerçekimi aniden ortadan kaldırılırsa, nesne bir daire içinde hareket etmeyi durduracaktır. Daha spesifik olarak, hangi doğrusal hıza sahip olursa olsun, o daireye teğet olacak şekilde uçacaktı.

Merkezcil kuvvet, bir cismin dairesel yolunun merkezine doğru yönlendirildiğinden ve merkezkaç kuvveti buna karşı koymak için mevcut değil, eğri bir yolda hareket eden nesne bir deneyim yaşıyor olmalıdır net kuvvet dairenin merkezine doğru.

Newton'un İkinci Yasasından, F = anne, Net kuvvetin ivmeye neden olduğu sonucu çıkar. Gerçekten de, bir daire içinde hareket eden her şeyin bir ivmesi vardır, merkezcil ivme, dairenin merkezine doğru.

İvmenin değişen bir hız anlamına geldiği düşünülürse, bu sezgisel görünebilir, ancak birçok şey bir daire içinde görünüşte sabit bir hızla hareket eder.

Burada hızın hem büyüklüğü hem de yönü olan bir vektör olduğunu ve bunlardan herhangi birinin değiştirilmesinin yeni bir hız ile sonuçlandığını hatırlamakta fayda var. Bir nesne bir daire içinde hareket ederken, hem doğrusal hızı hem de merkezcil ivmesi sürekli yön değiştirir; yol boyunca herhangi bir noktada, her vektörün okları, yol boyunca herhangi bir noktadan farklı bir yöne bakacaktır.

Böylece nesne hareket etmeye devam eder. aynı hız ama sürekli değişen bir yön ile. Fizikçiler bunu şöyle tanımlar: Düzgün dairesel hareket.

Merkezcil kuvvet her zaman bir nesnenin doğrusal hızına dik olduğundan, nesnenin dairesel yolunun yarıçapını tanımlar. Bu nedenle, merkezcil kuvvet ne kadar büyükse, içe doğru "çekme" o kadar sert olur, daire o kadar sıkı veya küçük olur ve merkezcil kuvvet ne kadar gevşek olursa, dairesel yol o kadar büyük olur.

Bu sezgisel olarak mantıklı olabilir: Topu tutan ipi çekmek veya bir viraj almak. Buz gibi kaygan bir yüzeye göre daha fazla sürtünmeye sahip yapışkan yüzey, her ikisi de daha küçük dairesel hareketler. Her durumda dairesel harekete neden olan tek kuvvetin bir kuvvet olduğunu unutmayın. içe doğru, merkezcil kuvvet. Hiçbir merkezkaç kuvveti bir cismi daire içine "dışarı" itemez.