Центріпетальна та відцентрова сила: в чому різниця та чому це важливо

Відцентрова сила та відцентрова сила - це два терміни, які студенти-фізики часто плутають або неправильно розуміють.

Типовим помилковим уявленням є те, що доцентрова сила спрямована до центру кругового шляху об'єкта, тоді як відцентрова сила спрямована назовні, як ніби вони діють у протилежних напрямках. Однак лише один із них насправді є справжній сила!

Єдиною силою, що спричиняє круговий рух об’єкта, є доцентрова сила, яка завжди спрямована до центру кругової доріжки. Наприклад, якщо автомобіль закручує поворот, доцентрова сила, що змушує його рухатися по кривій, а не по прямій лінії, спрямована вздовж радіуса кола, яке простежує автомобіль.

• Відцентрова сила - це фіктивна сила, тобто вона є не реальна сила. Доцентрова сила реальний.

Центробіжна сила, з іншої сторони, не існує. Як і потоковий конденсатор "Назад у майбутнє", цей термін був винайдений, щоб допомогти описати щось уявне, хоча і засноване на деяких реальних спостереженнях. Ефекти руху по колу, як правило, змушують об'єкт відчувати, що він "летить" назовні, і ідея про

Коли автомобіль робить жорсткий поворот наліво, пасажири можуть відчувати себе "кинутими" праворуч від автомобіля. Або внизу петлі на американських гірках, гонщики можуть відчувати себе відсунутими на свої місця.

Ці почуття є результатом інерційність; однак, ні сила (хоча її можна назвати як видима сила). Інерція описує тенденцію об’єкта протистояти змінам у своєму русі, як це описано Першим законом Ньютона, Законом інерції.

Коли автомобіль робить раптовий поворот або американські гірки занурюються, людські тіла всередині вже рухаються з деякою швидкістю в певному напрямку. Відповідно до Закону про інерцію ці органи спочатку чинити опір змінюючи їх швидкості.

Пасажири все ще рухаються вперед у просторі, коли машина починає різко їхати ліворуч - отже, замість того, щоб бути "кинутою праворуч", машина насправді врізаючись у них зліва, коли він раптово рухається. Як тільки їх тіла наздоганяють і починають рухатися вліво, відчуття розбиття закінчується.

Подібно до американських гірок, тіла все ще рухаються вниз, коли гірка починає штовхати їх вгору. Поки їхні тіла не наздоганять нову швидкість каботажного судна, вони відчувають, що їх кидають проти зовнішньої частини візків. Їхні тіла все ще рухаються до возів, як зараз вози рухаються до своїх тіл.

Доцентрова сила - це лише частина рецепта змушення чогось рухатись по колу. Іншим інгредієнтом є лінійна швидкість. Об'єкт повинен рухатися, коли доцентрова сила діє під прямим кутом до його руху, щоб рухатись по колу.

Розглянемо кульку на кінці струни. Щоб людина змусила її крутитися навколо голови, вона повинна спочатку кинути її якоюсь горизонтальною складовою (іншими словами, не безпосередньо в себе чи геть від себе). Людина натягує струну, і м’яч починає кружляти навколо них, а не вилітати.

Дві речі повинні постійно відбуватися, щоб м’яч на мотузці продовжував обертатися: людина повинна продовжувати натягувати мотузку натягнутою (підтягуючи її), і вони повинні продовжувати додавати легкі горизонтальні поштовхи, щоб підтримувати лінійний рух кулі, який інакше сповільнювався б від тертя з повітрям. (Однак у космосі людина б лише потрібно натягнути мотузку, яку навчили, оскільки куля не втратить лінійної швидкості під час обертання у вакуумі.)

Якби м’яч не рухався, і людина натягнув мотузку натягнутою, м’яч просто рухався всередину до людини, а не до кола. Якщо м’яч рухався безпосередньо від людини, і вони натягували мотузку, спочатку м’яч сповільнювався, потім міняв напрямок і рухався назад у напрямку до людини, знову не до кола.

У цих випадках навіть не має сенсу називати силу, що передається через мотузку, доцентровою силою. Це просто прикладена сила натягу на м’яч.

Слово доцентрова це просто спосіб описати будь-яку силу, що діє перпендикулярно лінійній швидкості об’єкта. Багато типів об'єктів або взаємодій можуть забезпечувати доцентрові сили.

Наприклад, як уже зазначалося, мотузка, що крутиться по колу, забезпечує доцентрову силу предмету, прив’язаному на його кінці. Автомобіль, що повертається за поворотом, відчуває доцентрову силу від тертя між шинами та дорогою. Супутник на орбіті продовжує рухатися по колу завдяки гравітаційній силі, що забезпечує доцентрову силу до центру Землі.

У кожному з цих випадків, якщо раптом видалити джерело доцентрової сили, мотузку, тертя або гравітацію, об’єкт перестав би рухатися по колу. Більш конкретно, він би відлетів до дотичної до цього кола з якою б лінійною швидкістю він не мав.

Оскільки доцентрова сила спрямована до центру кругового шляху об’єкта та відцентрової сили не існує, щоб протидіяти цьому, об’єкт, що рухається по кривій доріжці, повинен відчувати a чиста сила до центру кола.

З другого закону Ньютона, F = ma, з цього випливає, що чиста сила викликає прискорення. Дійсно, все, що рухається по колу, має прискорення, іменоване як доцентрове прискорення, до центру кола.

Це може здатися протиінтуїтивним, враховуючи, що прискорення означає зміну швидкості, проте багато речей рухається по колу з очевидно постійною швидкістю.

Тут допомагає нагадати, що швидкість є вектором як з величиною, так і з напрямком, і зміна будь-якого з цих результатів призводить до нової швидкості. Коли об’єкт рухається по колу, як його лінійна швидкість, так і доцентрове прискорення постійно змінюють напрямок; у будь-якій точці шляху стрілки для кожного вектора будуть спрямовані по-іншому, ніж у будь-якій іншій точці шляху.

Тож об’єкт продовжує подорож на однакова швидкість але з постійно мінливим напрямком. Фізики описують це як рівномірний круговий рух.

Оскільки доцентрова сила завжди перпендикулярна лінійній швидкості руху об’єкта, вона описує радіус кругового шляху об’єкта. Отже, чим більша доцентрова сила, тим сильніше буде «тягнення» всередину, тим тіснішим або меншим буде коло, і чим вільнішою буде доцентрова сила, тим більшим буде круговий шлях.

Це може мати сенс інтуїтивно: потягнувшись за мотузку, утримуючи м’яч, або взяти криву на липка поверхня з більшим тертям, ніж на гладкій, як лід, призведе до меншої круглої форми рухів. Тільки пам’ятайте, що в будь-якій ситуації єдиною силою, що спричиняє круговий рух, є всередину, доцентрова сила. Жодна відцентрова сила ніколи не штовхає предмет назовні в коло.