Siła dośrodkowa jest zdefiniowana jako siła oddziaływanie na ciało poruszające się po okrągłej ścieżce skierowanej w stronę centrum, wokół którego ciało się porusza. Termin pochodzi od łacińskich słów centrum dla „centrum” i Piotr, co oznacza „szukać”.
Siła dośrodkowa może być uważana za siłę szukającą środka. Jego kierunek jest ortogonalny (pod kątem prostym) do ruchu ciała w kierunku środka krzywizny ścieżki ciała. Siła dośrodkowa zmienia kierunek ruchu obiektu bez zmiany jego prędkość.
Kluczowe rzeczy na wynos: siła dośrodkowa
- Siła dośrodkowa jest siłą działającą na ciało poruszające się po okręgu, który jest skierowany do wewnątrz w kierunku punktu, wokół którego obiekt się porusza.
- Siła w przeciwnym kierunku, skierowana na zewnątrz od środka obrotu, nazywa się siłą odśrodkową.
- W przypadku ciała obrotowego siły dośrodkowe i odśrodkowe są równe pod względem wielkości, ale przeciwne w kierunku.
Różnica między siłą dośrodkową a siłą odśrodkową
Podczas gdy siła dośrodkowa działa, aby przyciągnąć ciało w kierunku środka punktu obrotu, siła odśrodkowa (siła „uciekającego środka”) odsuwa się od środka.
Według do pierwszego prawa Newtona, „ciało w spoczynku pozostanie w spoczynku, podczas gdy ciało w ruchu pozostanie w ruchu, chyba że działa na nie siła zewnętrzna”. W innymi słowy, jeśli siły działające na przedmiot są zrównoważone, obiekt będzie dalej poruszał się w stałym tempie bez przyśpieszenie.
Siła dośrodkowa pozwala ciału podążać kołową ścieżką bez odlotu w stycznej poprzez ciągłe działanie pod kątem prostym do jego ścieżki. W ten sposób działa na obiekt jako jedną z sił z Pierwszego Prawa Newtona, utrzymując w ten sposób bezwładność obiektu.
Drugie prawo Newtona ma również zastosowanie w przypadku wymóg siły dośrodkowej, co mówi, że jeśli obiekt ma poruszać się w kole, siła netto działająca na niego musi być skierowana do wewnątrz. Drugie prawo Newtona mówi, że przyspieszany obiekt podlega sile netto, przy czym kierunek siły netto jest taki sam jak kierunek przyspieszenia. W przypadku obiektu poruszającego się po okręgu siła dośrodkowa (siła netto) musi być obecna, aby przeciwdziałać sile odśrodkowej.
Z punktu widzenia nieruchomego obiektu na obracającej się ramie odniesienia (np. Siedziska na huśtawce) środek dośrodkowy i odśrodkowy są równe pod względem wielkości, ale przeciwne w kierunku. Siła dośrodkowa działa na ciało w ruchu, podczas gdy siła odśrodkowa nie. Z tego powodu siła odśrodkowa jest czasami nazywana siłą „wirtualną”.
Jak obliczyć siłę dośrodkową
Matematyczna reprezentacja siły dośrodkowej została opracowana przez holenderskiego fizyka Christiaana Huygensa w 1659 r. W przypadku ciała podążającego ścieżką kołową ze stałą prędkością promień koła (r) jest równy masie ciała (m) razy kwadrat prędkość (v) podzielone przez siłę dośrodkową (F):
r = mv2/FA
Równanie można zmienić w celu rozwiązania siły dośrodkowej:
F = mv2/ r
Ważnym punktem, na który należy zwrócić uwagę w równaniu, jest to, że siła dośrodkowa jest proporcjonalna do kwadratu prędkości. Oznacza to, że podwojenie prędkości obiektu wymaga czterokrotnie większej siły dośrodkowej, aby obiekt poruszał się po okręgu. Praktyczny przykład tego widać na ostrym zakręcie samochodem. Tutaj tarcie jest jedyną siłą utrzymującą opony pojazdu na drodze. Zwiększenie prędkości znacznie zwiększa siłę, więc poślizg staje się bardziej prawdopodobny.
Należy również pamiętać, że obliczenie siły dośrodkowej zakłada, że na obiekt nie działają żadne dodatkowe siły.
Formuła przyspieszenia dośrodkowego
Innym powszechnym obliczeniem jest przyspieszenie dośrodkowe, które jest zmianą prędkości podzieloną przez zmianę w czasie. Przyspieszenie jest kwadrat prędkości podzielony przez promień koła:
Δv / Δt = a = v2/ r
Praktyczne zastosowania siły dośrodkowej
Klasycznym przykładem siły dośrodkowej jest przypadek kołysania obiektu na linie. Tutaj napięcie liny zapewnia siłę dośrodkową „ciągnącą”.
Siła dośrodkowa jest siłą „pchającą” w przypadku motocyklisty z Wall of Death.
W wirówkach laboratoryjnych stosuje się siłę dośrodkową. Tutaj cząstki zawieszone w cieczy są oddzielane od cieczy przez przyspieszenie rurek zorientowane tak, że cięższe cząstki (tj. obiekty o większej masie) są przyciągane w kierunku dna rury. Podczas gdy wirówki zwykle oddzielają substancje stałe od cieczy, mogą również frakcjonować ciecze, jak w próbkach krwi lub oddzielne składniki gazów.
Wirówki gazowe służą do oddzielania cięższego izotopu uranu-238 od lżejszego izotopu uranu-235. Cięższy izotop jest wyciągany na zewnątrz wirującego cylindra. Ciężka frakcja jest stukana i wysyłana do innej wirówki. Proces powtarza się, dopóki gaz nie zostanie wystarczająco „wzbogacony”.
Ciekły teleskop zwierciadlany (LMT) można wykonać obracając odblask ciekły metal, takie jak rtęć. Powierzchnia lustra przyjmuje kształt paraboloidalny, ponieważ siła dośrodkowa zależy od kwadratu prędkości. Z tego powodu wysokość wirującego ciekłego metalu jest proporcjonalna do kwadratu jego odległości od środka. Ciekawy kształt przyjmowany przez wirujące ciecze można zaobserwować przez wirowanie wiadra z wodą ze stałą prędkością.