Відцентрова сила є повсюдною в нашому повсякденному житті, але чи це ми вважаємо, що це?
Ми відчуваємо це, коли ми їдемо за кут в машині або коли літак перекидається на поворот. Ми бачимо це в циклі віджимання пральної машини або коли діти катаються на каруселі. Одного разу він може навіть надати штучну гравітацію космічним кораблям та космічним станціям.
Але відцентрову силу часто плутають зі своїм аналогом, відцентровою силою, оскільки вони настільки тісно пов'язані - по суті, дві сторони однієї і тієї ж монети.
Центрипетальна сила визначається як "сила, необхідна для утримання предмета, що рухається за вигнутим шляхом, і спрямована всередину до центру обертання", тоді як відцентрова сила визначається як "видима сила, яку відчуває переміщення об'єкта за вигнутим контуром, який діє зовні від центру обертання ", згідно зі словником Merriam Webster.
Зауважимо, що хоча відцентрова сила є фактичною силою, відцентрова сила визначається як видима сила. Іншими словами, при закручуванні маси на струні струна чинить внутрішню відцентрову силу на масу, тоді як маса видає зовнішнє відцентрове зусилля на струні.
"Різниця між відцентровою та відцентровою силою пов'язана з різними" орієнтирами ", тобто різними точками зору, за якими ви щось вимірюєте", - сказав Ендрю А. Гансі, науковий фізик з Вашингтонського університету. "Центрипетальна сила і відцентрова сила - це дійсно однакова сила, саме в протилежних напрямках, тому що вони переживаються з різних систем відліку".
Якщо ви спостерігаєте за обертовою системою ззовні, ви бачите внутрішньоцентрову силу, що діє на обмеження обертового тіла на круговий шлях. Однак якщо ви є частиною обертової системи, ви відчуваєте очевидну відцентрову силу, що відштовхує вас від центру кола, хоча те, що ви насправді відчуваєте, - це внутрішня відцентрова сила, яка утримує вас від буквального відключення по дотичній .
Сили підкоряються законам Ньютона
Ця зовнішня зовнішня сила описується законами Ньютона про рух. Перший закон Ньютона зазначає, що "тіло в спокої залишатиметься в спокої, а тіло в русі залишатиметься в русі, якщо на нього не діятиме зовнішня сила".
Якщо масивне тіло рухається через простір по прямій лінії, його інерція призведе до того, що він продовжується по прямій лінії, якщо зовнішня сила не змусить його прискорити, уповільнити або змінити напрямок. Для того, щоб він рухався круговим шляхом без зміни швидкості, під прямим кутом до його шляху необхідно прикласти безперервну відцентрову силу. Радіус (r) цього кола дорівнює масі (m) кратній квадрату швидкості (v), поділеному на доцентрову силу (F), або r = mv ^ 2 / F. Силу можна обчислити, просто переставивши рівняння, F = mv ^ 2 / r.
Третій закон Ньютона зазначає, що "на кожну дію існує рівноправна і протилежна реакція". Подібно до того, як гравітація змушує ви навантажувати силу на землю, земля здається рівною і протилежною силою на ноги. Коли ви перебуваєте в автомобілі, що прискорює рух, сидіння надає на вас силу переднього руху так само, як, здається, ви силите назад на сидіння.
У випадку обертової системи відцентрова сила тягне масу всередину за вигнутим шляхом, тоді як маса, здається, виштовхується назовні через свою інерційність. Однак у кожному з цих випадків застосовується лише одна реальна сила, а інша - лише явна сила.
Приклади відцентрової сили в дії
Існує багато застосувань, які експлуатують відцентрову силу. Один - імітувати прискорення космічного пуску для підготовки космонавтів. Коли ракета вперше запущена, вона настільки навантажена паливом та окислювачем, що ледве може рухатися. Однак, піднімаючись, він спалює паливо величезною швидкістю, постійно втрачаючи масу. Другий закон Ньютона стверджує, що сила дорівнює масовим разів прискорення, або F = ma.
У більшості ситуацій маса залишається постійною. Однак у ракети її маса різко змінюється, тоді як сила, в цьому випадку тяга ракетних двигунів, залишається майже постійною. Це призводить до того, що прискорення до кінця фази прискорення збільшується в кілька разів, ніж нормальна сила тяжіння. NASA використовує великі центрифуги для підготовки космонавтів до цього екстремального прискорення. У цьому застосуванні відцентрова сила забезпечується спинкою сидіння, штовхаючи всередину космонавта.
Інший приклад застосування відцентрової сили - лабораторна центрифуга, яка використовується для прискорення осадження частинок, зважених у рідині. Одне поширене використання цієї технології - це підготовка зразків крові до аналізу. Згідно з веб-сайтом експериментальних біологічних наук університету Райс, "унікальна структура крові дозволяє дуже легко відокремити еритроцити від плазми та інших утворених елементів диференційованим центрифугуванням".
При нормальній силі тяжіння тепловий рух викликає постійне перемішування, що запобігає осідання клітин крові з цілого зразка крові. Однак типова центрифуга може досягати прискорень, які в 600-2000 разів перевищують нормальну вагу. Це змушує важкі еритроцити осідати на дні та розшаровувати різні компоненти розчину на шари відповідно до їх щільності.
Цю статтю оновлено 10 травня 2019 року науковою співробітницею Live Jennifer, Дженніфер Леман.
