Центростремительная сила определяется как сила, действующая на тело, которое движется по круговой траектории, направленной к центру, вокруг которого движется тело. Этот термин происходит от латинских слов centrum для «центра» и petere , что означает «искать».
Центростремительная сила может считаться центростремительной силой. Его направление ортогонально (под прямым углом) движению тела по направлению к центру кривизны траектории тела. Центростремительная сила изменяет направление движения объекта без изменения его скорости.
Ключевые выводы: Центростремительная сила
- Центростремительная сила – это сила, действующая на тело, движущееся по кругу, направленное внутрь к точке, вокруг которой движется объект.
- Сила в противоположном направлении. , направленная наружу от центра вращения, называется центробежной силой.
- Для вращающегося тела центростремительная и центробежная силы равны по величине, но противоположны по направлению.
Разница между центростремительной и центробежной силой
В то время как центростремительная сила притягивает тело к центру точки вращения, центробежная сила ( сила, убегающая от центра) отталкивается от центра.
Согласно Первому закону Ньютона, «тело в состоянии покоя будет оставаться в покое, в то время как тело в движении останется в движении, если на него не будет действовать внешняя сила ». Другими словами, если силы, действующие на объект, уравновешены, объект будет продолжать двигаться с постоянной скоростью без ускорения.
Центростремительная сила позволяет тело должно следовать по круговой траектории, не улетая по касательной, непрерывно действуя под прямым углом к его траектории. Таким образом, он действует на объект как одна из сил в Первом законе Ньютона, таким образом сохраняя инерцию объекта.
Второй закон Ньютона также применяется в случай требования центростремительной силы , который гласит, что если объект должен двигаться по кругу, результирующая сила, действующая на него, должна быть направлена внутрь. Второй закон Ньютона гласит, что ускоряемый объект подвергается действию результирующей силы, причем направление результирующей силы совпадает с направлением ускорения. Для объекта, движущегося по кругу, должна присутствовать центростремительная сила (чистая сила), чтобы противостоять центробежной силе.
С точки зрения неподвижного объекта на вращающейся системе отсчета (например, сиденье на качелях) центростремительный и центробежный равны по величине, но противоположны по направлению. Центростремительная сила действует на движущееся тело, а центробежная – нет. По этой причине центробежную силу иногда называют «виртуальной» силой..
Как рассчитать центростремительную силу
Математическое представление центростремительной силы было получено голландским физиком Христианом Гюйгенсом в 1659 году. Если тело движется по круговой траектории с постоянной скоростью, радиус круга (r) равен массе тела (м), умноженной на квадрат скорости (v), деленный на центростремительную силу (F):
r = mv 2 /F
Уравнение можно изменить для определения центростремительной силы:
F = mv 2 /r
Из уравнения следует обратить внимание на то, что центростремительная сила пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что удвоение скорости объекта требует четырехкратной центростремительной силы, чтобы объект двигался по кругу. Практический пример этого можно увидеть при движении автомобиля по крутому повороту. Здесь трение – единственная сила, удерживающая шины автомобиля на дороге. Увеличение скорости значительно увеличивает силу, поэтому скольжение становится более вероятным.
Также обратите внимание, что расчет центростремительной силы предполагает, что на объект не действуют дополнительные силы.
Формула центростремительного ускорения
Другим распространенным расчетом является центростремительное ускорение, которое представляет собой изменение скорости, деленное на изменение во времени. Ускорение – это квадрат скорости, деленный на радиус круга:
Δv/Δt = a = v 2 / r
Практическое применение центростремительной силы
Классическим примером центростремительной силы является случай, когда объект качается на веревке. . Здесь натяжение веревки обеспечивает центростремительную «тянущую» силу.
Центростремительная сила – это «толкающая» сила в случае мотоцикла «Стена смерти». райдер.
В лабораторных центрифугах используется центростремительная сила. Здесь частицы, взвешенные в жидкости, отделяются от жидкости с помощью ускорительных трубок, ориентированных таким образом, что более тяжелые частицы (то есть объекты с большей массой) притягиваются к дну трубок. Хотя центрифуги обычно отделяют твердые частицы от жидкостей, они также могут фракционировать жидкости, как в образцах крови, или отдельные компоненты газов.
Газовые центрифуги используются для отделения более тяжелый изотоп урана-238 из более легкого изотопа урана-235. Более тяжелый изотоп вытягивается за пределы вращающегося цилиндра. Тяжелая фракция отбирается и отправляется в другую центрифугу. Процесс повторяется до тех пор, пока газ не станет достаточно «обогащенным».
Жидкозеркальный телескоп (LMT) можно создать, вращая отражающий жидкий металл, например Меркурий. Поверхность зеркала принимает форму параболоида, поскольку центростремительная сила зависит от квадрата скорости. Из-за этого высота вращающегося жидкого металла пропорциональна квадрату его расстояния от центра.. Интересную форму, которую принимает вращение жидкости, можно наблюдать, вращая ведро с водой с постоянной скоростью.
