- Kako se izračuna centrifugalna sila?
- Diagram prostega telesa v inercialnem in neercialnem sistemu
- Primeri
- Vaje
- Vaja 1
- Rešitev za
- Rešitev b
- Vaja 2
- Rešitev
- Prijave
- Centrifuge
- Pralni stroji
- Nagib krivulj
- Reference
Centrifugalna sila teži k izrinili vrtečih telesa ob krivuljo. Šteje se za izmišljeno silo, psevdofor ali inercijsko silo, saj je ne povzročajo interakcije med resničnimi predmeti, ampak je manifestacija inercije teles. Inercija je lastnost, zaradi katere predmeti želijo ohraniti stanje mirovanja ali enakomernega pravokotnega gibanja, če ga imajo.
Izraz "centrifugalna sila" je skoval znanstvenik Christian Huygens (1629-1695). Izjavil je, da jih bo krivulja gibanja planetov ponavadi odmaknila, razen če Sonce izvaja neko silo, da jih zadrži, in izračunal, da je ta sila sorazmerna s kvadratom hitrosti in obratno sorazmerna s polmerom opisanega oboda.
Slika 1. Potniki pri zavijanju izkusijo silo, ki jih ponavadi potegne iz nje. Vir: Libreshot.
Za tiste, ki potujejo z avtom, centrifugalna sila sploh ni izmišljena. Potniki v avtomobilu, ki zavije desno, se počutijo potisnjeni v levo, in obratno, ko avto zavije levo, ljudje izkusijo silo v desno, za katero se zdi, da jih želijo odmakniti od središča ovinka.
Velikost centrifugalne sile F g se izračuna z naslednjim izrazom:
- F g je velikost centrifugalne sile
- m je masa predmeta
- v je hitrost
- R je polmer ukrivljene poti.
Sila je vektor, zato se uporablja krepka vrsta, da jo ločimo od njene velikosti, ki je skalarna.
Vedno upoštevajte, da se F g pojavi le, kadar je gibanje opisano s pospešenim referenčnim okvirom.
V primeru, ki je bil opisan na začetku, je predenje avtomobila pospešeno referenčno, saj potrebuje centripetalno pospeševanje, da se lahko vrti.
Kako se izračuna centrifugalna sila?
Za ocenjevanje gibanja je ključnega pomena izbira referenčnega sistema. Pospešeni referenčni okvir je znan tudi kot neinercijski okvir.
V tovrstnem sistemu, kot je vrteči se avtomobil, se pojavljajo fiktivne sile, kot je centrifugalna sila, katerih izvor ni dejanska interakcija med predmeti. Potnik ne more povedati, kaj ga potisne iz ovinka, lahko le potrdi, da je tako.
Po drugi strani se v inercialnem referenčnem sistemu medsebojno dogajajo interakcije med resničnimi predmeti, kot sta premikajoče se telo in Zemlja, kar povzroča težo, ali med telesom in površino, na kateri se giblje, ki izvirajo trenje in normalno.
Opazovalec, ki stoji ob cesti in opazuje, kako avto obrača krivuljo, je dober primer inercialnega referenčnega sistema. Pri tem opazovalcu se avto obrne, ker nanj deluje sila, usmerjena proti središču krivulje, ki ga sili, da se ne umakne iz njega. To je centripetalna sila, ki nastane zaradi trenja med pnevmatikami in pločnikom.
V inercialnem referenčnem okviru se centrifugalna sila ne pojavi. Zato je prvi korak pri računanju natančna izbira referenčnega sistema, ki bo uporabljen za opis gibanja.
Na koncu je treba opozoriti, da inercialni referenčni sistemi ne bi smeli biti v mirovanju, tako kot opazovalec, ki vozilo opazuje krivuljo. V gibanju je lahko tudi inercijski referenčni okvir, znan kot laboratorijski referenčni okvir. Seveda s konstantno hitrostjo glede na inercialno.
Diagram prostega telesa v inercialnem in neercialnem sistemu
Na naslednji sliki na levi stoji opazovalec O in gleda O ', ki je na ploščadi, ki se vrti v označeni smeri. Za O, ki je inercijski okvir, se zagotovo O 'vrti zaradi centripetalne sile F c, ki jo ustvarja stena rešetke na zadnji strani O'.
Slika 2. Oseba, ki stoji na gramofonu, je razvidna iz dveh različnih referenčnih sistemov: enega fiksnega in drugega, ki gre za osebo. Vir: Física de Santillana
Šele v inercialnih referenčnih okvirih je mogoče uporabiti Newtonov drugi zakon, ki pravi, da je neto sila enaka proizvodu mase in pospeška. In s tem s prikazanim diagramom prostega telesa dobimo:
Podobno je na sliki na desni tudi diagram prostega telesa, ki opisuje, kaj opazovalec O 'vidi. Z njegovega stališča je v mirovanju, zato so sile na njem uravnotežene.
Te sile so: običajna F , ki jo stena izvaja, rdeče in usmerjena proti središču, in centrifugalna sila F g, ki jo potisne navzven in ki ne izvira iz nobene interakcije, je neinercialna sila, ki se pojavlja v vrtljivih referenčnih sistemih.
Centrifugalna sila je izmišljena, uravnoteži jo z resnično silo, kontaktno ali normalno silo, ki kaže proti sredini. Tako:
Primeri
Čeprav se centrifugalna sila šteje za psevdo silo, so njeni učinki povsem resnični, kar je razvidno iz naslednjih primerov:
- V vseh igrah predenja v zabaviščnem parku je prisotna centrifugalna sila. Zagotavlja, da »bežimo od središča«, in nudi stalen odpor, če poskušate stopiti v središče vrtečega se vrtiljaka. V naslednjem nihalu si lahko ogledate centrifugalno silo:
- Coriolisov učinek nastane zaradi vrtenja Zemlje, zaradi česar Zemlja preneha biti inercijski okvir. Nato se pojavi Coriolisova sila, ki je psevdo-sila, ki predmete odkloni bočno, tako kot ljudje, ki poskušajo hoditi na gramofon.
Vaje
Vaja 1
Avto, ki se obrača s pospeševanjem A v desno, ima napolnjeno igračo, ki visi iz notranjega vzvratnega ogledala. Narišite in primerjajte diagrame prostega telesa igrače iz:
a) Inercialni referenčni okvir opazovalca, ki stoji na cesti.
b) Potnik, ki potuje v avtu.
Rešitev za
Opazovalec, ki stoji na cesti, opazi, da se igrača igra hitro, s pospeškom A v desno.
Slika 3. Diagram prostega telesa za vajo 1a. Vir: F. Zapata.
Na igračo delujeta dve sili: na eni strani napetost v vrvici T in navpična teža navzdol W. Teža je uravnotežena z navpično sestavino napetosti Tcosθ, torej:
Vodoravna komponenta napetosti: T. sinθ je neuravnotežena sila, ki je odgovorna za pospešek v desno, zato je centripetalna sila:
Rešitev b
Za potnika v avtomobilu igrača visi v ravnovesju in diagram je naslednji:
Slika 4. Diagram prostega telesa za vajo 1b. Vir: F. Zapata.
Tako kot v prejšnjem primeru se teža in navpična komponenta napetosti izravnata. Toda horizontalna komponenta je uravnotežena s fiktivno silo F g = mA, tako da:
Vaja 2
Kovanček je na robu starega predvajalnika vinilnih plošč, katerega polmer je 15 cm in se vrti s 33 vrtljaji / minuto. Poiščite najnižji koeficient statičnega trenja, ki je potreben, da kovanec ostane na mestu, z uporabo referenčnega okvira solidarnosti s kovancem.
Rešitev
Na sliki je diagram prostega telesa za opazovalca, ki se premika s kovancem. Normalno N, ki ga gramofon izvaja navpično navzgor, uravnoteži teža W , medtem ko se centrifugalna sila F g kompenzira s statičnim trenjem F trenja .
Slika 5. Diagram prostega telesa za vajo 2. Vir: F. Zapata.
Velikost centrifugalne sile je mv 2 / R, kot rečeno na začetku, potem:
Po drugi strani pa statična sila trenja daje:
Če je μ s koeficient statičnega trenja, je brezdimenzijska količina, katere vrednost je odvisna od stika površin. Nadomestitev te enačbe je:
Velikost normalne vrednosti še ni določena, ki je odvisna od teže glede na N = mg. Ponovna zamenjava:
Nazaj na izjavo poroča, da se kovanec vrti s hitrostjo 33 vrtljajev / minuto, kar je kotna hitrost ali kotna frekvenca ω, povezana z linearno hitrostjo v:
Rezultati te vaje bi bili enaki, če bi bil izbran inercijski referenčni okvir. V takem primeru je edina sila, ki lahko povzroči pospešek proti središču, statično trenje.
Prijave
Kot smo že rekli, je centrifugalna sila izmišljena sila, ki se ne pojavlja v inercialnih okvirih, ki so edini, v katerih veljajo Newtonovi zakoni. V njih je centripetalna sila odgovorna za zagotavljanje telesa potrebnim pospeškom proti središču.
Centripetalna sila se ne razlikuje od že znanih. Nasprotno, ravno te imajo vlogo centripetalnih sil, kadar je to primerno. Na primer gravitacija, zaradi katere Luna kroži okoli Zemlje, napetost v vrvi, s katero se vrti kamen, statično trenje in elektrostatična sila.
Ker pa v praksi obstajajo pospešeni referenčni okviri, imajo fiktivne sile zelo resnične učinke. Tu so na primer tri pomembne aplikacije, kjer imajo oprijemljive učinke:
Centrifuge
Centrifuge so instrumenti, ki se pogosto uporabljajo v laboratoriju. Ideja je, da se mešanica snovi vrti z veliko hitrostjo, tiste snovi z večjo maso pa imajo večjo centrifugalno silo, v skladu z enačbo, opisano na začetku.
Nato se bodo najbolj masivni delci ponavadi odmaknili od osi vrtenja in se tako ločili od lažjih, ki bodo ostali bližje središču.
Pralni stroji
Samodejni podložki imajo različne cikle vrtenja. V njih oblačila centrifugiramo, da odstranimo preostalo vodo. Višji kot so vrtljaji cikla, manj vlažne bodo oblačila na koncu pranja.
Nagib krivulj
Avtomobili so boljši pri ovinkih na cestah, saj se proga nekoliko nagiba proti sredini ovinka, znanega kot nadvišanje. Na ta način avtomobil ni odvisen izključno od statičnega trenja med pnevmatikami in cesto, da do konca zavije, ne da bi zavil.
Reference
- Acosta, Victor. Izdelava didaktičnega vodnika o centrifugalni sili za učence v ciklu V razreda 10. Obnovljeno iz: bdigital.unal.edu.co.
- Toppr. Zakoni gibanja: krožno gibanje. Pridobljeno: toppr.com.
- Resnick, R. (1999). Fizično. Letnik 1. 3. izdaja v španščini. Compañía Uredništvo Continental SA de CV
- Avtonomna univerza države Hidalgo. Centrifugalna sila. Pridobljeno: uaeh.edu.mx
- Wikipedija. Centrifuge. Pridobljeno: es.wikipedia.org.