Центростремительная сила определяется как сила воздействуя на тело, которое движется по круговой траектории, которая направлена к центру, вокруг которого движется тело. Термин происходит от латинских слов центр для "центра" и petere, что означает «искать».
Центростремительная сила может считаться силой, стремящейся к центру. Его направление ортогонально (под прямым углом) к движению тела в направлении к центру кривизны пути тела. Центростремительная сила изменяет направление движения объекта, не изменяя его скорость.
Ключевые выводы: центростремительная сила
- Центростремительная сила - это сила тела, движущегося по кругу, который указывает внутрь к точке, вокруг которой движется объект.
- Сила в противоположном направлении, направленном наружу от центра вращения, называется центробежной силой.
- Для вращающегося тела центростремительные и центробежные 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 («бегущая из центра» сила) отталкивается от центра.
Согласно на первый закон Ньютона«тело в состоянии покоя будет оставаться в покое, в то время как тело в движении будет оставаться в движении, если на него не воздействует внешняя сила». В другими словами, если силы, действующие на объект, уравновешены, объект будет продолжать двигаться в устойчивом темпе без ускорение.
Центростремительная сила позволяет телу следовать круговой траектории, не отлетая по касательной, непрерывно действуя под прямым углом к своей траектории. Таким образом, он действует на объект как одну из сил в первом законе Ньютона, тем самым сохраняя инерцию объекта.
Второй закон Ньютона также применяется в случае требование к центростремительной силе, Это говорит о том, что если объект движется по кругу, действующая на него сила должна быть направлена внутрь. Второй закон Ньютона гласит, что ускоряемый объект подвергается действующей силе, причем направление суммарной силы совпадает с направлением ускорения. Для объекта, движущегося по кругу, должна присутствовать центростремительная сила (суммарная сила), чтобы противостоять центробежной силе.
С точки зрения неподвижного объекта на вращающейся системе координат (например, сиденье на качелях) центростремительные и центробежные равны по величине, но противоположны по направлению. Центростремительная сила действует на тело в движении, а центробежная сила - нет. По этой причине центробежную силу иногда называют «виртуальной» силой.
Как рассчитать центростремительную силу
Математическое представление центростремительной силы было получено голландским физиком Кристианом Гюйгенсом в 1659 году. Для тела, движущегося по круговой траектории с постоянной скоростью, радиус круга (r) равен массе тела (м), умноженной на квадрат скорость (v) делится на центростремительную силу (F):
г = мв2/ F
Уравнение можно переставить, чтобы решить для центростремительной силы:
F = мв2/р
Важным моментом, который следует отметить из уравнения, является то, что центростремительная сила пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что удвоение скорости объекта требует четырехкратного центростремительного усилия, чтобы объект двигался по кругу. Практический пример этого виден при съемке крутого поворота с автомобилем. Здесь трение - единственная сила, удерживающая шины автомобиля на дороге. Увеличение скорости значительно увеличивает силу, поэтому занос становится более вероятным.
Также обратите внимание, что расчет центростремительной силы предполагает, что никакие дополнительные силы не действуют на объект.
Формула центростремительного ускорения
Другим распространенным расчетом является центростремительное ускорение, которое представляет собой изменение скорости, деленное на изменение во времени. Ускорение квадрат скорости, деленный на радиус круга:
Δv / Δt = a = v2/р
Практическое применение центростремительной силы
Классическим примером центростремительной силы является случай, когда объект качается на веревке. Здесь натяжение каната создает центростремительную «тяговую» силу.
Центростремительная сила - это сила толчка в случае с мотоциклистом Стены Смерти.
Центростремительная сила используется для лабораторных центрифуг. Здесь частицы, взвешенные в жидкости, отделяются от жидкости ускоряющими трубками. ориентированы так, что более тяжелые частицы (то есть объекты с большей массой) притягиваются к нижней части трубы. Хотя центрифуги обычно отделяют твердые вещества от жидкостей, они также могут фракционировать жидкости, как в образцах крови, или отдельные компоненты газов.
Газовые центрифуги используются для отделения более тяжелого изотопа урана-238 от более легкого изотопа урана-235. Более тяжелый изотоп тянется к внешней стороне вращающегося цилиндра. Тяжелая фракция выпускается и отправляется в другую центрифугу. Процесс повторяется до тех пор, пока газ не станет достаточно «обогащенным».
Жидкокристаллический телескоп (LMT) может быть сделан вращением отражающей жидкость металл, такие как ртуть. Поверхность зеркала принимает форму параболоида, потому что центростремительная сила зависит от квадрата скорости. Из-за этого высота вращающегося жидкого металла пропорциональна квадрату его расстояния от центра. Интересную форму, принимаемую вращающимися жидкостями, можно наблюдать, вращая ведро воды с постоянной скоростью.