Центробежная сила повсеместна в нашей повседневной жизни, но разве это то, что мы думаем?
Мы испытываем это, когда заходим за угол в машине или когда самолет поворачивает на поворот. Мы видим это в цикле вращения стиральной машины или когда дети катаются на карусели. Однажды это может даже обеспечить искусственную гравитацию для космических кораблей и космических станций.
Но центробежную силу часто путают с ее аналогом, центростремительной силой, потому что они так тесно связаны - по существу, две стороны одной медали.
Центростремительная сила определяется как «сила, необходимая для поддержания движения объекта по искривленной траектории и направленная внутрь к центру вращения», а центробежная сила определяется как «кажущаяся сила, которая ощущается движущимся объектом». в искривленном пути, который действует наружу от центра вращения ", согласно словарю Merriam Webster.
Обратите внимание, что, хотя центростремительная сила является фактической силой, центробежная сила определяется как кажущаяся сила. Другими словами, при вращении массы на струне струна оказывает внутреннюю центростремительную силу на массу, в то время как масса, по-видимому, оказывает внешнюю центробежную силу на струну.
«Разница между центростремительной и центробежной силой связана с разными« ориентирами », то есть разными точками зрения, с которых вы что-то измеряете», - сказал Эндрю А. Ганс, физик-исследователь из Вашингтонского университета. «Центростремительная сила и центробежная сила - это на самом деле одна и та же сила, только в противоположных направлениях, потому что они испытываются из разных систем отсчета».
Если вы наблюдаете вращающуюся систему снаружи, вы видите внутреннюю центростремительную силу, действующую, чтобы ограничить вращающееся тело круговой траекторией. Однако, если вы являетесь частью вращающейся системы, вы испытываете очевидную центробежную силу, отталкивающую вас от центра круга, даже при том, что вы на самом деле ощущаете внутреннюю центростремительную силу, которая удерживает вас от буквального отклонения от касательной. ,
Силы подчиняются законам движения Ньютона
Эта кажущаяся внешняя сила описана в законах движения Ньютона. Первый закон Ньютона гласит, что «тело в покое будет оставаться в покое, а тело в движении будет оставаться в движении, если на него не воздействует внешняя сила».
Если массивное тело движется в пространстве по прямой линии, его инерция заставит его продолжать движение по прямой линии, если внешняя сила не заставит его ускорить, замедлить или изменить направление. Чтобы он шел по круговой траектории без изменения скорости, необходимо приложить непрерывную центростремительную силу под прямым углом к его траектории. Радиус (r) этого круга равен массе (m), умноженной на квадрат скорости (v), деленной на центростремительную силу (F), или r = mv ^ 2 / F. Сила может быть рассчитана путем простой перестановки уравнения, F = mv ^ 2 / r.
Третий закон Ньютона гласит, что «на каждое действие существует равная и противоположная реакция». Подобно тому, как гравитация заставляет вас воздействовать на землю, земля, кажется, оказывает равную и противоположную силу на ваши ноги. Когда вы находитесь в ускоряющейся машине, сиденье оказывает на вас прямое усилие, точно так же, как вы, кажется, оказываете обратное усилие на сиденье.
В случае вращающейся системы центростремительная сила тянет массу внутрь, чтобы следовать изогнутой траектории, в то время как масса, кажется, выталкивает наружу из-за своей инерции. Однако в каждом из этих случаев применяется только одна реальная сила, а в другом - только кажущаяся сила.
Примеры центростремительной силы в действии
Есть много приложений, которые используют центростремительную силу. Одним из них является моделирование ускорения космического запуска для подготовки космонавтов. Когда ракета запускается впервые, она настолько загружена топливом и окислителем, что едва может двигаться. Однако, когда он поднимается, он сжигает топливо с огромной скоростью, постоянно теряя массу. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна ускорению массы, или F = ma.
В большинстве ситуаций масса остается постоянной. Однако у ракеты ее масса резко меняется, в то время как сила, в данном случае тяга ракетных двигателей, остается почти постоянной. Это приводит к тому, что ускорение к концу фазы наддува увеличивается в несколько раз по сравнению с нормальной гравитацией. НАСА использует большие центрифуги для подготовки астронавтов к этому экстремальному ускорению. В этом приложении центростремительная сила обеспечивается спиной сиденья, толкающей внутрь космонавта.
Другим примером применения центростремительной силы является лабораторная центрифуга, которая используется для ускорения осаждения частиц, взвешенных в жидкости. Одним из распространенных применений этой технологии является подготовка образцов крови для анализа. Согласно веб-сайту Experimental Biosciences университета Райса, «уникальная структура крови позволяет очень легко отделять эритроциты от плазмы и других образовавшихся элементов путем дифференциального центрифугирования».
Под действием нормальной силы тяжести тепловое движение вызывает постоянное перемешивание, которое предотвращает оседание клеток крови из образца цельной крови. Тем не менее, типичная центрифуга может достигать ускорений, которые в 600-2000 раз превышают нормальную гравитацию. Это заставляет тяжелые красные кровяные клетки оседать на дне и расслаивает различные компоненты раствора на слои в соответствии с их плотностью.
Эта статья была обновлена 10 мая 2019 года участником Live Science Дженнифер Леман.
