Siła odśrodkowa jest wszechobecna w naszym codziennym życiu, ale czy tak właśnie myślimy?
Doświadczamy tego, gdy skręcamy za zakręt w samochodzie lub gdy samolot skręca w zakręt. Widzimy to w cyklu wirowania pralki lub gdy dzieci jeżdżą na karuzeli. Pewnego dnia może nawet zapewnić sztuczną grawitację dla statków kosmicznych i stacji kosmicznych.
Ale siła odśrodkowa jest często mylona z jej odpowiednikiem, siłą dośrodkową, ponieważ są one tak ściśle ze sobą powiązane - zasadniczo dwie strony tej samej monety.
Siła dośrodkowa jest zdefiniowana jako „siła niezbędna do utrzymania obiektu w ruchu po zakrzywionej ścieżce i skierowana do wewnątrz w kierunku środka obrotu”, podczas gdy siła odśrodkowa jest zdefiniowana jako „siła pozorna odczuwana przez poruszający się obiekt na zakrzywionej ścieżce, która działa na zewnątrz od środka obrotu ”, zgodnie z Merriam Webster Dictionary.
Należy zauważyć, że podczas gdy siła dośrodkowa jest siłą rzeczywistą, siła odśrodkowa jest definiowana jako siła pozorna. Innymi słowy, podczas wirowania masy na sznurku, sznurek wywiera na masę wewnętrzną siłę dośrodkową, podczas gdy masa wydaje się wywierać zewnętrzną siłę odśrodkową na sznurek.
„Różnica między siłą dośrodkową a siłą odśrodkową ma związek z różnymi„ układami odniesienia ”, to znaczy różnymi punktami widzenia, z których coś mierzysz” - powiedział Andrew A. Ganse, fizyk z University of Washington. „Siła dośrodkowa i siła odśrodkowa są naprawdę dokładnie tą samą siłą, tylko w przeciwnych kierunkach, ponieważ są doświadczane z różnych ram odniesienia”.
Jeśli obserwujesz obracający się system z zewnątrz, widzisz wewnętrzną siłę dośrodkową działającą w celu ograniczenia obracającego się ciała do okrągłej ścieżki. Jeśli jednak należysz do układu obrotowego, doświadczasz pozornej siły odśrodkowej, która odsuwa cię od środka koła, nawet jeśli tak naprawdę odczuwasz wewnętrzną siłę odśrodkową, która powstrzymuje cię przed dosłowną styczną .
Siły przestrzegają praw ruchu Newtona
Tę pozorną siłę zewnętrzną opisują prawa ruchu Newtona. Pierwsze prawo Newtona stwierdza, że „ciało w spoczynku pozostanie w spoczynku, a ciało w ruchu pozostanie w ruchu, chyba że zostanie na nie oddziaływać siła zewnętrzna”.
Jeśli masywne ciało porusza się przez przestrzeń w linii prostej, jego bezwładność spowoduje, że będzie on kontynuował w linii prostej, chyba że siła zewnętrzna spowoduje przyspieszenie, spowolnienie lub zmianę kierunku. Aby poruszać się po torze kołowym bez zmiany prędkości, ciągła siła dośrodkowa musi być przyłożona pod kątem prostym do jej toru. Promień (r) tego koła jest równy masie (m) pomnożonej przez kwadrat prędkości (v) podzielonej przez siłę dośrodkową (F) lub r = mv ^ 2 / F. Siłę można obliczyć po prostu przestawiając równanie, F = mv ^ 2 / r.
Trzecie prawo Newtona stwierdza, że „dla każdej akcji występuje równa i przeciwna reakcja”. Tak jak grawitacja powoduje, że wywierasz siłę na ziemię, ziemia wydaje się wywierać równą i przeciwną siłę na twoje stopy. Gdy jesteś w samochodzie przyspieszającym, siedzenie wywiera na ciebie siłę skierowaną do przodu, tak jak wydaje się, że wywiera ono na niego siłę wsteczną.
W przypadku układu obrotowego siła dośrodkowa ciągnie masę do wewnątrz, podążając zakrzywioną ścieżką, podczas gdy masa wydaje się wypychać na zewnątrz z powodu swojej bezwładności. Jednak w każdym z tych przypadków przykładana jest tylko jedna siła rzeczywista, a druga jest tylko siłą pozorną.
Przykłady siły dośrodkowej w akcji
Istnieje wiele aplikacji wykorzystujących siłę dośrodkową. Jednym z nich jest symulacja przyspieszenia startu kosmicznego do treningu astronautów. Kiedy rakieta jest uruchamiana po raz pierwszy, jest tak obciążona paliwem i utleniaczem, że ledwo się porusza. Jednak w miarę wznoszenia pali się w ogromnym tempie, stale tracąc masę. Drugie prawo Newtona stwierdza, że siła jest równa masie razy przyspieszenie lub F = ma.
W większości sytuacji masa pozostaje stała. Jednak w przypadku rakiety jej masa zmienia się drastycznie, podczas gdy siła, w tym przypadku siła silników rakietowych, pozostaje prawie stała. Powoduje to, że przyspieszenie pod koniec fazy doładowania zwiększa się kilkakrotnie w stosunku do normalnej grawitacji. NASA używa dużych wirówek, aby przygotować astronautów na to ekstremalne przyspieszenie. W tym zastosowaniu siłę dośrodkową zapewnia oparcie siedzenia, popychające astronautę do wewnątrz.
Innym przykładem zastosowania siły dośrodkowej jest wirówka laboratoryjna, która służy do przyspieszenia wytrącania się cząstek zawieszonych w cieczy. Jednym z powszechnych zastosowań tej technologii jest przygotowywanie próbek krwi do analizy. Według strony internetowej Experimental Biosciences z Rice University: „Unikalna struktura krwi bardzo ułatwia oddzielanie czerwonych krwinek od osocza i innych uformowanych pierwiastków poprzez różnicowe wirowanie”.
Pod normalną siłą grawitacji ruch termiczny powoduje ciągłe mieszanie, co zapobiega osadzaniu się komórek krwi z próbki pełnej krwi. Jednak typowa wirówka może osiągnąć przyspieszenie od 600 do 2000 razy większe niż przy normalnej grawitacji. To zmusza ciężkie czerwone krwinki do osadzenia się na dole i rozwarstwia różne składniki roztworu w warstwy zgodnie z ich gęstością.
Ten artykuł został zaktualizowany 10 maja 2019 r. Przez Live Science Contributor, Jennifer Leman.
