ЦЕНТРОБЕЖНА СИЛА: ФОРМУЛИ, КАК СЕ ИЗЧИСЛЯВА, ПРИМЕРИ, УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В центробежната сила се стреми да изтласка въртящите се органи като крива. Смята се за фиктивна сила, псевдосила или инерционна сила, тъй като не е причинена от взаимодействия между реални обекти, а е проява на инерцията на телата. Инерцията е свойството, което кара обектите да искат да запазят своето състояние на покой или с равномерно праволинейно движение, ако имат такова.

Терминът "центробежна сила" е въведен от учения Кристиан Хюйгенс (1629-1695). Той твърди, че криволинейното движение на планетите ще има тенденция да ги отдалечи, освен ако Слънцето не упражнява някаква сила, за да ги задържи, и изчисли, че тази сила е пропорционална на квадрата на скоростта и обратно пропорционална на радиуса на описаната обиколка.

Фигура 1. При завиване пътниците изпитват сила, която е склонна да ги издърпа от него. Източник: Libreshot.

За тези, които пътуват с кола, центробежната сила изобщо не е измислена. Пътниците в кола, която завива надясно, се чувстват изтласкани наляво и обратно, когато колата завие наляво, хората изпитват сила надясно, която сякаш иска да ги отдалечи от центъра на завоя.

Величината на центробежната сила F _g се изчислява чрез следния израз:

- F _g е величината на центробежната сила

- m е масата на обекта

- v е скоростта

- R е радиусът на извитата пътека.

Силата е вектор, поради което се използва смел тип, за да се разграничи от нейната величина, която е скаларна.

Винаги имайте предвид, че F _{g се} появява само когато движението е описано с помощта на ускорена референтна рамка.

В описания пример в началото, въртящата се кола представлява ускорена еталон, тъй като се нуждае от центробежно ускорение, за да може да се обърне.

Как се изчислява центробежната сила?

Изборът на референтната система е жизненоважен за оценката на движението. Ускорената референтна рамка е известна още като неинерциална рамка.

В този тип система, като въртяща се кола, се появяват фиктивни сили като центробежна сила, чийто произход не е реално взаимодействие между обекти. Пътникът не може да каже какво го изтласква от кривата, той може само да потвърди, че това е така.

От друга страна, в инерциална референтна система взаимодействията възникват между реални обекти, като движещото се тяло и Земята, което води до тежест, или между тялото и повърхността, по която се движи, които произхождат триене и нормално.

Наблюдател, който стои отстрани на пътя и наблюдава колата да завива кривата, е добър пример за инерциална референтна система. За този наблюдател колата се обръща, защото върху нея действа сила, насочена към центъра на кривата, която я принуждава да не се измъква от нея. Това е центростремителната сила, произведена от триенето между гумите и настилката.

В инерциална референтна рамка центробежната сила не се появява. Следователно първата стъпка при изчисляването му е внимателно да се избере референтната система, която ще се използва за описание на движението.

И накрая, трябва да се отбележи, че инерционните референтни системи не е задължително да са в покой, като наблюдателят, който наблюдава превозното средство да завива кривата. Инерциалната референтна рамка, известна като лабораторна референтна рамка, също може да бъде в движение. Разбира се, с постоянна скорост по отношение на инерциална.

Диаграма на свободно тяло в инерционна и неинерциална система

На следващата фигура вляво наблюдател O стои и гледа към O ', който е на платформата, която се върти в посочената посока. За О, който е инерциална рамка, със сигурност О 'се поддържа на въртене поради центростремителната сила F _c, произведена от стената на решетката на гърба на O'.

Фигура 2. Човек, стоящ на грамофон, се вижда от две различни референтни системи: едната е фиксирана, а другата, която върви с човека. Източник: Física de Santillana

Само в инерционните референтни рамки е валидно да се приложи вторият закон на Нютон, който гласи, че нетната сила е равна на произведението на масата и ускорението. И по този начин, с показаната диаграма на свободното тяло, получаваме:

По същия начин, на фигурата вдясно има и диаграма на свободно тяло, която описва какво вижда наблюдателят O '. От негова гледна точка той е в покой, следователно силите върху него са балансирани.

Тези сили са: нормалната F, която стената упражнява върху нея, в червено и насочена към центъра, и центробежната сила F _g, която я изтласква навън и която не произлиза от никакво взаимодействие, е неинерционна сила, която се появява във въртящи се референтни системи.

Центробежната сила е фиктивна, тя се балансира с реална сила, контактната или нормална сила, която сочи към центъра. По този начин:

Примери

Въпреки че центробежната сила се счита за псевдосила, нейните ефекти са съвсем реални, както може да се види в следните примери:

- Във всяка игра на въртене в увеселителен парк има центробежна сила. Тя гарантира, че „бягаме от центъра“ и ни осигурява постоянна съпротива, ако се опитате да влезете в центъра на движеща се въртележка. В следното махало можете да видите центробежната сила:

- Ефектът на Кориолис възниква от въртенето на Земята, което кара Земята да спре да бъде инерциална рамка. Тогава се появява силата на Кориолис, която е псевдосила, която отклонява обектите странично, подобно на хората, които се опитват да ходят на грамофон.

Упражнения

Упражнение 1

Автомобил, който завива с ускорение А вдясно, има пълнена играчка, висяща от вътрешното огледало за обратно виждане. Начертайте и сравнете диаграмите на свободното тяло на играчката, видени от:

а) Инерциалната референтна рамка на наблюдател, стоящ на пътя.

б) Пътник, пътуващ в колата.

Решение за

Наблюдател, стоящ на пътя, забелязва, че играчката се движи бързо, с ускорение А вдясно.

Фигура 3. Диаграма на свободно тяло за упражнение 1а. Източник: Ф. Сапата.

На играчката действат две сили: от една страна напрежението в низа Т и вертикалното тегло надолу W. Теглото е балансирано с вертикалния компонент на напрежението Tcosθ, следователно:

Хоризонталният компонент на напрежението: T. sinθ е небалансираната сила, отговорна за ускорението вдясно, следователно центростремителната сила е:

Решение b

За пътник в колата играчката виси в равновесие и схемата е следната:

Фигура 4. Диаграма на свободно тяло за упражнение 1b. Източник: Ф. Сапата.

Както в предишния случай, теглото и вертикалният компонент на напрежението се компенсират. Но хоризонталният компонент е балансиран от фиктивната сила F _g = mA, така че:

Упражнение 2

Монета е на ръба на стар плейър с винилови плочи, радиусът на който е 15 см и се върти с 33 оборота / минута. Намерете минималния коефициент на статично триене, необходим, за да може монетата да остане на мястото си, като използвате рамката за солидарност с монетата.

Решение

На фигурата е диаграмата на свободното тяло за наблюдател, движещ се с монетата. Нормалната N, която въртящият диск упражнява вертикално нагоре, се балансира от теглото W, докато центробежната сила F _g се компенсира от статичното _триене F на _триене.

Фигура 5. Безплатна схема на тялото за упражнение 2. Източник: F. Zapata.

Големината на центробежната сила е mv ² / R, както беше казано в началото, след това:

От друга страна, статичната сила на триене се дава от:

Къде μ _s е коефициентът на статично триене, безразмерно количество, чиято стойност зависи от това как повърхностите са в контакт. Заместването на това уравнение е:

Остава да се определи величината на нормалното, което е свързано с теглото според N = mg. Замяна отново:

Обратно към изявлението, той съобщава, че монетата се върти със скорост 33 оборота / минута, което е ъгловата скорост или ъгловата честота ω, свързана с линейната скорост v:

Резултатите от това упражнение биха били същите, ако беше избрана инерциална референтна рамка. В такъв случай единствената сила, която може да предизвика ускорение към центъра, е статичното триене.

Приложения

Както казахме, центробежната сила е фиктивна сила, която не се появява в инерциални рамки, които са единствените, в които законите на Нютон са валидни. В тях центропеталната сила е отговорна за осигуряването на тялото с необходимото ускорение към центъра.

Центропеталната сила не е различна сила от вече известните. Напротив, именно те играят ролята на центростремителни сили, когато е подходящо. Например гравитацията, която кара Луната да орбитира около Земята, напрежението във въже, чрез което се завърта камък, статичното триене и електростатичната сила.

Въпреки това, тъй като ускорените референтни рамки изобилстват на практика, фиктивните сили имат много реални ефекти. Например, тук има три важни приложения, когато имат осезаеми ефекти:

Центрофуги

Центрофугите са инструменти, широко използвани в лабораторията. Идеята е смес от вещества да се върти с висока скорост, а тези вещества с по-голяма маса изпитват по-голяма центробежна сила, според уравнението, описано в началото.

Тогава най-масивните частици ще са склонни да се отдалечават от оста на въртене, като по този начин се отделят от по-леките, които ще останат по-близо до центъра.

Перални машини

Автоматичните шайби имат различни цикли на въртене. В тях дрехите се центрофугират, за да се елиминира останалата вода. Колкото по-високи са оборотите на цикъла, толкова по-малко влажни ще бъдат дрехите в края на прането.

Наклонът на извивките

Автомобилите са по-добри в завои по пътищата, тъй като трасето се наклонява леко към центъра на завоя, известно като надвишение. По този начин автомобилът не зависи изключително от статичното триене между гумите и пътя, за да завърши завоя, без да излиза от завоя.

Препратки

1. Акоста, Виктор. Изграждане на дидактическо ръководство за центробежна сила за ученици от цикъл V клас 10. Извлечено от: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Закони за движение: кръгово движение. Възстановено от: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Физическа. Том 1. 3-то издание на испански език. Compañía Редакция Continental SA de CV
4. Автономен университет на щата Идалго. Центробежна сила. Възстановено от: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Центрофуги. Възстановено от: es.wikipedia.org.