Центробежната сила е повсеместна в ежедневието ни, но дали това, което според нас е?
Изпитваме го, когато завиваме зад ъгъл в кола или когато самолет се нахвърля на завой. Виждаме го в цикъла на въртене на пералня или когато децата се возят на колело. Един ден може дори да осигури изкуствена гравитация за космически кораби и космически станции.
Но центробежната сила често се бърка със своя контрагент, центробежната сила, защото те са толкова тясно свързани - по същество две страни на една и съща монета.
Центрипеталната сила се дефинира като „силата, която е необходима за поддържане на предмет, който се движи по извита пътека и която е насочена навътре към центъра на въртене“, докато центробежната сила се определя като „видимата сила, която се усеща от движещия се обект по извита пътека, която действа навън далеч от центъра на въртене ", според речника на Merriam Webster.
Обърнете внимание, че докато центробежната сила е действителна сила, центробежната сила се определя като видима сила. С други думи, при завъртане на маса върху струна струната упражнява вътрешна центробедна сила върху масата, докато масата изглежда, че упражнява външна центробежна сила върху струната.
„Разликата между центробежната и центробежната сила е свързана с различни„ референтни рамки “, тоест различни гледни точки, от които измервате нещо“, казва Андрю А. Ганси, изследователски физик от Университета във Вашингтон. "Центрипеталната сила и центробежната сила са наистина същата сила, точно в противоположни посоки, защото те се опитват от различни референтни рамки."
Ако наблюдавате въртяща се система отвън, виждате вътрешна центрипетална сила, действаща за ограничаване на въртящото се тяло към кръгова пътека. Ако обаче сте част от въртящата се система, изпитвате очевидна центробежна сила, която ви изтласква от центъра на кръга, въпреки че всъщност усещате, е вътрешната центрипетална сила, която ви предпазва от изчезване буквално по допирателна ,
Силите се подчиняват на Законите за движение на Нютон
Тази видима външна сила е описана от законите на Нютон за движение. Първият закон на Нютон гласи, че „тяло в покой ще остане в покой, а тяло в движение ще остане в движение, освен ако не се действа от външна сила“.
Ако масивно тяло се движи през пространството по права линия, неговата инерция ще го накара да продължи по права линия, освен ако външна сила не го накара да ускори, забави или промени посоката. За да може тя да следва кръгова пътека, без да променя скоростта, трябва да се прилага непрекъсната центростремителна сила под прав ъгъл спрямо нейния път. Радиусът (r) на тази окръжност е равен на масата (m), равна на квадрата на скоростта (v), разделен на центробесната сила (F), или r = mv ^ 2 / F. Силата може да се изчисли, като просто пренаредите уравнението, F = mv ^ 2 / r.
Третият закон на Нютон гласи, че „за всяко действие има равна и противоположна реакция“. Точно както гравитацията те кара да упражняваш сила върху земята, изглежда, че земята упражнява равна и противоположна сила върху краката. Когато сте в ускоряваща се кола, седалката упражнява напред сила върху вас, точно както изглежда да упражнявате назад сила на седалката.
В случай на въртяща се система, центростремителната сила издърпва масата навътре, за да следва извит път, докато масата изглежда се изтласква навън поради своята инерция. Във всеки от тези случаи обаче се прилага само една реална сила, докато в другия е само привидна сила.
Примери на центрипетална сила в действие
Има много приложения, които използват центрипетална сила. Единият е да се симулира ускорението на космическо изстрелване за обучение на астронавти. Когато ракета се пусне за първи път, тя е толкова натоварена с гориво и окислител, че едва може да се движи. Въпреки това, докато се изкачва, той гори гориво с огромна скорост, като непрекъснато губи маса. Вторият закон на Нютон гласи, че силата е равна на маса пъти ускорение, или F = ma.
В повечето ситуации масата остава постоянна. С ракета обаче масата й се променя драстично, докато силата, в този случай тягата на ракетните двигатели, остава почти постоянна. Това причинява ускорението към края на фазата на усилване да се увеличи до няколко пъти от нормалната гравитация. НАСА използва големи центрофуги, за да подготви астронавтите за това изключително ускорение. В това приложение центростремителната сила се осигурява от облегалката на седалката, която се натиска навътре към астронавта.
Друг пример за прилагане на центростремителна сила е лабораторната центрофуга, която се използва за ускоряване на утаяването на частици, суспендирани в течност. Една често срещана употреба на тази технология е за подготовка на кръвни проби за анализ. Според уебсайта за експериментални биологични науки на университета Райс „Уникалната структура на кръвта прави много лесно отделянето на червените кръвни клетки от плазмата и другите образувани елементи чрез диференциално центрофугиране“.
При нормалната сила на гравитация топлинното движение причинява непрекъснато смесване, което не позволява на кръвните клетки да се утаяват от цяла кръвна проба. Типичната центрофуга обаче може да постигне ускорения, които са 600 до 2000 пъти по-големи от нормалната гравитация. Това принуждава тежките червени кръвни клетки да се утаят на дъното и стратифицира различните компоненти на разтвора на слоеве според тяхната плътност.
Тази статия е актуализирана на 10 май 2019 г. от научния сътрудник на живо Дженифър Леман.
