forța centrifugă tinde să împingă corpurile care se rotesc în jurul unei curbe. Este considerat un forță fictivă, pseudoforza sau forța inerțială, deoarece nu este cauzată de interacțiuni între obiecte reale, ci este o manifestare a inerţie a corpurilor. Inerția este proprietatea care face ca obiectele să își dorească să-și păstreze starea de repaus sau de mișcare rectilinie uniformă, dacă au una..
Termenul „forță centrifugă” a fost inventat de omul de știință Christian Huygens (1629-1695). El a afirmat că mișcarea curbiliniară a planetelor va tinde să le îndepărteze, cu excepția cazului în care Soarele exercită o forță pentru a le reține și a calculat că această forță era proporțională cu pătratul vitezei și invers proporțională cu raza circumferinței descrise..
Pentru cei care călătoresc cu mașina, forța centrifugă nu este deloc fictivă. Pasagerii dintr-o mașină care coteste la dreapta se simt împinși spre stânga și invers, când mașina coteste la stânga, oamenii experimentează o forță spre dreapta, care pare să vrea să-i îndepărteze de centrul curbei.
Mărimea forței centrifuge Fg se calculează utilizând următoarea expresie:
-Fg este magnitudinea forței centrifuge
-m este masa obiectului
-v este viteza
-R este raza căii curbate.
Forța este un vector, prin urmare se folosește tipul îndrăzneț pentru a-l deosebi de magnitudinea sa, care este un scalar.
Trebuie să ții întotdeauna cont de asta Fg apare numai atunci când mișcarea este descrisă utilizând un cadru de referință accelerat.
În exemplul descris la început, mașina rotativă constituie o referință accelerată, deoarece necesită accelerație centripetă, ca să mă pot întoarce.
Indice articol
Alegerea sistemului de referință este vitală pentru aprecierea mișcării. Un cadru de referință accelerat este, de asemenea, cunoscut sub numele de cadru non-inerțial..
În acest tip de sistem, la fel ca o mașină care se învârte, apar forțe fictive, cum ar fi forța centrifugă, a căror origine nu este o interacțiune reală între obiecte. Un pasager nu poate spune ce îl împinge să iasă din curbă, el nu poate decât să afirme că așa este.
Pe de altă parte, într-un sistem de referință inerțial, interacțiunile au loc între obiecte reale, cum ar fi corpul în mișcare și Pământ, care dă naștere la greutate, sau între corp și suprafața pe care se mișcă, care determină frecare și normal.
Un observator care stă pe marginea drumului și privește mașina întorcând curba este un bun exemplu de sistem de referință inerțial. Pentru acest observator, mașina se întoarce deoarece acționează asupra ei o forță îndreptată spre centrul curbei, care o obligă să nu o părăsească. Este vorba despre forță centripetă produsă de fricțiunea dintre anvelope și trotuar.
Într-un cadru de referință inerțial, forța centrifugă nu apare. Prin urmare, primul pas pentru a-l calcula este să alegeți cu atenție sistemul de referință care va fi utilizat pentru a descrie mișcarea..
În cele din urmă, trebuie remarcat faptul că sistemele de referință inerțiale nu trebuie neapărat să fie în repaus, precum observatorul care urmărește vehiculul rotind curba. Un cadru de referință inerțial, cunoscut sub numele de cadrul de referință al laboratorului, poate fi și în mișcare. Desigur, cu viteză constantă față de una inerțială.
În următoarea figură din stânga, un observator O stă în picioare și se uită la O ', care se află pe platforma care se rotește în direcția indicată. Pentru O, care este un cadru inerțial, cu siguranță O 'continuă să se rotească datorită forței centripete Fc produs de peretele grilei din spatele O '.
Numai în cadrul de referință inerțial este valabilă aplicarea celei de-a doua legi a lui Newton, care afirmă că forța netă este egală cu produsul masei și al accelerației. Și făcând acest lucru, cu diagrama cu corp liber prezentată, obținem:
Fc = mac
Fc= mvDouă / R
În mod similar, în figura din dreapta există și o diagramă cu corp liber care descrie ceea ce observatorul O 'vede. Din punctul său de vedere, el este odihnit, prin urmare forțele asupra lui se echilibrează.
Aceste forțe sunt: cele normale F, că peretele se exercită asupra lui, în roșu și îndreptat spre centru și forța centrifugă Fg care îl împinge spre exterior și care nu este originat de nicio interacțiune, este o forță non-inerțială care apare în cadrele de referință rotative.
Forța centrifugă fiind fictivă, este echilibrată de o forță reală, contactul sau forța normală care îndreaptă spre centru. Prin urmare:
∑FX = 0 → Fg - F = 0
Fg = F
Deși forța centrifugă este considerată o pseudo forță, efectele sale sunt destul de reale, așa cum se poate observa în următoarele exemple:
- În orice joc de filare dintr-un parc de distracții, este prezentă forța centrifugă. Ea se asigură că „fugim de centru” și oferă rezistență constantă dacă încercați să intrați în centrul unui carusel în mișcare. În următorul pendul puteți vedea forța centrifugă:
- Efectul Coriolis apare din rotația Pământului, ceea ce face ca Pământul să nu mai fie un cadru inerțial. Apoi apare forța Coriolis, care este o pseudo-forță care deviază obiectele lateral, la fel ca oamenii care încearcă să meargă pe un platan rotativ..
O mașină care se rotește cu accelerație LA în dreapta este o jucărie de pluș agățată de oglinda retrovizoare interioară. Desenați și comparați diagramele cu corp liber ale jucăriei văzute din:
a) Cadrul de referință inerțial al unui observator care stă pe drum.
b) Un pasager care călătorește în mașină.
Un observator care stă pe drum observă că jucăria se mișcă rapid, cu accelerație LA La dreapta.
Există două forțe care acționează asupra jucăriei: pe de o parte, tensiunea din șir T iar greutatea verticală în jos W. Greutatea este echilibrată cu componenta verticală a tensiunii Tcosθ, Prin urmare:
W - Tcosθ = 0
Componenta orizontală a stresului: T. senθ este forța dezechilibrată responsabilă de accelerația spre dreapta, prin urmare forța centripetă este:
Fc= T. sinθ = mac
Pentru un pasager din mașină, jucăria atârnă în echilibru și diagrama este următoarea:
Ca și în cazul anterior, greutatea și componenta verticală a tensiunii sunt compensate. Dar componenta orizontală este echilibrată de forța fictivă Fg = mA, astfel încât:
-mA + Tsenθ = 0
Fg = mA
O monedă se află pe marginea unui vechi recorder de vinil, a cărui rază este de 15 cm și se rotește cu o rată de 33 de rotații / minut. Găsiți coeficientul minim de frecare statică necesar pentru ca moneda să rămână pe loc, utilizând cadrul de referință solidar cu moneda.
În figură este diagrama corpului liber pentru un observator care se deplasează cu moneda. Normalul N faptul că masa rotativă se exercită vertical în sus este echilibrată cu greutatea W, în timp ce forța centrifugă Fg este compensat prin frecare statică Fatingere.
N - W = 0
Fatingere - Fg = 0
Mărimea forței centrifuge este de mvDouă/ R, așa cum am spus la început, atunci:
Fatingere = Fg = mvDouă/ R
Pe de altă parte, forța de frecare statică este dată de:
Ffreca = μs.N
Unde μs este coeficientul de frecare static, o cantitate adimensională a cărei valoare depinde de modul în care suprafețele sunt în contact. Înlocuirea acestei ecuații este:
μs.N = mvDouă/ R → μs = mvDouă/R.N
Rămâne să se determine magnitudinea normalului, care este legată de greutate în funcție de N = mg. Înlocuind din nou:
μs = mvDouă/R.mg → μs = vDouă/ Rg
Înapoi la declarație, raportează că moneda se rotește cu o rată de 33 rotații / minut, care este viteza unghiulară sau frecvența unghiulară ω, legat de viteza liniară v:
v = ω.R = 33 tur / min. 2π radiani / rev. 15 cm. (1 min / 60 s) = 51,8 cm / s
μs = vDouă/Rg=(51,8 cm / s)Două/ (15cm x 981 cm / sDouă) = 0,18
Rezultatele acestui exercițiu ar fi fost aceleași dacă s-ar fi selectat un cadru de referință inerțial. În acest caz, singura forță capabilă să provoace accelerație spre centru este frecarea statică..
Așa cum am spus, forța centrifugă este o forță fictivă, care nu apare în cadre inerțiale, care sunt singurele în care legile lui Newton sunt valabile. În ele, forța centripetă este responsabilă pentru asigurarea corpului cu accelerația necesară spre centru.
Forța centripetă nu este o forță diferită de cele deja cunoscute. Dimpotrivă, tocmai acestea joacă rolul forțelor centripete atunci când este cazul. De exemplu, gravitația care face Luna să orbiteze în jurul Pământului, tensiunea într-o frânghie prin care se rotește o piatră, fricțiunea statică și forța electrostatică.
Cu toate acestea, deoarece cadrele de referință accelerate abundă în practică, forțele fictive au efecte foarte reale. De exemplu, iată trei aplicații importante în care au efecte tangibile:
Centrifugele sunt instrumente utilizate pe scară largă în laborator. Ideea este de a face un amestec de substanțe să se rotească la viteză mare și acele substanțe cu masă mai mare experimentează o forță centrifugă mai mare, conform ecuației descrise la început..
Apoi, cele mai masive particule vor tinde să se îndepărteze de axa de rotație, fiind astfel separate de cele mai ușoare, care vor rămâne mai aproape de centru..
Mașinile de spălat automate au cicluri de centrifugare diferite. În ele hainele sunt centrifugate pentru a elimina apa rămasă. Cu cât mai multe rotații ale ciclului, cu atât hainele vor fi mai puțin umede la sfârșitul spălării.
Mașinile sunt mai bune la viraje pe drumuri, deoarece pista se înclină ușor spre centrul curbei, ceea ce este cunoscut sub numele de supraînălțare. În acest fel, mașina nu depinde exclusiv de fricțiunea statică dintre anvelope și drum pentru a finaliza virajul fără a părăsi curba..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.