ВІДЦЕНТРОВА СИЛА: ФОРМУЛИ, ЯК ВОНА ОБЧИСЛЮЄТЬСЯ, ПРИКЛАДИ, ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Відцентрова сила прагне виштовхнути обертові тіла , приймаючи кривої. Вважається вигаданою силою, псевдосилою або інерційною силою, тому що вона не викликана взаємодією між реальними об’єктами, а є проявом інерції тіл. Інерція - це властивість, яка змушує об'єкти бажати зберегти стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо вони є.

Термін "відцентрова сила" був введений вченим Крістіаном Гюйгенсом (1629-1695). Він заявив, що криволінійний рух планет, як правило, відсуне їх, якщо Сонце не буде чинити деяку силу, щоб стримати їх, і він підрахував, що ця сила пропорційна квадрату швидкості і обернено пропорційна радіусу описаної окружності.

Малюнок 1. Під час повороту пасажири відчувають силу, яка прагне витягнути їх з нього. Джерело: Лібрешот.

Для тих, хто подорожує автомобілем, відцентрова сила взагалі не вигадана. Пасажири автомобіля, який повертає праворуч, відчувають себе штовхнутими вліво, і навпаки, коли машина повертає ліворуч, люди відчувають силу праворуч, яка, здається, хоче відсунути їх від центру кривої.

Величина відцентрової сили F _g обчислюється наступним виразом:

- F _g - величина відцентрової сили

- m - маса об’єкта

- v - швидкість

- R - радіус вигнутої стежки.

Сила є вектором, тому сміливий тип використовується для відрізнення її від величини, яка є скалярною.

Завжди майте на увазі, що F _g з'являється лише тоді, коли рух описано за допомогою прискореної системи відліку.

У прикладі, описаному на початку, прядильна машина являє собою прискорений орієнтир, оскільки йому потрібне доцентрове прискорення, щоб воно могло розвернутися.

Як обчислюється відцентрова сила?

Вибір системи відліку має життєво важливе значення для оцінки руху. Прискорений контрольний кадр також відомий як неінерційний кадр.

У такому типі системи, як прядильна машина, з'являються вигадані сили, такі як відцентрова сила, походження яких не є реальною взаємодією між об'єктами. Пасажир не може сказати, що виштовхує його з кривої, він може лише підтвердити, що це так.

З іншого боку, в інерціальній системі відліку взаємодії відбуваються між реальними об'єктами, такими як рухоме тіло та Земля, що спричиняє вагу, або між тілом та поверхнею, на якій він рухається, які беруть початок тертя і нормально.

Спостерігач, що стоїть збоку від дороги і спостерігає за тим, як автомобіль повертає криву, є хорошим прикладом інерціальної системи відліку. Для цього спостерігача машина повертається через те, що на нього діє сила, спрямована до центру кривої, яка змушує його не вибратися з нього. Це відцентрова сила, що виникає при терті між шинами та бруківкою.

В інерціальній системі відліку відцентрова сила не виявляється. Тому перший крок у його обчисленні - це ретельний вибір системи відліку, яка буде використовуватися для опису руху.

Нарешті, слід зазначити, що інерціальні системи відліку не обов'язково повинні знаходитись у спокої, як спостерігач, який спостерігає за тим, як транспортний засіб повертає криву. Інерціальна система відліку, відома як лабораторна система відліку, також може знаходитися в русі. Звичайно, з постійною швидкістю відносно інерціальної.

Діаграма вільного тіла в інерціальній та неінерціальній системі

На наступній фігурі зліва спостерігач O стоїть і дивиться на O ', який знаходиться на платформі, яка обертається у вказаному напрямку. Для O, який є інерційним каркасом, безумовно, O 'підтримується обертанням за рахунок доцентрової сили F _{c, що} виробляється стінкою сітки на звороті O'.

Малюнок 2. Людину, що стоїть на поворотному столі, видно з двох різних довідкових систем: однієї нерухомої та іншої, що йде з людиною. Джерело: Física de Santillana.

Тільки в інерціальних системах відліку можна застосувати другий закон Ньютона, який говорить, що сила нетто дорівнює добутку маси і прискорення. І, роблячи це, із показаною діаграмою вільного тіла, ми отримуємо:

Так само на малюнку праворуч також є діаграма вільного тіла, яка описує те, що бачить спостерігач O '. З його точки зору, він знаходиться в спокої, тому сили на нього врівноважені.

Ці сили: нормальна F , яку стіна чинить на неї червоним кольором і спрямована у напрямку до центру, і відцентрова сила F _g, яка виштовхує її назовні, і яка не походить від будь-якої взаємодії, є неінерційною силою, з'являється в обертових системах відліку.

Відцентрова сила, будучи вигаданою, врівноважується реальною силою, контактною або нормальною силою, яка спрямована до центру. Таким чином:

Приклади

Хоча відцентрова сила вважається псевдосилою, її вплив є цілком реальним, що видно з наступних прикладів:

- У будь-якій грі на спінінгу в парку розваг присутня відцентрова сила. Вона гарантує, що ми «тікаємо від центру» і чинить опір постійному, якщо спробувати зайти в центр рухомої каруселі. У наступному маятнику ви бачите відцентрову силу:

- Ефект Коріоліса виникає внаслідок обертання Землі, завдяки чому Земля перестає бути інерційним кадром. Тоді з'являється сила Коріоліса, яка є псевдосилою, яка відхиляє предмети бічно, як це відбувається з людьми, які намагаються ходити на поворотному столі.

Вправи

Вправа 1

Автомобіль, що повертається з прискоренням A вправо, має набиту іграшку, що висить із внутрішнього дзеркала заднього огляду. Намалюйте та порівняйте діаграми вільного тіла іграшки, видно із:

а) Інерціальна система відліку спостерігача, що стоїть на дорозі.

б) Пасажир, який подорожує в машині.

Рішення для

Спостерігач, що стоїть на дорозі, помічає, що іграшка рухається швидко, з прискоренням А праворуч.

Малюнок 3. Діаграма вільного тіла для вправи 1а. Джерело: Ф. Сапата.

На іграшку діють дві сили: з одного боку напруга в струні Т і вертикальна вага вниз В. Вага врівноважується вертикальним компонентом натягу Tcosθ, отже:

Горизонтальна складова напруги: T. sinθ - це неврівноважена сила, що відповідає за прискорення вправо, тому відцентрова сила становить:

Рішення b

Для пасажира в машині іграшка висить у рівновазі і схема така:

Малюнок 4. Діаграма вільного тіла для вправи 1b. Джерело: Ф. Сапата.

Як і в попередньому випадку, вага і вертикальна складова напруги компенсуються. Але горизонтальна складова врівноважується вигаданою силою F _g = mA, так що:

Вправа 2

Монета стоїть на краю старого програвача вінілових звуків, радіус якого становить 15 см і обертається зі швидкістю 33 обертів / хвилину. Знайдіть мінімальний коефіцієнт статичного тертя, необхідний для того, щоб монета залишилася на місці, використовуючи рамку опорної солідарності з монетою.

Рішення

На малюнку - схема вільного тіла для спостерігача, що рухається з монетою. Нормальна N, яку поворотний шар піднімає вертикально вгору, врівноважується масою W , тоді як відцентрова сила F _g компенсується статичним _тертям F _тертям .

Малюнок 5. Вільна схема тіла для вправи 2. Джерело: Ф. Сапата.

Величина відцентрової сили становить mv ² / R, як було сказано на початку, тоді:

З іншого боку, статична сила тертя задається:

Де μ _s - коефіцієнт статичного тертя, безрозмірна величина, значення якої залежить від контакту поверхонь. Підміна цього рівняння:

Залишилося визначити величину норми, яка пов'язана з вагою відповідно до N = мг. Заміна знову:

Повертаючись до твердження, він повідомляє, що монета обертається зі швидкістю 33 обертів / хвилину, що є кутовою швидкістю або кутовою частотою ω, пов'язаною з лінійною швидкістю v:

Результати цієї вправи були б однаковими, якби була обрана інерційна система відліку. У такому випадку єдиною силою, здатною викликати прискорення у напрямку до центру, є статичне тертя.

Програми

Як ми вже говорили, відцентрова сила - це вигадана сила, яка не з'являється в інерційних рамках, які є єдиними, в яких діють закони Ньютона. У них відцентрова сила відповідає за забезпечення організму необхідним прискоренням у напрямку до центру.

Центрипетальна сила не відрізняється від тих, що вже були відомі. Навпаки, саме вони відіграють роль відцентрових сил, коли це доречно. Наприклад, сила тяжіння, яка робить Місяць на орбіті навколо Землі, напруга в мотузці, за допомогою якої обертається камінь, статичне тертя та електростатична сила.

Однак, оскільки на практиці існують прискорені системи відліку, фіктивні сили мають дуже реальний вплив. Наприклад, ось три важливі програми, де вони мають відчутні ефекти:

Центрифуги

Центрифуги - це прилади, широко використовувані в лабораторії. Ідея полягає в тому, щоб суміш речовин оберталася з великою швидкістю, а ті речовини з більшою масою відчували більше відцентрову силу, згідно рівняння, описаного на початку.

Тоді найбільш масивні частинки, як правило, віддаляться від осі обертання, тим самим відокремлюючись від більш легких, які залишаться ближче до центру.

Пральні машини

Автоматичні шайби мають різні цикли віджиму. У них одяг центрифугується для усунення залишків води. Чим більше обертів циклу, тим менше мокрого одягу буде в кінці прання.

Нахил кривих

Автомобілі краще на поворотах на дорогах, тому що траса трохи нахиляється до центру кривої, відомої як нахил. Таким чином автомобіль не залежить виключно від статичного тертя між шинами та дорогою, щоб завершити поворот, не виходячи з кривої.

Список літератури

1. Акоста, Віктор. Побудова дидактичного посібника з відцентрової сили для учнів циклу V класу 10. Отримано з: bdigital.unal.edu.co.
2. Топпр. Закони руху: круговий рух. Відновлено з: toppr.com.
3. Реснік, Р. (1999). Фізичні. Т. 1. 3-е видання іспанською мовою. Compañía Редакція Continental SA de CV
4. Автономний університет штату Ідальго. Центробіжна сила. Відновлено з: uaeh.edu.mx
5. Вікіпедія. Центрифуги. Відновлено з: es.wikipedia.org.