De centrifugale kracht het heeft de neiging om draaiende lichamen rond een bocht naar buiten te duwen. Het wordt beschouwd als een fictieve kracht, pseudoforce of traagheidskracht, omdat het niet wordt veroorzaakt door interacties tussen echte objecten, maar een manifestatie is van de traagheid van de lichamen. Traagheid is de eigenschap die ervoor zorgt dat objecten hun rusttoestand of uniforme rechtlijnige beweging willen behouden, als ze die hebben..
De term "middelpuntvliedende kracht" werd bedacht door de wetenschapper Christian Huygens (1629-1695). Hij verklaarde dat de kromlijnige beweging van de planeten de neiging zou hebben om ze weg te bewegen, tenzij de zon enige kracht uitoefende om ze tegen te houden en hij berekende dat deze kracht evenredig was met het kwadraat van de snelheid en omgekeerd evenredig met de straal van de beschreven omtrek..
Voor degenen die met de auto reizen, is middelpuntvliedende kracht helemaal niet fictief. Passagiers in een auto die naar rechts draait, voelen zich naar links geduwd, en vice versa, wanneer de auto naar links draait, ervaren mensen een kracht naar rechts, waardoor ze uit het midden van de bocht lijken te willen bewegen.
De grootte van de middelpuntvliedende kracht F.g wordt berekend met behulp van de volgende uitdrukking:
-F.g is de grootte van de middelpuntvliedende kracht
-m is de massa van het object
-v is de snelheid
-R is de straal van het gebogen pad.
Kracht is een vector, daarom wordt een vet lettertype gebruikt om het te onderscheiden van de grootte, die een scalair is.
Daar moet u altijd rekening mee houden F.g verschijnt alleen wanneer beweging wordt beschreven met behulp van een versneld referentiekader.
In het aan het begin beschreven voorbeeld vormt de roterende auto een versnelde referentie, aangezien hiervoor de middelpuntzoekende versnelling, dus ik kan me omdraaien.
Artikel index
De keuze van het referentiesysteem is essentieel voor de waardering van de beweging. Een versneld referentiekader wordt ook wel een niet-traagheidsframe genoemd..
In dit type systeem verschijnen, net als bij een draaiende auto, fictieve krachten zoals de middelpuntvliedende kracht, waarvan de oorsprong niet een echte interactie tussen objecten is. Een passagier kan niet zeggen wat hem uit de bocht duwt, hij kan alleen maar bevestigen dat dit het geval is.
Aan de andere kant, in een traagheidsreferentiesysteem, vinden de interacties plaats tussen echte objecten, zoals het lichaam in beweging en de aarde, die gewicht veroorzaakt, of tussen het lichaam en het oppervlak waarop het beweegt, die wrijving en normaal.
Een waarnemer die aan de kant van de weg staat en kijkt hoe de auto de bocht maakt, is een goed voorbeeld van een traagheidsreferentiesysteem. Voor deze waarnemer draait de auto omdat er een naar het midden van de bocht gerichte kracht op inwerkt, die hem dwingt hem niet te verlaten. Het gaat over de middelpuntzoekende kracht geproduceerd door wrijving tussen de banden en de stoep.
In een traagheidsreferentieframe verschijnt de middelpuntvliedende kracht niet. Daarom is de eerste stap om het te berekenen, het zorgvuldig kiezen van het referentiesysteem dat zal worden gebruikt om de beweging te beschrijven..
Ten slotte moet worden opgemerkt dat de traagheidsreferentiesystemen niet noodzakelijk in rust hoeven te zijn, zoals de waarnemer die het voertuig de bocht ziet draaien. Een traagheidsreferentieframe, bekend als laboratorium referentiekader, het kan ook onderweg zijn. Natuurlijk met een constante snelheid ten opzichte van een inertie.
In de volgende figuur aan de linkerkant staat een waarnemer O en kijkt naar O ', die op het platform staat dat in de aangegeven richting draait. Voor O, dat een traagheidsframe is, blijft O 'zeker draaien vanwege de centripetale kracht F.c geproduceerd door de wand van het rooster aan de achterkant van de O '.
Alleen in traagheidsreferentieframes is het geldig om de tweede wet van Newton toe te passen, die stelt dat de nettokracht gelijk is aan het product van de massa en de versnelling. En door dit te doen, met het weergegeven free-body-diagram, krijgen we:
F.c = mac
F.c= mvtwee / R
Evenzo is er in de figuur aan de rechterkant ook een diagram van het vrije lichaam dat beschrijft wat de waarnemer O'ziet. Vanuit zijn standpunt is hij in rust, daarom zijn de krachten op hem in evenwicht.
Deze krachten zijn: het normale F., die de muur erop uitoefent, in het rood en gericht naar het centrum en de middelpuntvliedende kracht F.g die het naar buiten duwt en die niet wordt veroorzaakt door enige interactie, is een niet-traagheidskracht die verschijnt in de roterende referentieframes.
Omdat de middelpuntvliedende kracht fictief is, wordt deze in evenwicht gehouden door een echte kracht, de contact- of normaalkracht die naar het midden wijst. Daarom:
∑FX = 0 → Fg - F = 0
F.g = F
Hoewel de middelpuntvliedende kracht als een pseudokracht wordt beschouwd, zijn de effecten ervan vrij reëel, zoals te zien is in de volgende voorbeelden:
- In elk draaiend spel in een pretpark is de middelpuntvliedende kracht aanwezig. Ze zorgt ervoor dat we "wegrennen van het centrum" en biedt constante weerstand als je probeert om in het midden van een bewegende carrousel te lopen. In de volgende slinger kun je de middelpuntvliedende kracht zien:
- Het Coriolis-effect komt voort uit de rotatie van de aarde, waardoor de aarde niet langer een traagheidsframe is. Dan verschijnt de Coriolis-kracht, een pseudo-kracht die objecten lateraal afbuigt, net als mensen die op een draaitafel proberen te lopen..
Een auto die accelereert NAAR rechts hangt een knuffel aan de binnenspiegel. Teken en vergelijk de vrije-lichaamsdiagrammen van het speelgoed gezien vanaf:
a) Het traagheidsreferentieframe van een waarnemer die op de weg staat.
b) Een passagier die in de auto reist.
Een waarnemer die op de weg staat, merkt dat het speelgoed snel en met versnelling beweegt NAAR naar rechts.
Er werken twee krachten op het speelgoed: enerzijds de spanning in de snaar T en verticaal gewicht naar beneden W.. Het gewicht is in evenwicht met de verticale spanningcomponent Tcosθ, Dus:
W - Tcosθ = 0
De horizontale component van stress: T. senθ is de ongebalanceerde kracht die verantwoordelijk is voor de versnelling naar rechts, daarom is de middelpuntzoekende kracht:
F.c= T. sinθ = mac
Voor een passagier in de auto hangt het speelgoed in evenwicht en is het diagram als volgt:
Net als in het vorige geval worden het gewicht en de verticale component van de spanning gecompenseerd. Maar de horizontale component wordt in evenwicht gehouden door de fictieve kracht F.g = mA, zodat:
-mA + Tsenθ = 0
F.g = mA
Op de rand van een oude vinyl platenspeler zit een muntstuk met een straal van 15 cm en draait met een snelheid van 33 omwentelingen / minuut. Zoek de minimale statische wrijvingscoëfficiënt die nodig is om de munt op zijn plaats te houden, gebruikmakend van het referentiekader solidariteit met de munt.
In de figuur is het free-body-diagram voor een waarnemer die met de munt beweegt. De normale N dat de draaitafel verticaal naar boven uitoefent, is in evenwicht met het gewicht W., terwijl de middelpuntvliedende kracht F.g wordt gecompenseerd door statische wrijving F.aanraken.
N - W = 0
F.aanraken - F.g = 0
De grootte van de middelpuntvliedende kracht is mvtwee/ R, zoals in het begin gezegd, dan:
F.aanraken = Fg = mvtwee/ R
Anderzijds wordt de statische wrijvingskracht gegeven door:
F.wrijven = μs.N
Waar μs is de statische wrijvingscoëfficiënt, een dimensieloze grootheid waarvan de waarde afhangt van hoe de oppervlakken in contact zijn. Het vervangen van deze vergelijking is:
μs.N = mvtwee/ R → μs = mvtwee/R.N
Het blijft om de grootte van de normaal te bepalen, die is gerelateerd aan het gewicht volgens N = mg. Opnieuw wisselen:
μs = mvtwee/R.mg → μs = vtwee/ Rg
Terug naar de verklaring, het meldt dat de munt roteert met een snelheid van 33 omwentelingen / minuut, wat de hoeksnelheid of hoekfrequentie is ω, gerelateerd aan lineaire snelheid v
v = ω.R = 33 omw / min. 2π radialen / rev. 15 cm. (1 min / 60 s) = 51,8 cm / s
μs = vtwee/Rg=(51,8 cm / s)twee/ (15 cm x 981 cm / stwee) = 0,18
De resultaten van deze oefening zouden hetzelfde zijn geweest als een traagheidsreferentieframe was geselecteerd. In dit geval is statische wrijving de enige kracht die een versnelling naar het midden kan veroorzaken..
Zoals we al zeiden, is de middelpuntvliedende kracht een fictieve kracht, die niet voorkomt in traagheidsframes, die de enige zijn waarin de wetten van Newton gelden. Bij hen is de middelpuntzoekende kracht verantwoordelijk voor het voorzien van het lichaam van de nodige versnelling naar het midden.
De middelpuntzoekende kracht is niet een andere kracht dan die al bekend zijn. Integendeel, juist deze spelen waar nodig de rol van middelpuntzoekende krachten. Bijvoorbeeld de zwaartekracht waardoor de maan rond de aarde draait, de spanning in een touw waarmee een steen wordt rondgedraaid, de statische wrijving en de elektrostatische kracht.
Aangezien versnelde referentiekaders in de praktijk echter overvloedig aanwezig zijn, hebben fictieve krachten zeer reële effecten. Hier zijn bijvoorbeeld drie belangrijke toepassingen waarbij ze tastbare effecten hebben:
Centrifuges zijn instrumenten die veel in het laboratorium worden gebruikt. Het idee is om een mengsel van stoffen met hoge snelheid te laten draaien en die stoffen met een grotere massa een grotere middelpuntvliedende kracht te laten ervaren, volgens de vergelijking die aan het begin is beschreven..
Dan zullen de meest massieve deeltjes de neiging hebben om weg te bewegen van de rotatieas, waardoor ze gescheiden worden van de lichtere deeltjes, die dichter bij het centrum zullen blijven..
Automatische wasmachines hebben verschillende centrifugeercycli. Daarin wordt de kleding gecentrifugeerd om het resterende water te verwijderen. Hoe meer omwentelingen van de cyclus, hoe minder vochtig de kleding aan het einde van de wasbeurt zal zijn.
Auto's zijn beter in bochten op wegen, omdat de baan licht afloopt naar het midden van de bocht, wat bekend staat als superelevatie. Op deze manier is de auto niet uitsluitend afhankelijk van de statische wrijving tussen de banden en de weg om de bocht te voltooien zonder de bocht te verlaten..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.