ЦЕНТРИФУГАЛНА СИЛА: ФОРМУЛЕ, КАКО СЕ ИЗРАЧУНАВА, ПРИМЕРИ, ВЕЖБЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Центрифугална сила вуче од по принципу ротације тела узимајући криву. Сматра се фиктивном силом, псеудоснагом или инерцијалном силом, јер није изазвана интеракцијама између стварних објеката, већ је манифестација инерције тела. Инерција је својство због којег објекти желе да задрже своје стање мировања или једноличног правоугаонег кретања, ако га имају.

Израз "центрифугална сила" сковао је научник Цхристиан Хуигенс (1629-1695). Тврдио је да би кривуљасто кретање планета имало тенденцију да их удаљи, осим ако Сунце не изврши неку силу да их обузда, и израчунао је да је та сила пропорционална квадратуру брзине и обрнуто пропорционална полумјеру описаног обима.

Слика 1. Путници приликом завоја доживљавају силу која их извлачи из њега. Извор: Либресхот.

За оне који путују аутомобилом центрифугална сила уопште није измишљена. Путници у аутомобилу који скрећу десно осећају се гурнути улево, и обрнуто, када аутомобил скрене лево, људи доживе силу удесно, која изгледа жели да их удаљи од центра кривине.

Јачина центрифугалне силе Ф _г израчунава се следећим изразом:

- Ф _г је величина центрифугалне силе

- м је маса објекта

- в је брзина

- Р је полумјер закривљене путање.

Сила је вектор, зато се употребљава подебљани тип да би се разликовао од њене величине, која је скаларна.

Имајте на уму да се Ф _г појављује само када је кретање описано убрзаним референтним оквиром.

У примеру описаном на почетку, предење кола чини убрзано референцирање, јер му је потребно центрипетално убрзање да би се могло окренути.

Како се израчунава центрифугална сила?

Избор референтног система је од виталног значаја за процену покрета. Убрзани референтни оквир је такође познат као не-инерцијални оквир.

У овом типу система, попут окретног аутомобила, појављују се фиктивне силе попут центрифугалне силе, чије порекло није стварна интеракција између објеката. Путник не може рећи шта га гура из кривине, може само да потврди да је то случај.

С друге стране, у инерцијалном референтном систему интеракције настају између стварних објеката, као што су тело у покрету и Земља, што ствара тежину, или између тела и површине на којој се креће, а који потичу трење и нормално.

Посматрач који стоји са стране пута и посматра аутомобил како скреће криву је добар пример инерцијалног референтног система. За овог посматрача аутомобил се окреће јер на њега делује сила усмерена према центру кривине, која га присиљава да не излази из њега. Ово је центрипетална сила настала трењем између гума и тротоара.

У инерцијалном референтном оквиру се не појављује центрифугална сила. Према томе, први корак у његовом израчунавању је пажљив одабир референтног система који ће се користити за описивање кретања.

На крају, треба напоменути да инерцијални референтни системи не морају нужно бити у мировању, као што посматрач гледа како возило окреће криву. Инерцијални референтни оквир, познат као лабораторијски референтни оквир, такође може бити у покрету. Наравно, константном брзином у односу на инерцијалну.

Дијаграм слободног тела у инерцијалном и неерцијалном систему

На следећој слици лево, посматрач О стоји и гледа О 'који је на перону који се окреће у назначеном смеру. За О, који је инерцијални оквир, сигурно се О 'одржава ротирајући због центрипеталне силе Ф _ц произведене на зиду решетке на задњој страни О'.

Слика 2. Особа која стоји на окретном столу види се из два различита референтна система: један фиксни и други који иде уз особу. Извор: Фисица де Сантиллана

Само у инерцијалним референтним оквирима важи примењивање Невтоновог другог закона који каже да је нето сила једнака производу масе и убрзања. И чинећи то, приказаним дијаграмом слободног тела, добијамо:

Слично томе, на слици десно је и дијаграм слободног тела који описује шта посматрач О 'види. Са своје тачке гледишта, он је у мировању, па су снаге на њему уравнотежене.

Те силе су: нормална Ф , којом зид делује на њу, црвена и усмерена према центру, и центрифугална сила Ф _г која ју гура према споља и која не потиче од било какве интеракције, је неинерцијална сила која појављује се у ротирајућим референтним системима.

Центрифугална сила је измишљена, она се уравнотежује стварном силом, контактном или нормалном силом која показује ка центру. Тако:

Примери

Иако се центрифугална сила сматра псеудо силом, њени ефекти су сасвим стварни, што се може видети у следећим примерима:

- У било којој игри предења у забавном парку присутна је центрифугална сила. Она осигурава да „бежимо од центра“ и пружа константан отпор ако покушате да уђете у центар покретне вртиља. У следећем клатну можете видети центрифугалну силу:

- Цориолисов ефекат настаје услед ротације Земље, због чега Земља престаје да буде инерцијални оквир. Тада се појављује Цориолисова сила, која је псеудо-сила која објекте одбацује бочно, као што се догађа с људима који покушавају ходати на грамофону.

Вежбе

Вежба 1

Аутомобил који се окреће убрзањем А удесно има напуњену играчку која виси са унутрашњег ретровизора. Нацртајте и упоредите дијаграме слободног тела које се виде из:

а) Инерцијални референтни оквир посматрача који стоји на путу.

б) Путник који путује аутомобилом.

Решење за

Посматрач који стоји на путу примети да се играчка брзо креће, са убрзањем А на десно.

Слика 3. Дијаграм слободног тела за вежбу 1а. Извор: Ф. Запата.

На играчку делују две силе: с једне стране напетост у низу Т и вертикална тежина према В. Тежина је избалансирана с вертикалном компонентом напетости Тцосθ, дакле:

Хоризонтална компонента напрезања: Т. синθ је неуравнотежена сила одговорна за убрзање удесно, па је центрипетална сила:

Решење б

За путника у аутомобилу играчка виси у равнотежи, а шема је следећа:

Слика 4. Дијаграм слободног тела за вежбу 1б. Извор: Ф. Запата.

Као и у претходном случају, тежина и вертикална компонента напетости се надокнађују. Али хоризонтална компонента је избалансирана фиктивном силом Ф _г = мА, тако да:

Вежба 2

Кованица је на ивици старог винил-плејера, чији је радијус 15 цм и ротира се са 33 обртаја у минути. Пронађите минимални коефицијент статичког трења потребан да би новчић остао на свом мјесту, користећи оквир референтне солидарности са новцем.

Решење

На слици је дијаграм слободног тела за посматрача који се креће заједно са новчићем. Нормални Н који окретни инструмент окреће вертикално према горе уравнотежен је тежином В , док се центрифугална сила Ф _г компензира статичким _трењем Ф _трења .

Слика 5. Дијаграм слободног тела за вежбу 2. Извор: Ф. Запата.

Јачина центрифугалне силе је мв ² / Р, како је речено на почетку, а затим:

С друге стране, статичка сила трења је дата од:

Где је μ _с коефицијент статичког трења, бездимензионална величина чија вредност зависи од тога како су површине у контакту. Замјена ове једначине је:

Величина нормале остаје да се утврди, а која је повезана са тежином према Н = мг. Поновно замјена:

Назад на изјаву, он извештава да се новчић ротира брзином од 33 обртаја / минуту, што је угласта брзина или угаона фреквенција ω, повезана са линеарном брзином в:

Резултати ове вежбе били би исти када би био изабран инерцијални референтни оквир. У таквом случају једина сила која може изазвати убрзање према центру је статичко трење.

Апликације

Као што смо рекли, центрифугална сила је измишљена сила, која се не појављује у инерцијалним оквирима, који су једини у којима важе Невтонови закони. У њима је центрипетална сила одговорна за обезбеђивање тела потребном убрзању према центру.

Центрипетална сила се не разликује од оне која је већ позната. Напротив, управо они играју улогу центрипеталних сила када је то потребно. На пример, гравитација због које се Месец врти око Земље, напетост у конопу којом се ротира камен, статичко трење и електростатичка сила.

Међутим, како у пракси обилују убрзани референтни оквири, фиктивне силе имају врло стварне ефекте. На пример, ево три важне апликације где имају опипљиве ефекте:

Центрифуге

Центрифуге су инструменти који се широко користе у лабораторији. Идеја је да се мешавина супстанци ротира великом брзином, а те материје са већом масом имају већу центрифугалну силу, према једначини описаној на почетку.

Тада ће се најмасовније честице удаљити од оси ротације, одвајајући се од лакших, које ће остати ближе центру.

Машине за прање веша

Аутоматске перилице имају различите циклусе центрифуге. У њима се одећа центрифугује да би уклонила преосталу воду. Што су обртаји већег броја обртаја, одећа ће бити мање влажна на крају прања.

Не могу се кривити

Аутомобили су бољи у скретању на путеве, јер се стаза благо нагиње ка средишту завоја, званом кант. На овај начин аутомобил не зависи искључиво од статичког трења између гума и цесте да би се скренуло скретање без напуштања кривине.

Референце

1. Ацоста, Вицтор. Изградња дидактичког водича о центрифугалној сили за ученике у циклусу В разреда 10. Преузето са: бдигитал.унал.еду.цо.
2. Топпр. Закони покрета: кружно кретање. Опоравак од: топпр.цом.
3. Ресницк, Р. (1999). Физички. Свезак 1. Треће издање на шпанском. Цомпаниа редакција Цонтинентал СА де ЦВ
4. Аутономни универзитет државе Хидалго. Центрифугална сила. Опоравак од: уаех.еду.мк
5. Википедиа. Центрифуге. Опоравак од: ес.википедиа.орг.