Centripetální síla je definována jako síla působící na tělo, které se pohybuje v kruhové dráze, která je zaměřena směrem ke středu, kolem kterého se tělo pohybuje. Termín pochází z latinských slov centrum pro "centrum" a Petere, což znamená „hledat“.
Centripetální síla může být považována za sílu hledající střed. Jeho směr je kolmý (v pravém úhlu) k pohybu těla ve směru ke středu zakřivení jeho dráhy. Centripetální síla mění směr pohybu objektu beze změny Rychlost.
Klíčové cesty: Centripetal Force
- Odstředivá síla je síla na těle pohybující se v kruhu, který směřuje dovnitř směrem k bodu, kolem kterého se objekt pohybuje.
- Síla v opačném směru, směřující ven od středu otáčení, se nazývá odstředivá síla.
- U rotujícího tělesa jsou středové a odstředivé síly stejné velikosti, ale opačným směrem.
Rozdíl mezi odstředivou a odstředivou silou
Zatímco středová síla působí, že přitahuje tělo směrem ke středu bodu otáčení, odstředivá síla (síla „středového prchání“) se tlačí pryč od středu.
Podle podle Newtonova prvního zákona
„tělo v klidu zůstane v klidu, zatímco tělo v pohybu zůstane v pohybu, pokud na něj nebude působit vnější síla.“ v jinými slovy, pokud jsou síly působící na objekt vyvážené, objekt se bude i nadále pohybovat rovnoměrným tempem akcelerace.Centipetální síla umožňuje tělu sledovat kruhovou dráhu, aniž by odletěla v tečně nepřetržitým působením v pravém úhlu k jeho dráze. Tímto způsobem působí na objekt jako jedna ze sil Newtonova prvního zákona, čímž udržuje setrvačnost objektu.
Newtonův druhý zákon se použije také v případě požadavek na centripetální sílu, což říká, že má-li se objekt pohybovat v kruhu, musí být síla působící na něj směrem dovnitř. Newtonův druhý zákon říká, že zrychlený objekt podléhá čisté síle, přičemž směr čisté síly je stejný jako směr zrychlení. Pro objekt pohybující se v kruhu musí být přítomna středová síla (síťová síla), aby čelila odstředivé síle.
Z hlediska stacionárního objektu na rotujícím referenčním rámu (např. Sedadle na houpačce) jsou středová a odstředivá plocha stejná, ale ve směru opačném. Centipetální síla působí na tělo v pohybu, zatímco odstředivá síla ne. Z tohoto důvodu se odstředivá síla někdy nazývá „virtuální“ síla.
Jak spočítat centripetální sílu
Matematické znázornění centripetální síly bylo odvozeno nizozemským fyzikem Christiaanem Huygensem v roce 1659. U tělesa, které sleduje kruhovou cestu konstantní rychlostí, se poloměr kruhu (r) rovná hmotnosti tělesa (m) krát čtverci rychlost v) děleno dostředivou silou (F):
r = mv2/F
Rovnice může být přeuspořádána tak, aby byla vyřešena středová síla:
F = mv2/ r
Důležitým bodem, který byste si měli z rovnice všimnout, je, že centripetální síla je úměrná čtverci rychlosti. To znamená, že zdvojnásobení rychlosti objektu potřebuje čtyřnásobek síly dostředivé, aby se objekt pohyboval v kruhu. Praktický příklad tohoto je vidět, když vezme ostrou křivku s automobilem. Tření je zde jedinou silou, která udržuje pneumatiky vozidla na silnici. Zvyšující se rychlost značně zvyšuje sílu, takže skluz je pravděpodobnější.
Nezapomeňte také, že výpočet centripetální síly předpokládá, že na objekt nepůsobí žádné další síly.
Vzorec zrychlení odstředěním
Dalším běžným výpočtem je centripetální zrychlení, což je změna rychlosti dělená změnou času. Zrychlení je čtverec rychlosti dělený poloměrem kruhu:
Δv / Δt = a = v2/ r
Praktické aplikace odstředivých sil
Klasickým příkladem centripetální síly je případ, kdy se předmět vyhodí na laně. Zde napětí na laně dodává centripetální „tahovou“ sílu.
Odstředivá síla je „tlačná“ síla v případě motocyklového jezdce Wall of Death.
Centripetální síla se používá pro laboratorní odstředivky. Zde se částice, které jsou suspendovány v kapalině, oddělí od kapaliny urychlovacími trubicemi orientované tak, že těžší částice (tj. předměty s vyšší hmotností) jsou taženy směrem ke dnu trubky. Zatímco odstředivky běžně oddělují pevné látky od kapalin, mohou také frakcionovat kapaliny, jako ve vzorcích krve, nebo oddělit složky plynů.
Plynové odstředivky se používají k oddělení těžšího izotopového uranu-238 od lehčího izotopového uranu-235. Těžší izotop je veden směrem ven z rotujícího válce. Těžká frakce se poklepe a odešle do další odstředivky. Proces se opakuje, dokud není plyn dostatečně „obohacen“.
Kapalinový zrcadlový dalekohled (LMT) může být vyroben otáčením reflexního skla kapalný kov, jako je rtuť. Zrcadlový povrch zaujímá paraboloidní tvar, protože středová síla závisí na čtverci rychlosti. Z tohoto důvodu je výška spřádaného tekutého kovu úměrná čtverci jeho vzdálenosti od středu. Zajímavý tvar získávaný spřádáním kapalin lze pozorovat spřádáním kbelíku s vodou konstantní rychlostí.