Центробежная сила присутствует повсеместно в нашей повседневной жизни
Мы переживаем это, когда заезжаем за угол в машине или когда самолет поворачивает на поворот. Мы видим это в процессе вращения стиральной машины или когда дети ездят на карусели. Однажды она может даже обеспечить искусственную гравитацию космических кораблей и космических станций.
Центростремительная сила определяется как "сила, необходимая для того, чтобы объект двигался по кривой траектории и был направлен внутрь к центру вращения", а центробежная сила определяется как "видимая сила, которая ощущается объектом, движущимся по кривой, которая действует наружу от центра вращения", согласно словарю Merriam Webster.
Обратите внимание, что если центростремительная сила является действительной силой, то центробежная сила определяется как очевидная сила. Другими словами, при вращении массы на струне она оказывает центробежную силу внутрь, в то время как масса оказывает внешнюю центробежную силу на струну.
Разница между центростремительными и центробежными силами связана с разными "рамками отсчета", то есть с разными точками зрения, с которых вы что-то измеряете, - говорит физик-исследователь из Вашингтонского университета Эндрю Ганс (Andrew A. Ganse). "Центростремительная сила и центробежная сила действительно одинаковы, прямо в противоположных направлениях, потому что они имеют опыт работы в разных системах отсчета."
Если вы наблюдаете за системой вращения снаружи, вы видите внутреннюю центростремительную силу, действующую для того, чтобы сдержать вращающийся корпус в круглом направлении. Однако, если вы являетесь частью вращающейся системы, вы ощущаете видимую центробежную силу, отталкивающую вас от центра круга, даже если вы действительно ощущаете внутреннюю центробежную силу, которая буквально не дает вам уйти на касательную.
Силы подчиняются закону Ньютона
Эта внешняя сила описана в ньютоновских законах движения. Первый закон Ньютона гласит, что "тело в покое будет оставаться в покое, а тело в движении будет оставаться в движении, если на него не будут воздействовать внешние силы".
Если массивное тело движется через пространство по прямой, его инерция заставит его продолжать движение по прямой, если только внешняя сила не заставит его ускоряться, замедляться или менять направление. Для того, чтобы двигаться по круговой траектории без изменения скорости, необходимо приложить непрерывную центробежную силу под прямым углом к ее траектории. Радиус (r) этой окружности равен массе (м) умноженной на квадрат скорости (v) деленной на центростремительную силу (F), или r = mv^2/F. Силу можно рассчитать, просто переставив уравнение, F= mv^2/r.
Третий закон Ньютона гласит, что "на каждое действие существует равная и противоположная реакция". Так же, как сила тяжести заставляет вас прилагать силу на землю, кажется, что земля оказывает одинаковую и противоположную силу на ноги. Когда вы находитесь в ускоряющемся автомобиле, сиденье воздействует на вас передней силой так же, как вы, кажется, воздействуете на сиденье задним ходом.
В случае вращающейся системы центробежная сила тянет массу внутрь, следуя изогнутой траектории, в то время как из-за инерции масса, похоже, толкается наружу. Однако в каждом из этих случаев применяется только одна реальная сила, в то время как другая является лишь очевидной силой.
Лабораторные центрифуги быстро вращаются и оказывают центробежную силу на жидкости, такие как кровь, которые затем разделяются в зависимости от их плотности.
Лабораторные центрифуги быстро вращаются и оказывают центробежную силу на жидкости, такие как кровь, которые затем разделяются в зависимости от их плотности
Примеры действующих центростремительных сил
Существует множество областей применения, в которых используется центробежная сила. Одна из них заключается в имитации ускорения запуска космического аппарата для подготовки астронавтов. Когда ракета запускается впервые, она настолько нагружена топливом и окислителем, что едва может двигаться. Однако по мере того, как он растет, он сжигает топливо с огромной скоростью, постоянно теряя массу. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна массовому ускорению, или F = мам.
В большинстве случаев масса остается постоянной. С ракетой, однако, ее масса резко меняется, в то время как сила, в данном случае тяга ракетных двигателей, остается почти постоянной. Это приводит к тому, что ускорение к концу активного участка увеличивается в несколько раз по сравнению с нормальной гравитацией. НАСА использует большие центрифуги для подготовки космонавтов к такому экстремальному ускорению. В этом случае центростремительная сила обеспечивается за счет того, что спинка сиденья надавливает внутрь астронавта.
Еще одним примером применения центростремительной силы является лабораторная центрифуга, которая используется для ускорения осаждения частиц, взвешенных в жидкости. Эта технология широко используется для подготовки образцов крови к анализу. Согласно Эксперименту Университета Райс.