ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА: ФОРМУЛЫ, КАК ОНА РАССЧИТЫВАЕТСЯ, ПРИМЕРЫ, УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Центробежная сила стремится вытолкнуть вращающиеся тела , принимая кривой. Это считается фиктивной силой, псевдосилой или силой инерции, потому что она не вызвана взаимодействиями между реальными объектами, а является проявлением инерции тел. Инерция - это свойство, которое заставляет объекты сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если оно у них есть.

Термин «центробежная сила» был придуман ученым Кристианом Гюйгенсом (1629-1695). Он утверждал, что криволинейное движение планет будет иметь тенденцию отодвигать их, если Солнце не приложит некоторую силу, чтобы удерживать их, и рассчитал, что эта сила пропорциональна квадрату скорости и обратно пропорциональна радиусу описанной окружности.

Рис. 1. При прохождении поворота пассажиры испытывают силу, которая стремится их вытащить. Источник: Libreshot.

Для тех, кто путешествует на машине, центробежная сила вовсе не вымышленная. Пассажиры в автомобиле, который поворачивает направо, чувствуют, что их толкают влево, и наоборот, когда автомобиль поворачивает налево, люди испытывают силу справа, которая, кажется, хочет отодвинуть их от центра поворота.

Величина центробежной силы F _g рассчитывается по следующему выражению:

- F _г является величина центробежной силы

- m - масса объекта

- v - скорость

- R - радиус криволинейной траектории.

Сила - вектор, поэтому жирный шрифт используется, чтобы отличить ее от величины, которая является скаляром.

Всегда помните, что F _g появляется только тогда, когда движение описывается с помощью ускоренной системы отсчета.

В примере, описанном в начале, вращающийся автомобиль представляет собой опорный элемент с ускорением, поскольку он требует центростремительного ускорения, чтобы он мог развернуться.

Как рассчитывается центробежная сила?

Выбор системы отсчета жизненно важен для оценки движения. Ускоренный опорный кадр также известен как неинерциальный кадр.

В системах такого типа, таких как вращающийся автомобиль, возникают фиктивные силы, такие как центробежная сила, источником которых не является реальное взаимодействие между объектами. Пассажир не может сказать, что его выталкивает из поворота, он может только подтвердить, что это так.

С другой стороны, в инерциальной системе отсчета взаимодействия происходят между реальными объектами, такими как движущееся тело и Земля, что приводит к увеличению веса, или между телом и поверхностью, по которой оно движется, которые возникают. трение и нормально.

Наблюдатель, стоящий на обочине дороги и смотрящий, как машина поворачивает поворот, является хорошим примером инерциальной системы отсчета. Для этого наблюдателя автомобиль поворачивается, потому что на него действует сила, направленная к центру кривой, которая заставляет его не выходить из него. Это центростремительная сила, создаваемая трением между шинами и дорожным покрытием.

В инерциальной системе отсчета центробежная сила не появляется. Поэтому первым шагом в его вычислении является тщательный выбор системы отсчета, которая будет использоваться для описания движения.

Наконец, следует отметить, что инерциальные системы отсчета не обязательно должны быть в состоянии покоя, как наблюдатель, наблюдающий, как транспортное средство поворачивает кривую. Инерциальная система отсчета, известная как лабораторная система отсчета, также может находиться в движении. Конечно, с постоянной скоростью по отношению к инерционной.

Схема свободного тела в инерциальной и неинерциальной системе

На следующем рисунке слева наблюдатель O стоит и смотрит на O ', который находится на платформе, которая вращается в указанном направлении. Для O, который является инерциальной системой отсчета, конечно, O 'остается вращающимся из-за центростремительной силы F _c, создаваемой стенкой сетки на обратной стороне O'.

Рис. 2. Человек, стоящий на поворотной платформе, виден с двух разных систем отсчета: одна фиксированная, а другая - вместе с человеком. Источник: Физика де Сантильяна.

Только в инерциальных системах отсчета допустимо применение второго закона Ньютона, который гласит, что результирующая сила равна произведению массы и ускорения. При этом с показанной диаграммой свободного тела мы получаем:

Точно так же на рисунке справа также есть диаграмма свободного тела, которая описывает то, что видит наблюдатель O '. С его точки зрения, он находится в состоянии покоя, поэтому силы на нем уравновешены.

Этими силами являются: нормаль F , которую стена оказывает на него, выделенная красным и направленная к центру, и центробежная сила F _g, которая толкает ее наружу и которая не возникает в результате какого-либо взаимодействия, является неинерциальной силой, которая появляется во вращающихся системах отсчета.

Центробежная сила, будучи фиктивной, уравновешивается реальной силой, контактной или нормальной силой, которая направлена ​​к центру. Таким образом:

Примеры

Хотя центробежная сила считается псевдосилой, ее эффекты вполне реальны, как это можно увидеть на следующих примерах:

- В любой спиннинговой игре в парке развлечений присутствует центробежная сила. Она следит за тем, чтобы мы «убегали от центра», и оказывает постоянное сопротивление, если вы пытаетесь войти в центр движущейся карусели. На следующем маятнике вы можете увидеть центробежную силу:

- Эффект Кориолиса возникает из-за вращения Земли, из-за чего Земля перестает быть инерциальной системой отсчета. Затем появляется сила Кориолиса, которая представляет собой псевдосилу, которая отклоняет объекты вбок, как это происходит с людьми, пытающимися ходить по поворотной платформе.

упражнения

Упражнение 1

У автомобиля, поворачивающего вправо с ускорением A, из внутреннего зеркала заднего вида свисает мягкая игрушка. Нарисуйте и сравните диаграммы свободного тела игрушки, вид на:

а) Инерциальная система отсчета наблюдателя, стоящего на дороге.

б) Пассажир, путешествующий в автомобиле.

Решение для

Наблюдатель, стоящий на дороге, замечает, что игрушка быстро движется с ускорением A вправо.

Рис. 3. Схема свободного тела для упражнения 1а. Источник: Ф. Сапата.

На игрушку действуют две силы: с одной стороны, натяжение тетивы T и вертикальный груз вниз W. Груз уравновешивается вертикальной составляющей натяжения Tcosθ, поэтому:

Горизонтальная составляющая напряжения: T. sinθ - это неуравновешенная сила, отвечающая за ускорение вправо, поэтому центростремительная сила равна:

Решение б

Для пассажира в машине игрушка висит в равновесии, а схема выглядит следующим образом:

Рис. 4. Схема свободного тела для упражнения 1b. Источник: Ф. Сапата.

Как и в предыдущем случае, компенсируются вес и вертикальная составляющая натяжения. Но горизонтальная составляющая уравновешивается фиктивной силой F _g = mA, такой что:

Упражнение 2.

Монета находится на краю старого проигрывателя виниловых пластинок, радиус которого составляет 15 см, и он вращается со скоростью 33 об / мин. Найдите минимальный коэффициент статического трения, необходимый для того, чтобы монета оставалась на месте, используя систему отсчета солидарности с монетой.

Решение

На рисунке представлена ​​диаграмма свободного тела наблюдателя, движущегося вместе с монетой. Нормаль N к поворотному столу, направленная вертикально вверх, уравновешивается весом W , в то время как центробежная сила F _g уравновешивается статическим трением F _{трением} .

Рисунок 5. Схема свободного тела для упражнения 2. Источник: Ф. Сапата.

Величина центробежной силы равна mv ² / R, как сказано в начале, тогда:

С другой стороны, сила статического трения определяется как:

Где μ _s - коэффициент статического трения, безразмерная величина, значение которой зависит от того, как поверхности соприкасаются. Подставляем это уравнение:

Остается определить величину нормы, которая связана с массой согласно N = мг. Подставляя снова:

Возвращаясь к заявлению, он сообщает, что монета вращается со скоростью 33 об / мин, что является угловой скоростью или угловой частотой ω, связанной с линейной скоростью v:

Результаты этого упражнения были бы такими же, если бы была выбрана инерциальная система отсчета. В таком случае единственная сила, способная вызвать ускорение к центру, - это статическое трение.

Приложения

Как мы уже говорили, центробежная сила - это фиктивная сила, которая не проявляется в инерциальных системах отсчета, которые являются единственными, в которых действуют законы Ньютона. В них центростремительная сила отвечает за обеспечение телу необходимого ускорения к центру.

Центростремительная сила не отличается от уже известных. Напротив, именно они при необходимости играют роль центростремительных сил. Например, гравитация, которая заставляет Луну вращаться вокруг Земли, натяжение веревки, с помощью которой вращается камень, статическое трение и электростатическая сила.

Однако, поскольку на практике изобилие ускоренных систем отсчета, фиктивные силы имеют очень реальные эффекты. Например, вот три важных приложения, в которых они имеют ощутимый эффект:

Центрифуги

Центрифуги - это инструменты, широко используемые в лаборатории. Идея состоит в том, чтобы смесь веществ вращалась с высокой скоростью, и вещества с большей массой испытывали бы большую центробежную силу в соответствии с уравнением, описанным в начале.

Тогда самые массивные частицы будут стремиться удаляться от оси вращения, отделяясь от более легких, которые останутся ближе к центру.

Стиральные машины

У автоматических стиральных машин разные циклы отжима. В них одежду центрифугируют, чтобы удалить оставшуюся воду. Чем выше число оборотов цикла, тем менее влажным будет белье в конце стирки.

Наклон кривых

Автомобили лучше проходят повороты на дорогах, потому что трасса немного наклонена к центру поворота, известного как косой. Таким образом, автомобиль не зависит исключительно от статического трения между шинами и дорогой, чтобы завершить поворот, не съезжая с поворота.

Ссылки

1. Акоста, Виктор. Создание дидактического руководства по центробежной силе для учащихся V класса 10 класса. Получено с: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Законы движения: круговое движение. Получено с: toppr.com.
3. Резник, Р. (1999). Физическая. Том 1. 3-е изд. На испанском языке. Compañía Editor Continental SA de CV
4. Автономный университет штата Идальго. Центробежная сила. Получено с: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Центрифуги. Получено с: es.wikipedia.org.