Центрипеталната сила се определя като силата действащи върху тяло, което се движи по кръгова пътека, която е насочена към центъра, около който се движи тялото. Терминът идва от латинските думи Centrum за "център" и petere, което означава „да търся“.
Центрипеталната сила може да се счита за търсеща в центъра сила. Неговата посока е ортогонална (под прав ъгъл) спрямо движението на тялото в посока към центъра на кривината на пътя на тялото. Центрипеталната сила променя посоката на движение на обекта, без да променя неговото скорост.
Ключови отвеждания: Центропетална сила
- Центрипеталната сила е силата върху тяло, което се движи в кръг, който сочи навътре към точката, около която се движи обектът.
- Силата в обратна посока, насочена навън от центъра на въртене, се нарича центробежна сила.
- За въртящо се тяло центробежните и центробежните сили са равни по величина, но по посока противоположни.
Разлика между центробежната и центробежната сила
Докато центробежната сила действа, за да изтегли тяло към центъра на точката на въртене, центробежната сила (сила „бягаща от центъра“) се изтласква от центъра.
Според към първия закон на Нютон, "тяло в покой ще остане в покой, докато тяло в движение ще остане в движение, освен ако не действа от външна сила." в с други думи, ако силите, действащи върху даден обект, са балансирани, обектът ще продължи да се движи с постоянен темп без ускорение.
Центропеталната сила позволява на тялото да следва кръгова пътека, без да излита по допирателна, като непрекъснато действа под прав ъгъл спрямо пътя си. По този начин той действа върху обекта като една от силите в Първия закон на Нютон, като по този начин запазва инерцията на обекта.
Вторият закон на Нютон се прилага и в случая с изискване за центробелна сила, което казва, че ако даден обект се движи в кръг, нетната сила, действаща върху него, трябва да бъде навътре. Вторият закон на Нютон казва, че обект, който се ускорява, претърпява нетна сила, като посоката на нетната сила е същата като посоката на ускорението. За обект, движещ се в кръг, трябва да има центробежната сила (нетната сила), която да противодейства на центробежната сила.
От гледна точка на неподвижен предмет върху въртящата се референтна рамка (например седалка на люлка), центробежният и центробежният са равни по величина, но противоположни по посока. Центропеталната сила действа върху тялото в движение, докато центробежната сила не. Поради тази причина центробежната сила понякога се нарича "виртуална" сила.
Как да изчислим центрипеталната сила
Математическото представяне на центростремителната сила е получено от холандския физик Кристиян Хюйгенс през 1659г. За тяло, следващо кръгов път с постоянна скорост, радиусът на окръжността (r) е равен на масата на тялото (m), равен на квадрата от скоростта (v) разделен на центробежната сила (F):
r = mv2/ F
Уравнението може да бъде пренаредено, за да се реши за центрипетална сила:
F = mv2/ г
Важен момент, който трябва да отбележите от уравнението е, че центростремителната сила е пропорционална на квадрата на скоростта. Това означава, че удвояването на скоростта на даден обект се нуждае от четири пъти по-голяма от центробежната сила, за да се запази обектът в кръг. Практически пример за това се вижда, когато правите рязка крива с автомобил. Тук триенето е единствената сила, която държи гумите на автомобила на пътя. Увеличаването на скоростта значително увеличава силата, така че приплъзването става по-вероятно.
Също така имайте предвид, че изчисляването на центробежната сила предполага, че върху обекта не действат допълнителни сили.
Центропетална формула за ускорение
Друго често срещано изчисление е центростремителното ускорение, което е промяната на скоростта, разделена на промяната във времето. Ускорението е квадратът на скоростта, разделен на радиуса на окръжността:
Δv / Δt = a = v2/ г
Практически приложения на центрипеталната сила
Класическият пример за центростремителна сила е случаят, когато предмет се завърта на въже. Тук напрежението върху въжето доставя центробежната сила на „дърпане“.
Центрипеталната сила е „натискащата“ сила в случай на мотоциклетист „Wall of Death“.
Центрипеталната сила се използва за лабораторни центрофуги. Тук частиците, които са суспендирани в течност, се отделят от течността чрез ускоряване на тръбите ориентирани така, че по-тежките частици (т.е. обекти с по-голяма маса) се изтеглят към дъното на тръби. Докато центрофугите обикновено отделят твърдите вещества от течностите, те също могат да фракционират течности, както в кръвни проби, или отделни компоненти на газове.
Газовите центрофуги се използват за отделяне на по-тежкия изотоп уран-238 от по-лекия изотоп уран-235. По-тежкият изотоп се изтегля към външната страна на въртящия се цилиндър. Тежката фракция се подслушва и изпраща в друга центрофуга. Процесът се повтаря, докато газът не бъде достатъчно "обогатен".
Течен огледален телескоп (LMT) може да бъде направен чрез завъртане на отражател течност метал, като живак. Огледалната повърхност придобива параболоидна форма, тъй като центростремителната сила зависи от квадрата на скоростта. Поради това височината на въртящия се течен метал е пропорционална на квадрата на разстоянието му от центъра. Интересната форма, приета чрез въртене на течности, може да се наблюдава чрез въртене на кофа с вода с постоянна скорост.