SENTRIFUGALKRAFT: FORMLER, HVORDAN DET BEREGNES, EKSEMPLER, ØVELSER - FYSISK - 2026

Den sentrifugalkraft som tenderer til å skyve ut de roterende legemene tar en kurve. Det regnes som en fiktiv kraft, pseudoforce eller treghetskraft, fordi den ikke er forårsaket av interaksjoner mellom virkelige gjenstander, men er en manifestasjon av treghet av kropper. Treghet er egenskapen som gjør at objekter ønsker å beholde sin hviletilstand eller med ensartet rettlinjet bevegelse, hvis de har en.

Begrepet "sentrifugalkraft" ble myntet av forskeren Christian Huygens (1629-1695). Han hevdet at planetens krumlinjete bevegelse ville ha en tendens til å flytte dem bort med mindre solen utøver noen kraft for å holde dem tilbake, og han beregnet at denne kraften var proporsjonal med kvadratet med hastigheten og omvendt proporsjonal med radius for den beskrevne omkretsen.

Figur 1. Når hjørnet svinger, opplever passasjerene en styrke som har en tendens til å trekke dem ut av den. Kilde: Libreshot.

For de som reiser med bil, er sentrifugalkraft ikke fiktiv i det hele tatt. Passasjerer i en bil som svinger til høyre føler seg presset til venstre, og omvendt, når bilen svinger til venstre, opplever folk en styrke til høyre, som ser ut til å ville flytte dem bort fra midten av kurven.

Størrelsen av sentrifugalkraften F _g beregnes ved hjelp av følgende uttrykk:

- F _g er størrelsen av sentrifugalkraften

- m er gjenstandens masse

- v er hastigheten

- R er radiusen til den buede banen.

Kraft er en vektor, derfor brukes fet skrift for å skille den fra dens størrelse, som er en skalær.

Alltid huske på at F _g vises bare når bevegelsen er beskrevet ved hjelp av en akselerert referanseramme.

I eksempelet som ble beskrevet i begynnelsen, utgjør den spinnende bilen en akselerert referanse, siden den krever centripetal akselerasjon slik at den kan snu.

Hvordan beregnes sentrifugalkraften?

Valget av referansesystemet er avgjørende for å forstå bevegelsen. En akselerert referanseramme er også kjent som en ikke-treghet ramme.

I denne typen systemer, for eksempel en spinnende bil, dukker det opp fiktive krefter som sentrifugalkraft, hvis opprinnelse ikke er et reelt samspill mellom objekter. En passasjer kan ikke si hva som skyver ham ut av kurven, han kan bare bekrefte at dette er tilfelle.

På den annen side, i et treghetsreferansesystem, skjer interaksjonene mellom virkelige gjenstander, for eksempel det bevegelige legemet og jorden, som gir vekt, eller mellom kroppen og overflaten den beveger seg på, og som har sin opprinnelse friksjon og normalt.

En observatør som står på siden av veien og ser på bilen snu kurven er et godt eksempel på et treghetsreferansesystem. For denne observatøren snur bilen fordi en kraft rettet mot midten av kurven virker på den, som tvinger den til ikke å komme ut av den. Dette er den centripetal kraft som produseres av friksjon mellom dekkene og fortauet.

I en treghetsreferanseramme vises ikke sentrifugalkraften. Derfor er det første trinnet i beregningen å velge nøye referansesystemet som skal brukes til å beskrive bevegelsen.

Til slutt skal det bemerkes at treghetsreferansesystemene ikke nødvendigvis trenger å være i ro, som observatøren som ser på kjøretøyet snur kurven. En treghedsreferanseramme, kjent som en laboratoriereferanseramme, kan også være i bevegelse. Selvfølgelig med konstant hastighet med hensyn til en treghet.

Frikroppsdiagram i et treghetssystem og ikke-treghetssystem

I den neste figuren til venstre står en observatør O og ser på O ', som er på plattformen som roterer i angitt retning. For O, som er en treghetsramme, absolutt O 'holdes roterer på grunn av sentripetalkraften F _c produsert ved veggen av gitteret på baksiden av O'.

Figur 2. En person som står på en plateplate sees fra to forskjellige referansesystemer: det ene faste og det andre som følger med personen. Kilde: Física de Santillana.

Bare i treghetsreferanserammer er det gyldig å anvende Newtons andre lov, som sier at nettokraften er lik produktet av massen og akselerasjonen. Og ved å gjøre det, med frikroppsskjemaet, får vi:

På figuren til høyre er det også et frigroppsdiagram som beskriver hva observatøren O 'ser. Fra sitt synspunkt er han i ro, derfor er kreftene på ham balansert.

Disse kreftene er: den normale F , som veggen utøver på den, i rødt og rettet mot sentrum og sentrifugalkraften F _g som skyver den utover og som ikke er opphavet til noe samspill, er en ikke-treghetskraft som vises i roterende referansesystemer.

Sentrifugalkraften er fiktiv, den balanseres av en reell kraft, kontakten eller normalkraften som peker mot sentrum. Og dermed:

eksempler

Selv om sentrifugalkraft anses som en pseudokraft, er virkningene av disse ganske reelle, som det kan sees i følgende eksempler:

- I et hvilket som helst spinnespill i en fornøyelsespark er sentrifugalkraft til stede. Hun sørger for at vi "løper fra sentrum" og tilbyr konstant motstand hvis du prøver å gå inn i sentrum av en karusell i bevegelse. I den følgende pendelen kan du se sentrifugalkraften:

- Coriolis-effekten oppstår fra jordens rotasjon, noe som gjør at jorden slutter å være en treghetsramme. Så dukker Coriolis-styrken opp, som er en pseudokraft som avleder gjenstander i sideretningen, akkurat som folk som prøver å gå på en platespiller.

Øvelser

Oppgave 1

En bil som dreier med akselerasjon A til høyre har et utstoppet leketøy som henger fra det bakre speilet. Tegne og sammenligne frikroppsskjemaene for leketøyet sett fra:

a) Inertial referanseramme for en observatør som står på veien.

b) En passasjer som kjørte i bilen.

Løsning på

En observatør som står på veien merker at leketøyet beveger seg raskt, med akselerasjon A til høyre.

Figur 3. Gratis kroppsdiagram for trening 1a. Kilde: F. Zapata.

Det er to krefter som virker på leken: på den ene siden spenningen i strengen T og den vertikale vekten ned W. Vekten er balansert med den vertikale komponenten i spenningen Tcosθ, derfor:

Den horisontale komponenten av stress: T. sinθ er den ubalanserte kraften som er ansvarlig for akselerasjonen til høyre, derfor er centripetalkraften:

Løsning b

For en passasjer i bilen, henger leken i likevekt, og diagrammet er som følger:

Figur 4. Frigroppsdiagram for trening 1b. Kilde: F. Zapata.

Som i forrige tilfelle kompenseres vekten og den vertikale komponenten i strekket. Men den horisontale komponenten er balansert av den fiktive kraften F _g = mA, slik at:

Oppgave 2

En mynt er på kanten av en gammel vinyl platespiller, hvis radius er 15 cm og den roterer i 33 omdreininger / minutt. Finn minimumskoeffisienten for statisk friksjon som er nødvendig for at mynten skal holde seg på plass ved å bruke referanserammen med soliditeten.

Løsning

På figuren er frikroppsskjemaet for en observatør som beveger seg med mynten. Den normale N at dreiebordet utøver vertikalt opp balanseres av vekten W , mens sentrifugalkraften F _g kompenseres av den statiske _friksjon F _friksjon .

Figur 5. Gratis kroppsdiagram for trening 2. Kilde: F. Zapata.

Størrelsen på sentrifugalkraften er mv ² / R, som sagt i begynnelsen, da:

På den annen side er den statiske friksjonskraften gitt av:

Hvor μ _s er statisk friksjonskoeffisient, er en dimensjonsløs mengde hvis verdi avhenger av hvordan overflatene er i kontakt. Å erstatte denne ligningen er:

Størrelsen på normal gjenstår å bestemme, som er relatert til vekt i henhold til N = mg. Å erstatte igjen:

Tilbake til utsagnet rapporterer det at mynten roterer med en hastighet på 33 omdreininger / minutt, som er vinkelhastigheten eller vinkelfrekvensen related, relatert til den lineære hastigheten v:

Resultatene av denne øvelsen ville vært de samme hvis en treghedsreferanseramme hadde blitt valgt. I et slikt tilfelle er den eneste kraften som kan forårsake akselerasjon mot sentrum statisk friksjon.

applikasjoner

Som vi har sagt, sentrifugalkraften er en fiktiv styrke, som ikke vises i treghetsrammer, som er de eneste der Newtons lover er gyldige. I dem er centripetalkraften ansvarlig for å gi kroppen den nødvendige akselerasjonen mot sentrum.

Centripetal-kraften er ikke en annen styrke enn de som allerede er kjent. Tvert imot, det er nettopp disse som spiller rollen som sentripetalkrefter når det er aktuelt. For eksempel tyngdekraften som gjør at månen går i bane rundt jorden, spenningen i et tau som en stein roteres med, statisk friksjon og elektrostatisk kraft.

Imidlertid, da akselererte referanserammer florerer i praksis, har fiktive krefter veldig reelle effekter. Her er for eksempel tre viktige applikasjoner der de har konkrete effekter:

sentrifuger

Sentrifuger er instrumenter som er mye brukt i laboratoriet. Tanken er å få en blanding av stoffer til å rotere med høy hastighet, og de stoffene med større masse opplever en større sentrifugalkraft, i henhold til ligningen beskrevet i begynnelsen.

Da vil de mest massive partiklene ha en tendens til å bevege seg vekk fra rotasjonsaksen, og dermed skilles fra de lysere, som vil forbli nærmere sentrum.

Vaskemaskiner

Automatiske skiver har forskjellige rotasjonssykluser. I dem sentrifugeres klærne for å eliminere det gjenværende vannet. Jo høyere omdreininger syklusen er, jo mindre fuktige vil klærne være på slutten av vasken.

Buetene kan ikke

Biler er flinkere til å svinge på veier, fordi sporet skråner litt mot midten av kurven, kjent som ikke. På denne måten er ikke bilen utelukkende avhengig av den statiske friksjonen mellom dekkene og veien for å fullføre svingen uten å forlate kurven.

referanser

1. Acosta, Victor. Konstruksjon av en didaktisk guide for sentrifugalkraft for elever i syklus V klasse 10. Hentet fra: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Laws of Motion: Circular Motion. Gjenopprettet fra: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fysisk. Vol. 1. tredje utgave på spansk. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Det autonome universitetet i staten Hidalgo. Sentrifugalkraft. Gjenopprettet fra: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Sentrifuger. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.