Centripetalna sila je opredeljena kot moč deluje na telo, ki se giblje v krožni poti, ki je usmerjena proti sredini, okoli katerega se telo giblje. Izraz izvira iz latinskih besed centrum za "center" in petere, kar pomeni "iskati."
Centripetalna sila se lahko šteje za silo, ki išče središče. Njegova smer je pravokotna (pod pravim kotom) glede na gibanje telesa v smeri proti sredini ukrivljenosti poti telesa. Centripetalna sila spremeni smer gibanja predmeta, ne da bi spremenila njegovo hitrost.
Ključni odvzemi: Centripetalna sila
- Centripetalna sila je sila na telo, ki se giblje v krogu, ki kaže navznoter proti točki, okoli katere se predmet premika.
- Sila v nasprotni smeri, usmerjena navzven iz središča vrtenja, se imenuje centrifugalna sila.
- Pri vrtljivem telesu so centripetalne in centrifugalne sile enake velikosti, vendar v nasprotni smeri.
Razlika med Centripetalno in Centrifugalno silo
Medtem ko centripetalna sila deluje, da vleče telo proti središču vrtilne točke, se centrifugalna sila (sila "v begu v sredini") potisne stran od središča.
Glede na to Newtonovega prvega zakona, "telo v mirovanju ostane v mirovanju, medtem ko telo v gibanju ostane v gibanju, če ga ne bo izvajala zunanja sila." V z drugimi besedami, če se sile, ki delujejo na predmet, uravnotežijo, se bo predmet še naprej premikal brez enakomerne hitrosti pospešek.
Centripetalna sila omogoča telesu, da sledi krožni poti, ne da bi pri tangentu odletel s stalnim delovanjem pod pravim kotom na svojo pot. Na ta način deluje na objekt kot ena od sil prvega zakona o Newtonu in tako ohranja inercijo objekta.
Drugi zakon Newtona velja tudi v primeru zahteva po centripetalni sili, ki pravi, da če se predmet premika v krogu, mora biti neto sila, ki deluje nanj, navznoter. Newtonov drugi zakon pravi, da predmet, ki ga pospešujemo, doživlja neto silo, pri čemer je smer neto sile enaka smeri pospeška. Za predmet, ki se giblje v krogu, mora biti prisotna centripetalna sila (neto sila), da se upre proti centrifugalni sili.
S stališča nepremičnega predmeta na vrtljivem referenčnem okvirju (npr. Sedež na gugalnici) sta centripetalna in centrifugalna po velikosti enaka, vendar v nasprotni smeri. Centripetalna sila deluje na telo v gibanju, medtem ko centrifugalna sila ne. Zaradi tega se centrifugalna sila včasih imenuje "virtualna" sila.
Kako izračunati centripetalno silo
Matematični prikaz centripetalne sile je leta 1659 izpeljal nizozemski fizik Christiaan Huygens. Za telo, ki sledi krožni poti s konstantno hitrostjo, je polmer kroga (r) enak masi telesa (m), večji od kvadrata hitrost (v) deljeno s centripetalno silo (F):
r = mv2/ Ž
Enačba se lahko preuredi tako, da reši centripetalno silo:
F = mv2/ r
Pomembna točka iz enačbe je, da je centripetalna sila sorazmerna s kvadratom hitrosti. To pomeni, da je treba za podvojitev hitrosti predmeta štirikrat preseči centripetalno silo, da se predmet premika v krogu. Praktičen primer tega je videti pri ostrem ovinku z avtomobilom. Tu je trenje edina sila, ki vozi pnevmatike vozila na cesti. Povečanje hitrosti močno poveča silo, zato drsanje postane bolj verjetno.
Upoštevajte tudi, da izračun centripetalne sile predvideva, da na objekt ne delujejo dodatne sile.
Formula centripetalnega pospeška
Drugi pogost izračun je centripetalni pospešek, ki je sprememba hitrosti, deljena s spremembo časa. Pospešek je kvadrat hitrosti, deljen s polmerom kroga:
Δv / Δt = a = v2/ r
Praktične aplikacije Centripetalne sile
Klasičen primer centripetalne sile je primer, ko se predmet vrti na vrvi. Tu napetost na vrvi napaja centripetalno "vlečno" silo.
Centripetalna sila je "potisna" sila v primeru kolesarja motornih vozil Wall of Death.
Centripetalna sila se uporablja za laboratorijske centrifuge. Tu se delci, ki so suspendirani v tekočini, ločijo od tekočine s pospeševanjem cevi usmerjeni tako, da se težji delci (to je predmeti z večjo maso) potegnejo proti dnu cevi. Medtem ko centrifuge običajno odvajajo trdne snovi od tekočin, lahko tudi frakcionirajo tekočine, kot v vzorcih krvi, ali ločene sestavine plinov.
Plinski centrifugi se uporabljajo za ločevanje težjih izotopov urana-238 od lažjega izotopa urana-235. Težji izotop se vleče proti zunanji strani vrtljivega valja. Težka frakcija se dovaja in pošlje v drugo centrifugo. Postopek se ponavlja, dokler plin ni dovolj "obogaten".
Tekoč zrcalni teleskop (LMT) se lahko izvede z vrtenjem odsevnika tekoč kovina, kot je živo srebro. Zrcalna površina prevzame paraboloidno obliko, ker je centripetalna sila odvisna od kvadrata hitrosti. Zaradi tega je višina vrteče se tekoče kovine sorazmerna s kvadratu njene oddaljenosti od središča. Zanimivo obliko vrtečih tekočin lahko opazimo z vrtenjem vedra vode s konstantno hitrostjo.