CENTRIFUGÁLIS ERŐ: KÉPLETEK, A KISZÁMÍTÁSÁNAK MÓDJAI, PÉLDÁK, GYAKORLATOK - FIZIKAI - 2026

A centrifugális erő hajlamos arra, hogy egy forgásirányban kinyomja a forgó testeket. Fiktív erőnek, álnévnek vagy inerciális erőnek tekintik, mert nem a valós tárgyak közötti kölcsönhatások okozják, hanem a testek tehetetlenségének megnyilvánulása. A tehetetlenség az a tulajdonság, amely arra készteti a tárgyakat, hogy megtartsák nyugalmi állapotukat vagy egyenletes egyenes vonalú mozgást, ha van ilyen.

A "centrifugális erő" kifejezést Christian Huygens (1629-1695) tudós dolgozta ki. Azt állította, hogy a bolygók görbe irányú mozgása elmozdítja őket, hacsak a Nap nem gyakorol valamilyen erőt a visszatartáshoz, és kiszámította, hogy ez az erő arányos a sebesség négyzetével és fordítottan arányos a leírt kerület sugárjával.

1. ábra A kanyarodás során az utasok erőt éreznek, amelyek hajlamosak kihúzni őket. Forrás: Libreshot.

Azoknak, akik autóval utaznak, a centrifugális erő egyáltalán nem kitalált. A jobbra forduló autó utasai balra tolódnak, és fordítva, amikor az autó balra fordul, az emberek jobb erőt tapasztalnak, amely úgy tűnik, hogy el akarják távolítani őket a görbe középpontjától.

Az F _g centrifugális erő nagyságát a következő kifejezéssel kell kiszámítani:

- F _g a centrifugális erő nagysága

- m a tárgy tömege

- v a sebesség

- R az íves út sugara.

Az erő vektor, ezért félkövér betűtípussal lehet megkülönböztetni nagyságától, amely skalár.

Mindig szem előtt tartani, hogy az F _g csak akkor jelenik meg, ha a mozgás segítségével írjuk le gyorsított hivatkozási keretet.

Az elején leírt példában a forgó kocsi gyorsított referenciát képez, mivel centripetalális gyorsulást igényel ahhoz, hogy megfordulhasson.

Hogyan számítják ki a centrifugális erőt?

A referenciarendszer megválasztása elengedhetetlen a mozgás felértékeléséhez. A gyorsított referenciakeret nem-inerciális keretként is ismert.

Az ilyen típusú rendszerekben, mint például egy forgó autó, olyan fiktív erők jelennek meg, mint a centrifugális erő, amelyeknek eredete nem a tárgyak közötti valódi interakció. Az utas nem tudja megmondani, mi tolja ki a kanyarból, csak azt állíthatja, hogy megteszi.

Másrészről, egy inerciális referenciarendszerben az interakciók valós tárgyak, például a mozgásban lévő test és a súlyt előidéző ​​Föld, illetve a test és a felszín között, amelyen mozog, létrejönnek súrlódás és normál.

Az inerciális referenciarendszer jó példája az út szélén álló megfigyelő, aki az autó fordulását figyeli. E megfigyelő számára az autó fordul, mert a görbe középpontja felé irányuló erő hat rá, ami arra készteti, hogy ne kerüljön ki belőle. Ez a centripetális erő, amelyet a gumiabroncsok és a járda közötti súrlódás hoz létre.

Egy tehetetlenségi referenciakeretben a centrifugális erő nem jelenik meg. Ezért a kiszámításának első lépése az, hogy körültekintően meg kell választani a referenciarendszert, amelyet a mozgás leírására használnak.

Végül meg kell jegyezni, hogy a tehetetlenségi referenciarendszereknek nem feltétlenül kell nyugalomban lenniük, mint például a járművet a görbe felé néző megfigyelőnek. A tehetetlenségi referenciakeret, az úgynevezett laboratóriumi referenciakeret is mozgásban lehet. Természetesen állandó sebességgel, egy inerciális sebességgel szemben.

Szabad test diagram inerciális és nem inerciális rendszerben

A bal oldali következő ábrán egy O megfigyelő áll, és O-ra néz, aki a jelzett irányba forog a peronon. Az O esetében, amely egy inerciális keret, biztosan O 'forog az O' hátulján lévő rács falának az F _c centripetalális erő miatt.

2. ábra: A forgótányéron álló személy két különféle referenciarendszerből néz ki: az egyik rögzített, a másik pedig a személyhez vezet. Forrás: Física de Santillana.

Csak inerciális referenciakeretekben alkalmazható Newton második törvénye, amely kimondja, hogy a nettó erő egyenlő a tömeg és a gyorsulás szorzatával. És ezzel a bemutatott szabad test diagrammal kapjuk:

Hasonlóképpen, a jobb oldali ábrán van egy szabad test diagram is, amely leírja, amit az O 'megfigyelő lát. Szempontjából nyugalomban van, ezért a rá ható erők kiegyensúlyozottak.

Ezek az erők: a normál F, amelyet a fal rá gyakorol, piros színű, közepére irányítva, és az F _g centrifugális erő, amely kifelé nyomja, és amelyet nem okozott kölcsönhatás, egy nem-inerciális erő, amely jelenik meg a forgó referenciarendszerekben.

A centrifugális erő fiktív, azt egy valódi erő, az érintkező vagy a középpont felé mutató normál erő kiegyensúlyozza. Így:

Példák

Noha a centrifugális erőt álszerelő erőnek tekintik, annak hatásai meglehetősen valósak, amint az a következő példákból is látható:

- Bármely vidámparkban futó centrifugális erő jelen van. Gondoskodik arról, hogy „elmeneküljünk a központtól”, és állandó ellenállást kínál, ha megpróbálunk bemenni egy mozgó körhinta középpontjába. A következő inga látható a centrifugális erő:

- A Coriolis-effektus a Föld forgása következtében jön létre, amely miatt a Föld nem áll inerciális keretként. Ezután megjelenik a Coriolis-erő, amely egy álszereplő, amely oldalirányban elhajlik az objektumokat, akárcsak az emberek, akik megpróbálnak egy forgóasztalon járni.

Feladatok

1. Feladat

Egy autó kanyarodik gyorsulás A jobbra van egy kitömött játék lóg a belső visszapillantó tükör. Rajzolja meg és hasonlítsa össze a játék szabad test diagramjait, amelyek az alábbiak szerint láthatók:

a) Az úton álló megfigyelő tehetetlenségi referenciakerete.

b) Autóval utazó utas.

Megoldás

A megfigyelő állt az úton észreveszi, hogy a játék gyorsan mozog, a gyorsulás egy jobbra.

3. ábra. Az 1a. Test szabad testének diagramja. Forrás: F. Zapata.

Két játék hat a játékra: egyrészt a T húr feszültsége és a W függőleges súlya . A súlyt kiegyenlítik a Tcosθ feszültség függőleges alkotóeleme, tehát:

A stressz vízszintes összetevője: T. sinθ a kiegyensúlyozatlan erő, amely felelős a jobbra gyorsulásért, ezért a centripetalális erő:

B. Megoldás

A kocsiban ülő utas számára a játék egyensúlyban lóg, és az ábra a következő:

4. ábra. Az 1b gyakorlat szabad test diagramja. Forrás: F. Zapata.

Az előzőhöz hasonlóan, a feszítés súlyát és függőleges elemét kompenzálni kell. A vízszintes komponenst azonban a fiktív F _g = mA erő kiegyensúlyozza, így:

2. gyakorlat

Egy érme egy régi bakelitlejátszó szélén van, amelynek sugara 15 cm, és 33 fordulat / perc sebességgel forog. Keresse meg az érme minimális statikus súrlódási együtthatóját, hogy az helyén maradjon, az érmével való szolidaritási referenciakeret segítségével.

Megoldás

Az ábrán az érmével mozgó megfigyelő szabad test diagramja látható. A normál N értéket, amelyet a forgótányér függőlegesen felfelé állít, a W tömeg kiegyenlíti, míg az F _g centrifugális erőt a statikus F _súrlódás kompenzálja.

5. ábra. A test szabad diagramja 2. Forrás: F. Zapata.

A centrifugális erő mv ² / R, amint azt az elején elmondtuk, majd:

Másrészt a statikus súrlódási erőt az alábbiak adják:

Ahol μ _s az tapadási súrlódási együttható, egy dimenzió nélküli mennyiség, amelynek értéke attól függ, hogy a felületek érintkeznek. Ezt az egyenletet helyettesíti:

Meg kell határozni a normál érték nagyságát, amely N = mg szerinti tömeghez viszonyul. Helyettesíti újra:

Vissza az állításhoz, arról számol be, hogy az érme 33 fordulat / perc sebességgel forog, ami a v szögsebesség vagy an szögfrekvencia, a v lineáris sebességhez viszonyítva:

Ennek a gyakorlatnak az eredményei ugyanazok lennének, ha inerciális referenciakeretet választottak volna meg. Ebben az esetben a középpont felé gyorsulást okozni képes egyetlen erő a statikus súrlódás.

Alkalmazások

Mint már mondtuk, a centrifugális erő fiktív erő, amely nem jelenik meg a tehetetlenségi keretekben, amelyek közül Newton törvényei az egyetlen, amelyek érvényesek. Ezekben a centripetalális erő felelõs annak, hogy a testet a központ felé haladó gyorsulással biztosítsák.

A centripetal erő nem különbözik a már ismert erőktől. Éppen ellenkezőleg, éppen ezek játszják a centripetalus erők szerepét, ha ez megfelelő. Például a gravitáció, amely a Hold körül kering a Föld körül, a kötél feszültsége, amellyel a kő forog, statikus súrlódás és elektrosztatikus erő.

Mivel azonban a gyorsított referenciakeretek a gyakorlatban bővelkednek, a fiktív erőknek nagyon valódi hatásuk van. Például, itt van három fontos alkalmazás, amelyek kézzelfogható hatásokkal járnak:

Centrifuga

A centrifugákat a laboratóriumban széles körben használják. Az ötlet az, hogy egy anyagkeverék nagy sebességgel forogjon, és a nagyobb tömegű anyagok nagyobb centrifugális erővel rendelkezzenek, az elején leírt egyenlet szerint.

Akkor a legtömegebb részecskék hajlamosak elmozdulni a forgástengelytől, így el vannak választva a könnyebb részektől, amelyek közelebb maradnak a középponthoz.

Mosógépek

Az automatikus alátétek különböző centrifugálási ciklusokkal rendelkeznek. Ezekben a ruhákat centrifugálják, hogy eltávolítsák a fennmaradó vizet. Minél nagyobb a ciklus fordulata, annál kevésbé lesz nedves a ruha a mosás végén.

A görbék túlsúlya

Az autók jobban tudnak kanyarodni az utakon, mert a sáv kissé lejtődik a kanyar közepe felé, az úgynevezett vidd. Ilyen módon az autó nem függ kizárólag a gumiabroncsok és az út közti statikus súrlódástól, hogy a kanyart a görbe elhagyása nélkül befejezze.

Irodalom

1. Acosta, Victor. A centrifugális erő didaktikai útmutatójának elkészítése a 10. osztályú V osztályú hallgatók számára. Visszakerült a bdigital.unal.edu.co webhelyről.
2. Toppr. A mozgás törvényei: Kör alakú mozgás. Helyreállítva: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fizikai. Vol. 1. 3. kiadás spanyolul. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Hidalgo állam autonóm egyeteme. Centrifugális erő. Helyreállítva: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Centrifugák. Helyreállítva: es.wikipedia.org.