Centrifugalna sila je v našem vsakdanjem življenju vseprisotna, toda ali je tisto, kar mislimo, da je?
Izkusimo jo, ko za vogalom zavijemo v vogal ali ko letalo zavije v zavoj. Opažamo ga v vrtilnem ciklu pralnega stroja ali ko se otroci vozijo na veselicah. Nekega dne lahko celo ustvari umetno težo za vesoljske ladje in vesoljske postaje.
Toda centrifugalno silo pogosto zamenjujemo s svojo protipostavko, centripetalno silo, ker sta tako tesno povezani - v bistvu dve strani istega kovanca.
Centripetalna sila je opredeljena kot "sila, ki je potrebna, da se predmet premika po ukrivljeni poti in je usmerjena navznoter proti središču vrtenja", medtem ko je centrifugalna sila opredeljena kot "navidezna sila, ki jo občuti premikanje predmeta v ukrivljeni poti, ki deluje navzven stran od središča vrtenja, "po Merriam Webster Dictionary.
Čeprav je centripetalna sila dejanska sila, je centrifugalna sila opredeljena kot navidezna sila. Z drugimi besedami, pri vrtenju mase na vrvico vrvi navznoter centripetalno silo na maso, medtem ko se zdi, da masa deluje navzven centrifugalno silo na vrvico.
"Razlika med centripetalno in centrifugalno silo je povezana z različnimi" referenčnimi okviri ", torej različnimi stališči, s katerih nekaj merite," je dejal Andrew A. Ganse, raziskovalni fizik na Washingtonski univerzi. "Centripetalna sila in centrifugalna sila sta popolnoma enaki sili, ravno v nasprotnih smereh, ker jih doživljamo iz različnih referenčnih okvirov."
Če opazujete vrteči se sistem od zunaj, vidite navznoter centripetalno silo, ki omejuje vrtljivo telo na krožno pot. Če pa ste del vrtečega sistema, doživite navidezno centrifugalno silo, ki vas potisne stran od središča kroga, čeprav tisto, kar pravzaprav čutite, je notranja centripetalna sila, ki preprečuje, da se dobesedno odpravite po tangenti .
Sile ubogajo Newtonove zakone gibanja
To navidezno zunanjo silo opisujejo Newtonovi zakoni gibanja. Newtonov prvi zakon pravi, da "bo telo v mirovanju ostalo v mirovanju, telo v gibanju pa bo ostalo v gibanju, razen če ga bo izvajala zunanja sila."
Če se masivno telo premika po prostoru po ravni črti, bo njegova vztrajnost povzročila, da se nadaljuje po ravni črti, razen če zunanja sila povzroči, da pospeši, upočasni ali spremeni smer. Da bi lahko sledila krožni poti brez spreminjanja hitrosti, je treba pod pravim kotom na njeno pot izvajati neprekinjeno centripetalno silo. Polmer (r) tega kroga je enak masi (m), ki je enaka kvadratu hitrosti (v), deljenemu s centripetalno silo (F), ali r = mv ^ 2 / F. Silo je mogoče izračunati s preprosto preureditvijo enačbe, F = mv ^ 2 / r.
Newtonov tretji zakon pravi, da "je za vsako dejanje enakovredna in nasprotna reakcija." Tako kot gravitacija povzroči, da na tla pritisnete silo, se zdi, da tla izvajajo enako in nasprotno silo na noge. Ko ste v avtomobilu s pospeševanjem, sedež na vas pritiska naprej, tako kot se zdi, da na sedež izvajate silo nazaj.
Pri vrtljivem sistemu centripetalna sila potegne maso navznoter, da sledi ukrivljeni poti, medtem ko se zdi, da se masa zaradi svoje vztrajnosti potisne navzven. V vsakem od teh primerov je uporabljena le ena resnična sila, medtem ko je druga le navidezna sila.
Primeri centripetalne sile v akciji
Obstaja veliko aplikacij, ki izkoriščajo centripetalno silo. Eno je simuliranje pospeška izleta v vesolje za usposabljanje astronavtov. Ko je raketa prvič izstreljena, je tako obremenjena z gorivom in oksidantom, da se komaj premika. Vendar, ko se vzpenja, gori gorivo z ogromno hitrostjo, nenehno izgublja maso. Newtonov drugi zakon pravi, da je sila enaka množičnim pospeškom ali F = ma.
V večini primerov masa ostane konstantna. Z raketo se njegova masa drastično spremeni, medtem ko sila, v tem primeru potiska raketnih motorjev, ostaja skoraj konstantna. To povzroči, da se pospešek proti koncu faze povečanja poveča za večkrat kot običajna težnost. NASA uporablja velike centrifuge za pripravo astronavtov na ta ekstremni pospešek. V tej aplikaciji centripetalno silo zagotavlja naslon sedeža, ki potisne astronavta navznoter.
Drugi primer uporabe centripetalne sile je laboratorijska centrifuga, ki se uporablja za pospeševanje obarjanja delcev, suspendiranih v tekočini. Ena pogosta uporaba te tehnologije je za pripravo vzorcev krvi za analizo. Po podatkih spletnega mesta Univerze Rice Experimental Biosciences: "Edinstvena struktura krvi omogoča zelo enostavno ločevanje rdečih krvnih celic od plazme in drugih tvorjenih elementov z diferencialnim centrifugiranjem."
Pri normalni sili gravitacije toplotno gibanje povzroči nenehno mešanje, kar prepreči, da bi se krvne celice usedle iz celotnega vzorca krvi. Vendar lahko tipična centrifuga doseže pospeške, ki so od 600 do 2000 krat večji od običajne teže. To prisili, da se težke rdeče krvne celice naselijo na dnu in razdelijo različne sestavine raztopine v plasti glede na njihovo gostoto.
Ta članek je 10. maja 2019 posodobila sodelavka v živo, Jennifer Leman.
