CENTRBĒDZES SPĒKS: FORMULAS, KĀ TAS TIEK APRĒĶINĀTS, PIEMĒRI, VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

Centrbēdzes spēks tendence izstumt rotējošo iestādes, ņemot līkni. Tas tiek uzskatīts par fiktīvu spēku, pseudoforce vai inerciālu spēku, jo to neizraisa mijiedarbība starp reāliem objektiem, bet tas ir ķermeņu inerces izpausme. Inerce ir īpašums, kas liek objektiem vēlēties saglabāt miera stāvokli vai vienmērīgu taisnu kustību, ja tāds ir.

Terminu "centrbēdzes spēks" izdomāja zinātnieks Kristians Huigens (1629-1695). Viņš paziņoja, ka planētu liektā kustība mēdz tās attālināt, ja vien saule neveic kādu spēku, lai tās noturētu, un viņš aprēķināja, ka šis spēks ir proporcionāls ātruma kvadrātam un apgriezti proporcionāls aprakstītā apkārtmēra rādiusam.

1. attēls. Noslēdzoties, pasažieri izjūt spēku, kas tiecas viņus izvilkt no tā. Avots: Libreshot.

Tiem, kas ceļo ar automašīnu, centrbēdzes spēks nepavisam nav izdomāts. Pasažieri automašīnā, kas pagriežas pa labi, jūtas spiesti pa kreisi un otrādi, kad automašīna pagriežas pa kreisi, cilvēki izjūt spēku pa labi, kas, šķiet, vēlas viņus novirzīt no līknes centra.

Centrbēdzes spēka F _g lielumu aprēķina ar šādu izteiksmi:

- F _g ir centrbēdzes spēka lielums

- m ir objekta masa

- v ir ātrums

- R ir izliektā ceļa rādiuss.

Spēks ir vektors, tāpēc treknrakstu izmanto, lai to atšķirtu no lieluma, kas ir skalārs.

Vienmēr atcerieties, ka F _g parādās tikai tad, ja kustība tiek aprakstīta, izmantojot paātrinātu atskaites kadru.

Sākumā aprakstītajā piemērā vērpjošā automašīna ir paātrināta atsauce, jo tai ir nepieciešams paātrinājums pa centripetālu, lai tā varētu apgriezties.

Kā aprēķina centrbēdzes spēku?

Atsauces sistēmas izvēle ir būtiska kustības novērtēšanai. Paātrināts atskaites rāmis ir arī pazīstams kā neinerciāls rāmis.

Šāda veida sistēmās, piemēram, vērpjošā automašīnā, parādās fiktīvi spēki, piemēram, centrbēdzes spēks, kuru izcelsme nav reāla mijiedarbība starp objektiem. Pasažieris nevar pateikt, kas viņu izspiež no līkuma, viņš var tikai apstiprināt, ka tas tā ir.

No otras puses, inerciālā atskaites sistēmā mijiedarbība notiek starp reāliem objektiem, piemēram, kustīgu ķermeni un Zemi, kas rada svaru, vai starp ķermeni un virsmu, pa kuru tas pārvietojas, kas rodas berze un normāla.

Novērotājs, kas stāv ceļa malā un vēro, kā automašīna pagriež līkumu, ir labs inerciālās atskaites sistēmas piemērs. Šim novērotājam automašīna pagriežas, jo uz to iedarbojas spēks, kas vērsts uz līknes centru, un tas piespiež to neizkļūt no tā. Tas ir centimetrs spēks, ko rada berze starp riepām un ietvi.

Inerciālā atskaites rāmī centrbēdzes spēks neparādās. Tāpēc pirmais tā aprēķināšanas solis ir uzmanīgi jāizvēlas atskaites sistēma, kas tiks izmantota kustības aprakstīšanai.

Visbeidzot, jāatzīmē, ka inerciālajām atskaites sistēmām nav obligāti jābūt miera stāvoklī, piemēram, novērotājam, kurš vēro transportlīdzekli, pagriežot līkni. Inerciāls atskaites rāmis, kas pazīstams kā laboratorijas atskaites rāmis, var būt arī kustībā. Protams, ar nemainīgu ātrumu attiecībā pret inerciālo.

Brīva ķermeņa diagramma inerciālā un neinerciālā sistēmā

Nākamajā attēlā pa kreisi novērotājs O stāv un skatās uz O ', kurš atrodas uz platformas, kas rotē norādītajā virzienā. Attiecībā uz O, kas ir inerciāls rāmis, noteikti O 'tiek turēts rotējošā stāvoklī, jo centr Centrālais spēks F _c, ko rada režģa siena O' aizmugurē.

2. attēls. Cilvēks, kas stāv uz pagrieziena galda, ir redzams no divām dažādām atskaites sistēmām: viena ir fiksēta un otra, kas iet kopā ar personu. Avots: Física de Santillana.

Tikai inerciālos atskaites rāmjos ir piemērojams Ņūtona otrais likums, kas nosaka, ka tīrais spēks ir vienāds ar masas un paātrinājuma reizinājumu. To darot, parādot brīvā ķermeņa diagrammu, mēs iegūstam:

Līdzīgi attēlā labajā pusē ir arī brīva ķermeņa diagramma, kas apraksta to, ko redz novērotājs O '. Pēc viņa domām, viņš atrodas miera stāvoklī, tāpēc spēki uz viņu ir līdzsvaroti.

Šie spēki ir: parastais F , ko siena tam uzliek sarkanā krāsā un ir vērsts uz centru, un centrbēdzes spēks F _g, kas to izstumj uz āru un ko neizraisa nekāda mijiedarbība, ir neinerciāls spēks, kas parādās rotējošās atskaites sistēmās.

Centrbēdzes spēks ir fiktīvs, un to līdzsvaro reāls spēks, kontakts vai parasts spēks, kas norāda uz centru. Tādējādi:

Piemēri

Lai arī centrbēdzes spēku uzskata par pseido spēku, tā ietekme ir diezgan reāla, kā redzams šādos piemēros:

- Jebkurā vērpšanas spēlē atrakciju parkā ir centrbēdzes spēks. Viņa nodrošina, ka mēs “aizbēgam no centra” un piedāvā pastāvīgu pretestību, ja jūs mēģināt ieiet kustīgās karuseļa centrā. Šādā svārstā var redzēt centrbēdzes spēku:

- Koriolisa efekts rodas no Zemes rotācijas, kuras dēļ Zeme pārstāj būt inerciāls rāmis. Tad parādās Koriolisa spēks, kas ir pseido spēks, kas novirza objektus uz sāniem, kā tas notiek ar cilvēkiem, kuri mēģina staigāt pa pagrieziena galdu.

Vingrinājumi

1. vingrinājums

Automašīnai, pagriežot ar paātrinājumu A pa labi, no iekšējā atpakaļskata spoguļa karājas pildīta rotaļlieta. Uzzīmējiet un salīdziniet rotaļlietas brīvā ķermeņa diagrammas, kas redzamas no:

a) Uz ceļa stāvoša novērotāja inerciālais atskaites rāmis.

b) Pasažieris, kurš brauc ar automašīnu.

Risinājums

Novērotājs, kas stāv uz ceļa, pamana, ka rotaļlieta ātri pārvietojas, ar paātrinājumu A pa labi.

3. attēls. Brīvā ķermeņa diagramma 1.a vingrinājumam. Avots: F. Zapata.

Uz rotaļlietu iedarbojas divi spēki: no vienas puses, stieples stieples T un vertikālais svars uz leju W. Svars tiek līdzsvarots ar spriegojuma Tcosθ vertikālo komponentu, tāpēc:

Stresa horizontālā sastāvdaļa: T. sinθ ir nesabalansēts spēks, kas atbild par paātrinājumu uz labo pusi, tāpēc centripetālais spēks ir:

Risinājums b

Automašīnā esošajam pasažierim rotaļlieta karājas līdzsvarā, un diagramma ir šāda:

4. attēls. Brīvā ķermeņa diagramma 1.b vingrinājumam. Avots: F. Zapata.

Tāpat kā iepriekšējā gadījumā, sprieguma svars un vertikālā sastāvdaļa tiek kompensēti. Bet horizontālo komponentu līdzsvaro fiktīvais spēks F _g = mA, tā, ka:

2. vingrinājums

Monēta atrodas uz vecā vinila atskaņotāja malas, kuras rādiuss ir 15 cm un kura griežas ar ātrumu 33 apgriezieni minūtē. Izmantojot minimālo solidaritātes sistēmu ar monētu, atrodiet minimālo statiskās berzes koeficientu, kas nepieciešams monētas noturēšanai vietā.

Risinājums

Attēlā ir brīva ķermeņa diagramma novērotājam, kurš pārvietojas ar monētu. Normālo N ka Vinilplašu iedarbojas vertikāli uz augšu, ir balstīts uz svara W , bet centrbēdzes spēks F _g , tiek kompensēta ar statisko _berzes F _berzes .

5. attēls. Brīvā ķermeņa diagramma vingrinājumiem 2. Avots: F. Zapata.

Centrbēdzes spēka lielums ir mv ² / R, kā teikts sākumā, tad:

No otras puses, statisko berzes spēku rada:

Kur μ _s koeficients, statiskās berzes, bezdimensiju daudzums, kura vērtība ir atkarīga no tā, cik tās virsmas ir saskarē. Šis vienādojums tiek aizstāts ar:

Joprojām nav jānosaka normas lielums, kas ir saistīts ar svaru pēc N = mg. Aizstājot vēlreiz:

Atpakaļ pie paziņojuma tas ziņo, ka monēta griežas ar ātrumu 33 apgriezieniem minūtē, kas ir leņķiskais ātrums vai leņķa frekvence ω attiecībā uz lineāro ātrumu v:

Šī uzdevuma rezultāti būtu bijuši vienādi, ja būtu izvēlēts inerciālais atskaites rāmis. Šādā gadījumā vienīgais spēks, kas var izraisīt paātrinājumu virzienā uz centru, ir statiskā berze.

Lietojumprogrammas

Kā mēs jau teicām, centrbēdzes spēks ir fiktīvs spēks, kas neparādās inerciālos rāmjos, kas ir vienīgie, kuros ir spēkā Ņūtona likumi. Tajos centripetālais spēks ir atbildīgs par ķermeņa nodrošināšanu ar nepieciešamo paātrinājumu virzienā uz centru.

Centripetālais spēks neatšķiras no jau zināmajiem spēkiem. Tieši pretēji, tie ir tie, kas attiecīgā gadījumā spēlē centripetālo spēku lomu. Piemēram, smagums, kas Mēnesi rada orbītā ap Zemi, spriegojums virvē, pa kuru tiek pagriezts akmens, statiskā berze un elektrostatiskais spēks.

Tomēr, tā kā praksē ir daudz paātrinātu atskaites kadru, fiktīvajiem spēkiem ir ļoti reāla ietekme. Piemēram, šeit ir trīs svarīgi lietojumi, kuriem ir taustāma ietekme:

Centrifūgas

Centrifūgas ir instrumenti, ko plaši izmanto laboratorijā. Ideja ir panākt, lai vielu maisījums rotētu lielā ātrumā, un tām vielām, kurām ir lielāka masa, ir lielāks centrbēdzes spēks saskaņā ar sākumā aprakstīto vienādojumu.

Tad masīvākajām daļiņām būs tendence attālināties no rotācijas ass, tādējādi atdaloties no gaišākajām, kas paliks tuvāk centram.

Veļas mazgājamās mašīnas

Automātiskajiem mazgātājiem ir dažādi centrifūgas cikli. Tajās drēbes tiek centrifugētas, lai noņemtu atlikušo ūdeni. Jo lielāki ir cikla apgriezieni, jo mazāk drēbes būs mazgāšanas beigās.

Līkņu slīpums

Automašīnām ir labāk pagriezties uz ceļiem, jo ​​sliežu ceļš nedaudz sliecas uz līkuma centru, kas pazīstams kā slīpums. Šādā veidā automašīna nav pilnībā atkarīga no statiskās berzes starp riepām un ceļu, lai pabeigtu pagriezienu, neatstājot līkumu.

Atsauces

1. Acosta, Viktors. Didaktiskās rokasgrāmatas par centrbēdzes spēku izveidošana V klases 10. klases skolēniem. Saturs iegūts no: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Kustības likumi: apļveida kustība. Atgūts no: toppr.com.
3. Resniks, R. (1999). Fiziskā. 1. sēj., Spāņu valodā. Compañía Continental SA de CV
4. Hidalgo štata autonomā universitāte. Centrbēdzes spēks. Atgūts no: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Centrifūgas. Atgūts no: es.wikipedia.org.