ODSTREDIVÁ SILA: VZORCE, AKO SA POČÍTA, PRÍKLADY, CVIČENIA - FYZICKÝ - 2025

Odstredivá sila má tendenciu tlačiť z rotačných telies berú krivku. Považuje sa za fiktívnu silu, pseudo silu alebo zotrvačnú silu, pretože nie je spôsobená interakciami medzi skutočnými objektmi, ale je prejavom zotrvačnosti telies. Zotrvačnosť je vlastnosť, ktorá spôsobuje, že objekty si chcú zachovať svoj pokojový stav alebo rovnomerný priamočiary pohyb, ak ich majú.

Termín „odstredivá sila“ bol vytvorený vedcom Christianom Huygensom (1629 - 1695). Tvrdil, že zakrivený pohyb planét by ich mal tendenciu vzdialiť sa, pokiaľ Slnko nevyvinie nejakú silu, aby ich zadržalo, a vypočítal, že táto sila je úmerná druhej mocnine rýchlosti a nepriamo úmerná polomeru opísaného obvodu.

Obrázok 1. Pri jazde v zákrute cestujúci pociťujú silu, ktorá ich má tendenciu vytiahnuť. Zdroj: Libreshot.

Pre tých, ktorí cestujú autom, nie je odstredivá sila vôbec vymyslená. Cestujúci v aute otáčajúcom sa doprava sa cítia tlačení doľava a naopak, keď sa vozidlo otočí doľava, ľudia zažijú silu smerom doprava, ktorá sa zdá, že ich chce presunúť preč od stredu oblúka.

Veľkosť odstredivej sily F _g sa vypočíta podľa nasledujúcej rovnice:

- F _g je veľkosť odstredivej sily

- m je hmotnosť objektu

- v je rýchlosť

- R je polomer zakrivenej cesty.

Sila je vektor, preto sa tučné písmo používa na rozlíšenie od jeho veľkosti, ktorá je skalárna.

Vždy na pamäti, že F _g sa objaví len vtedy, keď je pohyb popísaný pomocou zrýchlenou referenčnej snímku.

V príklade opísanom na začiatku predstavuje spriadací vozík zrýchlenú referenciu, pretože vyžaduje centripetálne zrýchlenie, aby sa mohlo otáčať.

Ako sa počíta odstredivá sila?

Výber referenčného systému je nevyhnutný na zhodnotenie pohybu. Zrýchlený referenčný rámec je tiež známy ako neinerciálny rámec.

V tomto type systému, ako je točiaci sa automobil, sa objavujú fiktívne sily, ako napríklad odstredivá sila, ktorej pôvod nie je skutočnou interakciou medzi objektmi. Cestujúci nemôže povedať, čo ho tlačí z oblúka, môže iba potvrdiť, že je to tak.

Na druhej strane v inerciálnom referenčnom systéme dochádza k interakciám medzi skutočnými objektmi, ako je napríklad pohybujúce sa telo a Zem, ktoré spôsobujú váhu, alebo medzi telom a povrchom, na ktorom sa pohybuje, ktoré pochádzajú trenie a normálne.

Dobrým príkladom zotrvačného referenčného systému je pozorovateľ stojaci na boku cesty a sledujúci, ako sa krivka otáča. Pre tohto pozorovateľa sa vozidlo otáča, pretože na neho pôsobí sila smerovaná do stredu oblúka, ktorá ho núti sa z neho dostať. Toto je stredová sila vyvolaná trením medzi pneumatikami a vozovkou.

V inerciálnom referenčnom rámci sa odstredivá sila neobjaví. Preto prvým krokom pri výpočte je starostlivo zvoliť referenčný systém, ktorý sa použije na opis pohybu.

Nakoniec treba poznamenať, že inerciálne referenčné systémy nemusia byť nevyhnutne v pokoji, pretože pozorovateľ sledujúci vozidlo otáča krivkou. Injekčný referenčný rámec, známy ako laboratórny referenčný rámec, sa môže tiež pohybovať. Samozrejme s konštantnou rýchlosťou vzhľadom na zotrvačnú rýchlosť.

Schéma voľného tela v inerciálnom a inerciálnom systéme

Na nasledujúcom obrázku vľavo stojí pozorovateľ O a pozerá sa na O ', ktorý je na plošine, ktorá sa otáča naznačeným smerom. Pre o, čo je inerciálnej rám, určite O, sa udržuje otáčanie vzhľadom k dostredivé sily F _c vyrobené steny mriežky na zadnej strane O '.

Obrázok 2. Na osobu, ktorá stojí na gramofóne, sa nachádzajú dva rôzne referenčné systémy: jeden pevný a druhý, ktorý ide s danou osobou. Zdroj: Física de Santillana.

Iba v inerciálnych referenčných rámcoch je platné uplatňovať Newtonov druhý zákon, ktorý uvádza, že čistá sila sa rovná súčinu hmotnosti a zrýchlenia. A keď tak urobíme, so zobrazeným diagramom voľného tela, dostaneme:

Podobne na obrázku vpravo je tiež schéma voľného tela, ktorá popisuje to, čo vidí O 'pozorovateľ. Z jeho pohľadu je v pokoji, preto sú sily na neho vyvážené.

Tieto sily sú: normálny F , ktorý stenové pôsobí na neho, v červenej a obrátená smerom k stredu a odstredivej sily F _g , ktorá tlačí smerom von a ktorá nie je vznikla akúkoľvek interakciu, je non-zotrvačná sila, ktorá sa objavuje v rotujúcich referenčných systémoch.

Odstredivá sila je fiktívna, je vyvážená skutočnou silou, dotykom alebo normálnou silou, ktorá smeruje do stredu. teda:

Príklady

Aj keď sa odstredivá sila považuje za pseudosilu, jej účinky sú celkom reálne, ako je zrejmé z nasledujúcich príkladov:

- V akejkoľvek spriadacej hre v zábavnom parku sú prítomné odstredivé sily. Zaisťuje, že „utekáme z centra“ a ponúka neustály odpor, ak sa pokúsite vstúpiť do stredu pohyblivého karuselu. V nasledujúcom kyvadle vidíte odstredivú silu:

- Coriolisov efekt vzniká z rotácie Zeme, čo spôsobuje, že Zem sa zastaví ako zotrvačný rámec. Potom sa objaví Coriolisova sila, ktorá je pseudo-silou, ktorá priečne odchyľuje objekty, rovnako ako ľudia, ktorí sa snažia chodiť po gramofóne.

cvičenie

Cvičenie 1

Auto otáčajúce sa so zrýchlením A napravo má vypchatú hračku visiacu z vnútorného spätného zrkadla. Nakreslite a porovnajte diagramy voľného tela hračky z:

a) Zotrvačný referenčný rámec pozorovateľa, ktorý stojí na ceste.

b) Cestujúci v aute.

Riešenie

Pozorovateľ, ktorý stojí na ceste, si všimne, že sa hračka rýchlo pohybuje, so zrýchlením A doprava.

Obrázok 3. Schéma voľného tela na cvičenie 1a. Zdroj: F. Zapata.

Na hračku pôsobia dve sily: na jednej strane napätie v provázku T a vertikálna hmotnosť dole W. Hmotnosť je vyvážená s vertikálnou zložkou napätia Tcosθ, a preto:

Horizontálna zložka stresu: T. sinθ je nevyvážená sila zodpovedná za zrýchlenie doprava, preto stredová sila je:

Riešenie b

Pre cestujúceho v aute je hračka v rovnováhe a schéma je nasledovná:

Obrázok 4. Schéma voľného tela pre cvičenie 1b. Zdroj: F. Zapata.

Rovnako ako v predchádzajúcom prípade sa kompenzuje hmotnosť a vertikálna zložka napätia. Ale vodorovná zložka je dané fiktívna sily F _g = mA tak, že:

Cvičenie 2

Mince je na okraji starého vinylového gramofónu, ktorého polomer je 15 cm a otáča sa rýchlosťou 33 otáčok za minútu. Nájdite minimálny koeficient statického trenia potrebný na to, aby mince zostala na svojom mieste, pomocou rámca referenčnej solidarity s mincou.

Riešenie

Na obrázku je schéma voľného tela pre pozorovateľa pohybujúceho sa s mincou. Normálne N , že otočný tanier sa pôsobí vo zvislom smere nahor je dané hmotnosti W , zatiaľ čo odstredivá sila F _g je kompenzovaný statického _trenia F _trenie .

Obrázok 5. Schéma voľného tela na cvičenie 2. Zdroj: F. Zapata.

Ako je uvedené na začiatku, veľkosť odstredivej sily je mv ² / R, potom:

Na druhej strane statická trecia sila je daná:

Kde μ _s je koeficient statického trenia, bezrozmerná veličina, ktorej hodnota je závislá na tom, ako sú plochy v kontakte. Nahrádza túto rovnicu:

Veľkosť normálu zostáva, ktorá sa má určiť, ktorá súvisí s hmotnosťou podľa N = mg. Zastupovanie:

Vráťte sa k výroku a uvádza, že sa minca otáča rýchlosťou 33 otáčok za minútu, čo je uhlová rýchlosť alebo uhlová frekvencia co, vzťahujúca sa na lineárnu rýchlosť v:

Výsledky tohto cvičenia by boli rovnaké, ak by sa vybral inerciálny referenčný rámec. V takom prípade je jedinou silou, ktorá môže spôsobiť zrýchlenie smerom k stredu, statické trenie.

aplikácia

Ako sme už povedali, odstredivá sila je fiktívna sila, ktorá sa neobjavuje v inerciálnych rámcoch, ktoré sú jediné, v ktorých platia Newtonove zákony. V nich je centripetálna sila zodpovedná za zabezpečenie potrebného zrýchlenia tela smerom k stredu.

Centipetálna sila sa nelíši od síl známych. Práve naopak, práve v prípade potreby zohrávajú úlohu centripetálnych síl. Napríklad gravitácia, ktorá spôsobuje obežnú dráhu Mesiaca okolo Zeme, napätie v lane, ktorým sa kameň otáča, statické trenie a elektrostatická sila.

Avšak ako sa v praxi vyskytujú zrýchlené referenčné rámce, fiktívne sily majú veľmi reálne účinky. Tu sú napríklad tri dôležité aplikácie, ktoré majú hmatateľné účinky:

odstredivky

Odstredivky sú prístroje, ktoré sa v laboratóriu bežne používajú. Cieľom je, aby zmes látok rotovala vysokou rýchlosťou a látky s väčšou hmotnosťou mali väčšiu odstredivú silu podľa rovnice opísanej na začiatku.

Najhmotnejšie častice budú potom mať tendenciu vzdialiť sa od osi otáčania, a budú tak oddelené od ľahších častíc, ktoré zostanú bližšie k stredu.

Práčky

Automatické podložky majú rôzne cykly odstreďovania. V nich sa odev odstredí, aby sa odstránila zvyšná voda. Čím vyššie sú otáčky cyklu, tým menej oblečenia bude na konci prania.

Prevýšenie kriviek

Autá lepšie jazdia v zákrutách, pretože trať sa mierne stúpa smerom do stredu oblúka, známa ako prevýšenie. Týmto spôsobom vozidlo nezávisí výlučne od statického trenia medzi pneumatikami a vozovkou na dokončenie zákruty bez opustenia zákruty.

Referencie

1. Acosta, Victor. Konštrukcia didaktického sprievodcu o odstredivých silách pre študentov v 10. ročníku cyklu.
2. Toppr. Zákony o pohybe: Kruhový pohyb. Obnovené z: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fyzický. Zväzok 1. 3. vydanie, španielčina. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Autonómna univerzita štátu Hidalgo. Odstredivá sila. Získané z: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Odstredivky. Obnovené z: es.wikipedia.org.