A centripetal erő meghatározása: az erő egy testre hatva, amely körkörös úton halad, és amely a test körül mozgó központja felé irányul. A kifejezés a latin szavakból származik centrum a "központ" és a petere, vagyis "keresni".
A centripetal erőt tekinthetjük a középpontbeli erõnek. Iránya merőleges (derékszögben) a test mozgásával szemben, a test útjának görbületének központja felé. A centripetal erő megváltoztatja az objektum mozgásának irányát anélkül, hogy megváltoztatná annak mozgását sebesség.
Kulcsfontosságú elvihetőségek: Centripetal Force
- A centripetalális erő egy olyan testre ható erő, amely egy körben mozog, amely befelé mutat annak a pontnak a felé, amelyben a tárgy mozog.
- Az ellenkező irányú erőt, amely a forgás középpontjától kifelé mutat, centrifugális erőnek nevezzük.
- Forgó test esetén a centripetalális és a centrifugális erő nagyságrendben azonos, de irányba ellentétes.
A centripetal és a centrifugális erő közötti különbség
Miközben a centripetalális erő a testet a forgáspontja közepe felé vonzza, addig a centrifugális erő ("központból menekülő" erő) elmozdul a központtól.
Szerint Newton első törvényéhez"egy nyugalmi test nyugalomban marad, míg a mozgásban lévő test mozgásban marad, kivéve, ha egy külső erő befolyásolja." Ban ben Más szavakkal, ha egy tárgyra ható erők kiegyensúlyozottak, akkor a tárgy továbbra is folyamatosan mozog, ha nem gyorsulás.
A centripetalális erő lehetővé teszi a test számára, hogy egy kör alakú pályát kövessen anélkül, hogy érintőjén elrepülne, és folyamatosan merőlegesen halad az útjára. Ilyen módon a tárgyra hat, mint a Newton első törvényében szereplő erők egyikére, megőrizve ezzel a tárgy tehetetlenségét.
Newton második törvénye alkalmazandó a centripetal erő követelmény, amely azt mondja, hogy ha egy tárgy körben mozog, akkor az rá ható háló erőnek befelé kell lennie. Newton második törvénye szerint a gyorsulásra kerülő tárgy nettó erőn megy keresztül, a nettó erő iránya megegyezik a gyorsulás irányával. Egy körben mozgó tárgy esetén a centrifugális erő ellensúlyozására a centripetális erőnek (nettó erő) kell lennie.
A forgó referenciakereten álló álló tárgy szempontjából (például egy lengőhelyen ülve) a centripetal és a centrifugális nagyságrendje megegyezik, de irányukkal ellentétes. A centripetalális erő a mozgásban lévő testre hat, míg a centrifugális erő nem. Ezért a centrifugális erőt néha "virtuális" erőnek nevezik.
Hogyan lehet kiszámítani a centripetális erőt?
A centripetalus erő matematikai ábrázolását Christiaan Huygens holland fizikus 1659-ben derítette ki. Állandó sebességgel körkörös úton haladó testnél a kör sugara (r) megegyezik a test tömegével (m), a a sebesség v. osztva a centripetális erővel (F):
r = mv2/ F
Az egyenlet átrendezhető a centripetalális erő megoldására:
F = mv2/ r
Fontos szempont, amelyet az egyenletből meg kell jegyezni, hogy a centripetalális erő arányos a sebesség négyzetével. Ez azt jelenti, hogy egy tárgy sebességének megkétszerezésére a centripetális erő négyszeresére van szükség, hogy az objektum körben mozogjon. Ennek gyakorlati példája látszik, ha éles kanyart veszünk egy autóval. Itt a súrlódás az egyetlen erő, amely a jármű gumiabroncsait úton tartja. A sebesség növekedése jelentősen növeli az erőt, így a csúszás valószínűbb.
Vegye figyelembe azt is, hogy a centripetal erő kiszámítása feltételezi, hogy semmilyen további erő nem hat a tárgyra.
Centripetal gyorsulási képlet
Egy másik általános számítás a centripetalális gyorsulás, amely a sebesség változása és az időbeli változás. A gyorsulás a sebesség négyzetét osztva a kör sugárral:
Δv / Δt = a = v2/ r
A centripetal erő gyakorlati alkalmazása
A centripetalális erő klasszikus példája az az eset, amikor egy tárgyat egy kötélen láncolnak. Itt a kötél feszültsége a centripetalális "húzó" erőt szolgáltatja.
A centripetal erő a "push" erő egy Wall of Death motorkerékpár-versenyző esetén.
A centripetal erőt használják laboratóriumi centrifugákhoz. Itt a folyadékban szuszpendált részecskéket gyorsító csövek választják el a folyadéktól úgy vannak orientálva, hogy a nehezebb részecskék (azaz nagyobb tömegű tárgyak) a test alja felé húzódjanak csövek. Míg a centrifugálás általában elválasztja a szilárd anyagokat a folyadékoktól, frakcionálhatják a folyadékokat, mint a vérmintákban, vagy a gázok különálló alkotóelemeit.
Gázcentrifugákat használnak a nehezebb urán-238 izotóp és a könnyebb urán-235 izotóp elválasztására. A nehezebb izotópot a forgó henger külső része felé húzzák. A nehéz frakciót megcsapoljuk és egy másik centrifugába visszük. A folyamatot addig ismételjük, amíg a gáz megfelelő mértékben "dúsul".
Folyékony tükör-teleszkóp (LMT) készülhet egy fényvisszaverő forgatásával folyékony fém, mint például a higany. A tükör felülete paraboloid formát vesz fel, mivel a centripetalális erő a sebesség négyzetétől függ. Emiatt a forgó folyékony fém magassága arányos a közepétől való távolság négyzetével. A forgó folyadékok által feltételezett érdekes alak megfigyelhető egy vödör víz állandó forgatásával.