Centrbēdzes spēks ir visuresošs mūsu ikdienas dzīvē, bet vai tas ir tas, kas, mūsuprāt, ir?
Mēs to piedzīvojam, apbraucot automašīnu ar stūri vai kad lidmašīna nogriežas pagriezienā. Mēs to redzam veļas mazgājamās mašīnas centrifūgas ciklā vai kad bērni brauc apkārt. Vienā dienā tas var pat radīt mākslīgu gravitāciju kosmosa kuģiem un kosmosa stacijām.
Bet centrbēdzes spēku bieži sajauc ar tā pretstatu, centripetālo spēku, jo tie ir tik cieši saistīti - būtībā vienas monētas divas puses.
Centripetālais spēks tiek definēts kā "spēks, kas nepieciešams, lai objekts kustētos pa izliektu ceļu, un kas ir vērsts uz iekšu virzienā uz rotācijas centru", savukārt centrbēdzes spēks tiek definēts kā "šķietamais spēks, ko izjūt objekts, kas pārvietojas izliektā ceļā, kas darbojas ārēji prom no rotācijas centra, "saskaņā ar Merriam Webster Dictionary.
Ņemiet vērā, ka, kamēr centripetālais spēks ir faktiskais spēks, centrbēdzes spēku definē kā šķietamo spēku. Citiem vārdiem sakot, vērpjot masu uz stīgas, virve uz masu iedarbojas uz Centripetal spēku, bet masa, šķiet, uz stīgu izliek centrbēdzes spēku uz āru.
"Atšķirība starp centripetālo un centrbēdzes spēku ir saistīta ar atšķirīgiem" atskaites rāmjiem ", tas ir, ar dažādiem viedokļiem, no kuriem jūs kaut ko mēra," sacīja Vašingtonas universitātes pētījuma fiziķis Endrjū A. Ganse. "Centripetālais spēks un centrbēdzes spēks patiešām ir tieši tāds pats spēks, tieši pretējos virzienos, jo tie ir pieredzēti no dažādiem atskaites punktiem."
Ja jūs novērojat rotējošu sistēmu no ārpuses, jūs redzat iekšēju centripetālu spēku, kas darbojas, lai ierobežotu rotējošo ķermeni apļveida virzienā. Tomēr, ja jūs esat daļa no rotējošās sistēmas, jūtat šķietamu centrbēdzes spēku, kas atstumj jūs no apļa centra, kaut arī patiesībā jūs jūtaties uz iekšu vērsts centripetālais spēks, kas neļauj burtiski iziet no pieskares. .
Spēki pakļaujas Ņūtona kustības likumiem
Šis šķietamais ārējais spēks ir aprakstīts Ņūtona kustības likumos. Ņūtona pirmais likums nosaka, ka "ķermenis miera stāvoklī paliks miera stāvoklī, un ķermenis kustībā paliks kustībā, ja vien uz to nedarbosies ārējs spēks".
Ja masīvs ķermenis pārvietojas pa telpu taisnā līnijā, tā inerce liks tam turpināties taisnā līnijā, ja vien kāds ārējs spēks neliek tam paātrināties, palēnināties vai mainīt virzienu. Lai tas varētu sekot riņķveida ceļam, nemainot ātrumu, tā ceļam taisnā leņķī jāpieliek nepārtraukts centripetālais spēks. Šī apļa rādiuss (r) ir vienāds ar masu (m), kas reizināta ar ātruma kvadrātu (v), dalīts ar centimetra spēku (F), vai r = mv ^ 2 / F. Spēku var aprēķināt, vienkārši pārkārtojot vienādojumu, F = mv ^ 2 / r.
Ņūtona trešais likums nosaka, ka "katrai darbībai ir vienāda un pretēja reakcija". Tāpat kā gravitācija liek jums pielikt spēku uz zemes, šķiet, ka zeme uz jūsu kājām rada vienlīdzīgu un pretēju spēku. Atrodoties automašīnā ar paātrinājumu, sēdeklis uz jums ievirza priekšu, tāpat kā jūs, šķiet, uz sēdekli iedarbojas atpakaļ.
Rotējošas sistēmas gadījumā centripetālais spēks pievelk masu uz iekšu, lai sekotu izliektam ceļam, savukārt masa, šķiet, virzās uz āru tās inerces dēļ. Tomēr katrā no šiem gadījumiem tiek piemērots tikai viens reālais spēks, bet otrs ir tikai acīmredzams spēks.
Centripetāla spēka piemēri darbībā
Ir daudz lietojumu, kas izmanto centripetālo spēku. Viens ir simulēt kosmosa palaišanas paātrinājumu astronautu apmācībai. Pirmoreiz palaižot raķeti, tā ir tik piepildīta ar degvielu un oksidētāju, ka tik tikko var pārvietoties. Tomēr, pieaugot, tas sadedzina degvielu ar milzīgu ātrumu, nepārtraukti zaudējot masu. Ņūtona otrais likums nosaka, ka spēks ir vienāds ar masas reizinājumu ar paātrinājumu vai F = ma.
Vairumā situāciju masa paliek nemainīga. Tomēr ar raķeti tās masa krasi mainās, kamēr spēks, šajā gadījumā raķešu motoru vilces spēks, gandrīz nemainās. Tas izraisa to, ka paātrinājums līdz pastiprināšanas fāzes beigām palielinās līdz vairākām reizēm nekā normālā smaguma pakāpe. NASA izmanto lielas centrifūgas, lai sagatavotu astronautus šim galējam paātrinājumam. Šajā pielietojumā centripetālo spēku nodrošina sēdekļa atzveltne, spiežot uz iekšu astronautu.
Vēl viens centripetāla spēka pielietošanas piemērs ir laboratorijas centrifūga, ko izmanto, lai paātrinātu šķidrumā suspendēto daļiņu izgulsnēšanos. Viens no šīs tehnoloģijas paņēmieniem ir asins paraugu sagatavošana analīzei. Saskaņā ar Rīza universitātes tīmekļa vietni Experimental Biosciences, "Unikālā asiņu struktūra ļauj ļoti viegli atdalīt sarkanās asins šūnas no plazmas un pārējos veidotos elementus ar diferencētu centrifugēšanu."
Normālā smaguma spēka ietekmē termiska kustība izraisa nepārtrauktu sajaukšanos, kas neļauj asins šūnām izdalīties no visa asins parauga. Tomēr tipiska centrifūga var sasniegt paātrinājumus, kas ir no 600 līdz 2000 reižu lielāki nekā normāla smaguma spēks. Tas piespiež smagos sarkanos asinsķermenīšus nogulsnēties apakšā un stratificē dažādas šķīduma sastāvdaļas slāņos atbilstoši to blīvumam.
Šo rakstu 2019. gada 10. maijā atjaunināja Live Science līdzautore Dženifera Lemana.
