Hva er Centripetal Force? Definisjon og ligninger

Centripetal kraft er definert som kraften som virker på et legeme som beveger seg i en sirkulær bane som er rettet mot sentrum som kroppen beveger seg rundt. Begrepet kommer fra de latinske ordene centrum for "sentrum" og petere, som betyr "å søke."

Centripetal kraft kan betraktes som den sentrumssøkende styrken. Retningen er ortogonal (i rett vinkel) til kroppens bevegelse i retningen mot krumningssentrum av kroppens bane. Centripetal kraft endrer retningen på et objekts bevegelse uten å endre den hastighet.

Key Takeaways: Centripetal Force

  • Centripetal kraft er kraften på et legeme som beveger seg i en sirkel som peker innover mot det punktet objektet beveger seg rundt.
  • Kraften i motsatt retning, som peker utover fra rotasjonssenteret, kalles sentrifugalkraft.
  • For et roterende legeme er sentripetale og sentrifugalkrefter like store i størrelse, men motsatt i retning.

Forskjell mellom centripetal og sentrifugalkraft

Mens sentripetalkraft virker for å trekke et legeme mot midten av rotasjonspunktet, skyver sentrifugalkraften ("sentrumsflyktende" kraft) bort fra sentrum.

instagram viewer

I henhold til Newtons første lov, "et legeme i ro vil forbli i ro, mens et legeme i bevegelse vil forbli i bevegelse med mindre det utøves av en ytre kraft." I med andre ord, hvis kreftene som virker på et objekt er balansert, vil gjenstanden fortsette å bevege seg i et jevnt tempo uten akselerasjon.

Den sentripetale kraften gjør at kroppen kan følge en sirkulær bane uten å fly av ved en tangens ved kontinuerlig å handle i rett vinkel mot banen. På denne måten handler den mot objektet som en av kreftene i Newtons første lov, og holder dermed gjenstandens treghet.

Newtons andre lov gjelder også når det gjelder krav til centripetal kraft, som sier at hvis et objekt er å bevege seg i en sirkel, må nettokraften som virker på den være innad. Newtons Second Law sier at en gjenstand som akselereres gjennomgår en nettokraft, med retningen til nettkraften den samme som akselerasjonsretningen. For en gjenstand som beveger seg i en sirkel, må sentripetalkraften (nettokraften) være til stede for å motvirke sentrifugalkraften.

Fra et stasjonært gjenstands synspunkt på den roterende referanserammen (f.eks. Et sete på en sving), er sentripetalen og sentrifugalen like i størrelse, men motsatt i retning. Den sentripetale kraften virker på kroppen i bevegelse, mens sentrifugalkraften ikke gjør det. Av denne grunn kalles sentrifugalkraft noen ganger en "virtuell" styrke.

Hvordan beregne Centripetal Force

Den matematiske representasjonen av centripetal kraft ble avledet av den nederlandske fysikeren Christiaan Huygens i 1659. For et legeme som følger en sirkulær bane med konstant hastighet, tilsvarer sirkelen (r) radius massen til kroppen (m) ganger kvadratet av hastigheten (v) delt med centripetalkraften (F):

r = mv2/ F

Ligningen kan omorganiseres for å løse for centripetal kraft:

F = mv2/ r

Et viktig poeng du bør merke deg fra ligningen er at centripetalkraft er proporsjonal med hastighetskvadratet. Dette betyr at dobling av hastigheten til et objekt trenger fire ganger centripetalkraften for å holde gjenstanden i bevegelse i en sirkel. Et praktisk eksempel på dette sees når du tar en skarp kurve med en bil. Her er friksjon den eneste kraften som holder kjøretøyets dekk på veien. Å øke hastigheten øker kraften kraftig, så en skrens blir mer sannsynlig.

Legg også merke til at beregningen av centripetalkraften forutsetter at det ikke virker ytterligere krefter på objektet.

Centripetal akselerasjonsformel

En annen vanlig beregning er centripetal akselerasjon, som er endringen i hastighet delt på tidens endring. Akselerasjon er hastighetskvadratet delt med sirkelens radius:

Δv / Δt = a = v2/ r

Praktiske anvendelser av Centripetal Force

Det klassiske eksemplet på centripetal kraft er tilfelle av en gjenstand som blir svingt på et tau. Her forsyner spenningen på tauet den centripetal "trekk" -kraften.

Centripetal force er "push" -kraften i tilfelle av en motorsykkelrytter Wall of Death.

Centripetal kraft brukes til laboratoriesentrifuger. Her blir partikler som er suspendert i en væske separert fra væsken ved å akselerere rør orientert slik at de tyngre partikler (dvs. gjenstander med høyere masse) blir trukket mot bunnen av rør. Mens sentrifuger ofte skiller faste stoffer fra væsker, kan de også fraksjonere væsker, som i blodprøver, eller skille komponenter av gasser.

Gasssentrifuger brukes til å skille den tyngre isotop uran-238 fra den lettere isotopen uran-235. Den tyngre isotopen trekkes mot utsiden av en spinnesylinder. Den tunge fraksjonen tappes og sendes til en annen sentrifuge. Prosessen gjentas til gassen er tilstrekkelig "beriket."

Et flytende speilteleskop (LMT) kan lages ved å dreie en refleks væske metall, som kvikksølv. Speiloverflaten har en paraboloid form fordi centripetalkraften avhenger av kvadratet til hastigheten. På grunn av dette er høyden på det roterende flytende metallet proporsjonalt med kvadratet med avstanden fra midten. Den interessante formen antatt ved å spinne væsker kan observeres ved å snurre en bøtte med vann med konstant hastighet.