Odstredivá sila je všadeprítomná v našom každodennom živote, ale myslíme si, že je to tak?
Zažívame to, keď obchádzame roh v aute alebo keď sa letún otočí. Vidíme to v odstredivom cykle práčky alebo keď deti jazdia na kolotoči. Jedného dňa môže dokonca poskytnúť umelú gravitáciu pre vesmírne lode a vesmírne stanice.
Odstredivá sila je však často zamieňaná s jej náprotivkom, strednou silou, pretože sú tak úzko spojené - v zásade dve strany tej istej mince.
Odstredivá sila je definovaná ako „sila, ktorá je potrebná na to, aby sa predmet pohyboval v zakrivenej dráhe a ktorá je nasmerovaná dovnútra smerom k stredu rotácie,“ zatiaľ čo odstredivá sila je definovaná ako „zdanlivá sila, ktorú pociťuje pohybujúci sa objekt v zakrivenej ceste, ktorá pôsobí smerom von od stredu rotácie, “uvádza Merriam Webster Dictionary.
Všimnite si, že zatiaľ čo stredová sila je skutočná sila, odstredivá sila je definovaná ako zdanlivá sila. Inými slovami, keď sa krúti hmota na provázku, struna pôsobí na hmlu dovnútra odstredivú silu, zatiaľ čo sa zdá, že hmota pôsobí na strunu smerom von.
„Rozdiel medzi centripetálnymi a odstredivými silami súvisí s rôznymi„ referenčnými rámcami “, tj rôznymi pohľadmi, z ktorých niečo meriate,“ uviedol Andrew A. Ganse, výskumný fyzik na Washingtonskej univerzite. „Odstredivá sila a odstredivá sila sú skutočne rovnakou silou, práve v opačných smeroch, pretože sú zakúšané z rôznych referenčných rámcov.“
Ak pozorujete zvonku rotujúci systém, vidíte vnútornú stredovú silu, ktorá obmedzuje rotujúce teleso na kruhovú cestu. Ak ste však súčasťou rotačného systému, objavíte očividnú odstredivú silu, ktorá vás tlačí preč od stredu kruhu, aj keď to, čo skutočne cítite, je vnútorná centripetálna sila, ktorá vám bráni doslova ísť na dotyčnicu ,
Sily dodržiavajú Newtonove zákony pohybu
Táto zjavná vonkajšia sila je opísaná Newtonovými zákonmi o pohybe. Newtonov prvý zákon uvádza, že „telo v pokoji zostane v pokoji a telo v pohybe zostane v pohybe, pokiaľ naň nebude pôsobiť vonkajšia sila“.
Ak sa masívne telo pohybuje v priestore priamkou, jeho zotrvačnosť spôsobí jeho pokračovanie v priamke, pokiaľ vonkajšia sila nespôsobí jeho zrýchlenie, spomalenie alebo zmenu smeru. Aby mohla nasledovať kruhová dráha bez zmeny rýchlosti, musí sa na ňu pôsobiť v pravom uhle súvislou stredovou silou. Polomer (r) tejto kružnice sa rovná hmotnosti (m) násobenej druhej mocnine rýchlosti (v) delenej strednou silou (F) alebo r = mv ^ 2 / F. Sila sa môže vypočítať jednoduchým usporiadaním rovnice, F = mv ^ 2 / r.
Newtonov tretí zákon uvádza, že „pre každú akciu existuje rovnaká a opačná reakcia.“ Rovnako ako gravitácia spôsobuje, že vyvíjate silu na zem, zdá sa, že zem pôsobí rovnakou a opačnou silou na vaše chodidlá. Ak ste v zrýchľovacom aute, sedadlo na vás vyvíja prednú silu tak, ako sa zdá, že na sedadlo pôsobí spätnou silou.
V prípade rotačného systému, dostredivá sila ťahá hmotu dovnútra, aby sledovala zakrivenú dráhu, zatiaľ čo sa zdá, že hmota tlačí smerom von kvôli svojej zotrvačnosti. V každom z týchto prípadov je však použitá iba jedna skutočná sila, zatiaľ čo druhá je iba zdanlivá sila.
Príklady centripetálnej sily v akcii
Existuje mnoho aplikácií, ktoré využívajú centripetálnu silu. Jedným z nich je simulovať zrýchlenie štartu kozmického priestoru pre výcvik astronautov. Pri prvom uvedení rakety je palivo natankované na palivo a oxidačné činidlo, takže sa sotva môže hýbať. Avšak s tým, ako stúpa, spaľuje palivo obrovskou rýchlosťou a neustále stráca hmotu. Newtonov druhý zákon uvádza, že sila sa rovná hromadnému zrýchleniu alebo F = ma.
Vo väčšine prípadov zostáva hmotnosť konštantná. Pri rakete sa však jej hmotnosť drasticky mení, zatiaľ čo sila, v tomto prípade sila raketových motorov, zostáva takmer konštantná. To spôsobí, že zrýchlenie na konci podpornej fázy sa niekoľkonásobne zvýši oproti normálnej gravitácii. NASA používa veľké odstredivky na prípravu astronautov na toto extrémne zrýchlenie. Pri tejto aplikácii je stredová sila zabezpečená operadlom sedadla, ktoré tlačí dovnútra na astronaut.
Iným príkladom použitia centripetálnej sily je laboratórna odstredivka, ktorá sa používa na urýchlenie zrážania častíc suspendovaných v kvapaline. Jedným z bežných spôsobov použitia tejto technológie je príprava vzoriek krvi na analýzu. Podľa webovej stránky Experimentálnej biologickej vedy Rice University: „Vďaka jedinečnej štruktúre krvi je veľmi ľahké separovať červené krvinky od plazmy a ostatných vytvorených prvkov diferenciálnym odstredením.“
Pri normálnej gravitačnej sile spôsobuje tepelný pohyb nepretržité miešanie, ktoré bráni usadeniu krvných buniek z celej vzorky krvi. Typická odstredivka však môže dosiahnuť zrýchlenie, ktoré je 600 až 2 000-krát vyššie ako pri normálnej gravitácii. To núti ťažké červené krvinky usadiť sa na dne a rozvrstviť rôzne zložky roztoku do vrstiev podľa ich hustoty.
Tento článok bol aktualizovaný 10. mája 2019 autorom živej vedy, Jennifer Leman.
