Centripetal voima määritellään voima vaikuttaen vartaloon, joka liikkuu pyöreällä polulla, joka on suunnattu kohti keskustaa, jota vartalo liikkuu. Termi tulee latinalaisista sanoista centrum "keskusta" ja petere, joka tarkoittaa "etsiä".
Centripetal-voimaa voidaan pitää keskustavoimana. Sen suunta on ortogonaalinen (suorassa kulmassa) vartalon liikkeen suuntaan kohti kehon polun kaarevuuskeskusta. Centripetal-voima muuttaa kohteen liikkeen suuntaa muuttamatta sitä nopeus.
Tärkeimmät takeaways: Centripetal Force
- Centripetal-voima on kehossa liikkuva voima, joka liikkuu ympyrässä, joka osoittaa sisäänpäin kohti pistettä, jonka ympärillä esine liikkuu.
- Vastakkaiseen suuntaan suuntautuvaa voimaa, joka osoittaa ulospäin pyörimiskeskuksesta, kutsutaan keskipakoisvoimaksi.
- Pyörivän rungon kohdalla centripetaaliset ja keskipakoisvoimat ovat suuruudeltaan tasaiset, mutta suunnan vastakkaiset.
Ero Centripetal ja keskipakoisvoimat
Vaikka centripetaalivoima toimii kehon vetämiseksi kohti pyörimispisteen keskustaa, keskipakoisvoima ("keskustasta pakeneva" voima) työntyy pois keskustasta.
mukaan Newtonin ensimmäiseen lakiin, "levossa oleva keho pysyy levossa, kun taas liikkeessä oleva keho pysyy liikkeessä, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa." Sisään toisin sanoen, jos esineeseen vaikuttavat voimat ovat tasapainossa, esine jatkaa liikkumista tasaisessa tahdissa ilman kiihtyvyys.
Centripetaalivoima sallii kehon seurata pyöreää polkua lentämättä tangenttia kohden toimimalla jatkuvasti suorassa kulmassa polkuunsa. Tällä tavalla se vaikuttaa esineeseen yhtenä Newtonin ensimmäisen lain voimista, pitäen siten esineen hitauden.
Newtonin toinen laki pätee myös centripetal voimavaatimus, joka sanoo, että jos esineen tulee liikkua ympyrässä, siihen vaikuttavan nettovoiman on oltava sisäänpäin. Newtonin toisessa laissa sanotaan, että kiihtyvällä esineellä tapahtuu nettovoima, jonka nettovoiman suunta on sama kuin kiihtyvyyden suunta. Ympyrässä liikkuvalla esineellä keskipakovoiman (nettovoiman) on oltava läsnä keskipakoisvoiman vastaamiseksi.
Pyörivän viitekehyksen (esimerkiksi istuin keikalla) olevan paikallaan olevan esineen näkökulmasta katsottuna keskisiipi ja keskipako ovat samansuuruisia, mutta suunnan vastakkaisia. Keskisuuntainen voima vaikuttaa kehoon liikkeessä, kun taas keskipakoisvoima ei. Tästä syystä keskipakoisvoimaa kutsutaan joskus "virtuaaliseksi" voimaksi.
Kuinka laskea centripetaalivoima
Centripetaalivoiman matemaattinen esitys on johdettu hollantilaiselta fyysiköltä Christiaan Huygensilta vuonna 1659. Keholla, joka seuraa pyöreää polkua vakionopeudella, ympyrän säde (r) on yhtä suuri kuin ruumiin massa (m) ja ruudun neliö nopeus v) jaettuna centripetaalivoimalla (F):
r = mv2/ F
Yhtälö voidaan järjestää uudelleen ratkaisemaan keskisuuntainen voima:
F = mv2/ R
Tärkeä kohta, joka sinun on huomioitava yhtälöstä, on, että keskisuuntainen voima on verrannollinen nopeuden neliöön. Tämä tarkoittaa esineen nopeuden kaksinkertaistamista, joka tarvitsee neljä kertaa keskisuuntaisen voiman, jotta esine voi liikkua ympyrässä. Käytännöllinen esimerkki tästä näkyy, kun otetaan terävä käyrä autolla. Tässä kitka on ainoa voima, joka pitää ajoneuvon renkaat tiellä. Nopeuden lisääminen lisää voimakkaasti voimaa, joten liukuminen tulee todennäköisemmäksi.
Huomaa myös, että keskisuuntainen voimalaskelma olettaa, ettei objektiin kohdistu lisävoimia.
Centripetal-kiihtyvyyskaava
Toinen yleinen laskelma on centripetaalinen kiihtyvyys, joka on nopeuden muutos jaettuna ajanmuutoksella. Kiihdytys on nopeuden neliö jaettuna ympyrän säteellä:
Av / At = a = v2/ R
Centripetal-voiman käytännön sovellukset
Klassinen esimerkki centripetaalivoimasta on tapaus, jossa esine heitetään köydellä. Tässä köyden jännitys tuottaa keskisuuntaisen "vetovoiman".
Centripetal-voima on "työntövoima", kun kyseessä on Wall of Death -moottoripyöräilijä.
Centripetal-voimaa käytetään laboratoriosentrifugeissa. Tässä nesteeseen suspendoituneet hiukkaset erotetaan nesteestä kiihdytysputkilla suunnattu siten, että raskaammat hiukkaset (ts. suuremman massan esineet) vedetään kohti putket. Vaikka sentrifugit erottavat yleensä kiinteät aineet nesteistä, ne voivat myös fraktioida nesteet, kuten verinäytteissä, tai erilliset kaasujen komponentit.
Kaasun sentrifugeja käytetään erottamaan raskaampi isotooppi uraani-238 kevyemmästä isotoopista uraani-235. Raskaampi isotooppi vedetään kehruusylinterin ulkopintaa kohti. Raskas fraktio suodatetaan ja lähetetään toiseen sentrifugiin. Prosessia toistetaan, kunnes kaasu on "rikastettu" riittävästi.
Nestepeiliteleskooppi (LMT) voidaan valmistaa kiertämällä heijastinta neste metalli, kuten elohopea. Peilipinta on paraboloidimuotoinen, koska keskisuuntainen voima riippuu nopeuden neliöstä. Tämän vuoksi kehruu nestemäisen metallin korkeus on verrannollinen sen etäisyyteen neliöstä keskipisteestä. Pyörivien nesteiden oletettu mielenkiintoinen muoto voidaan havaita pyörittämällä ämpäri vettä vakiona.