Центростремительная и центробежная сила

Вы когда-нибудь слышали, чтобы термины "центростремительная сила" и "центробежная сила" использовались как взаимозаменяемые? Эта формулировка может ввести в заблуждение при попытке понять силы, действующие на объект, испытывающий круговое движение. В этой статье мы обсудим разницу между центростремительной силой и центробежной силой. Мы также рассмотрим уравнения, описывающие круговое движение, и рассмотрим некоторые примеры объектов, испытывающих круговое движение.

Объяснение центростремительной силы и центробежной силы

Чтобы понять центростремительную силу и центробежную силу, нам нужно понять динамику объекта, движущегося по кругу. Давайте рассмотрим шар на струне, движущийся по кругу, как показано ниже. Если мяч движется по кругу с постоянной скоростью, он совершает равномерное круговое движение.

Равномерное круговое движение - это движение объекта, движущегося с постоянной скоростью по окружности с фиксированным радиусом.

Скорость шара всегда находится в направлении, касательном окружности, и, следовательно, направление вектора скорости постоянно меняется. Это приводит к тому, что мяч испытывает ускорение, перпендикулярное вектору скорости, и, таким образом, вектор ускорения всегда направлен в центр круга, как показано на рисунке. Это радиальное ускорение известно как центростремительное ускорение.

Центростремительное ускорение - это радиальное ускорение объекта при круговом движении.

Если шар совершает неравномерное круговое движение, при котором скорость шара непостоянна, будут компоненты вектора ускорения, которые не указывают на центр круга. Эти компоненты ускорения не влияют на центростремительное ускорение.

Мы знаем из второго закона Ньютона, что на объект должна действовать сила, если он имеет ускорение. В нашем случае мы рассматриваем центростремительное ускорение шара при равномерном круговом движении, поэтому мы обозначим наше центростремительное ускорение.

Итак, что это за сила? Из системы отсчета наблюдателя, если мы игнорируем гравитацию, на шар на струне действует только одна сила: сила натяжения от удерживающей его струны.Натяжение обеспечивает радиальную силу, необходимую для поддержания кругового движения. Суммарная радиальная сила, действующая на объект, которая заставляет его двигаться по кругу, является центростремительной силой. Вектор центростремительной силы указывает в том же направлении, что и вектор ускорения, в соответствии со вторым законом Ньютона.

Центростремительная сила - это общая радиальная сила, действующая на объект при круговом движении.

Полезно отметить, что центростремительная сила не является реальной силой, а скорее мы используем термин центростремительная сила для описания общей силы, удерживающей объект в круговом движении. В приведенном выше примере центростремительная сила возникла из-за силы натяжения струны. Гравитация - еще один хороший пример силы, которая удерживает объект, такой как спутник, на орбите вокруг Земли.

Что, если мы рассмотрим систему отсчета шара? Исходя из системы отсчета шара, шар находится в состоянии покоя, в то время как все вокруг него находится в движении. Если мы рассматриваем только центростремительную силу от натяжения струны в системе отсчета шара, шар должен двигаться влево по направлению к центру круга. Чтобы исправить это, мы используем "фиктивную силу", которая является центробежной силой. Центробежная сила направлена радиально наружу и имеет ту же величину, что и центростремительная сила.

Центробежная сила - это кажущаяся сила, направленная радиально наружу, ощущаемая объектом во вращающейся системе отсчета.

Разница между центростремительной и центробежной силой

Центростремительная сила - это составляющая силы, действующей на вращающееся тело, которая направлена к оси вращения. Центробежная сила - это псевдосила в системе отсчета вращающегося тела, которая действует наружу вдоль радиуса вращения, отталкивая тело от оси вращения.

Разница между центростремительной силой и центробежной силой заключается в том, что, хотя центростремительная сила применяется к любой системе отсчета, центробежная сила применима только к вращающейся системе отсчета. Система отсчета наблюдателя называется инерциальной системой отсчета, что означает, что закон инерции, первый закон Ньютона, выполняется. Вращающаяся система отсчета является неинерциальной системой отсчета, поскольку закон инерции не выполняется.

Если мы рассмотрим шар, помещенный на вращающуюся платформу без трения, мяч будет отталкиваться от платформы. Это имеет смысл для наблюдателя, наблюдающего за мячом, потому что мяч имел начальную скорость от вращающейся платформы. Но из вращающейся системы отсчета шара шар начинает двигаться радиально наружу от платформы без каких-либо сил, действующих на него. Таким образом, в неинерциальной системе отсчета законы движения Ньютона не выполняются. Однако мы можем использовать законы движения Ньютона в неинерциальной системе отсчета, если введем "фиктивные силы", такие как центробежная сила. Фиктивные силы упрощают вычисления в неинерциальных системах отсчета, поскольку они позволяют нам использовать законы движения Ньютона.

Помните, что в системе отсчета наблюдателя центробежная сила отсутствует. Для объектов, находящихся в круговом движении в инерциальной системе отсчета, нет внешней радиальной силы, толкающей объект. Не включайте центробежную силу в свои расчеты при использовании инерциальной системы отсчета.

Центростремительная и центробежная сила - основные выводы

Центростремительное ускорение - это радиальное ускорение объекта, движущегося по кругу.
Центростремительная сила - это суммарная радиальная сила, действующая на объект при равномерном круговом движении.
Центробежная сила - это кажущаяся сила, направленная радиально наружу, ощущаемая объектом в неинерциальной системе отсчета.
Центробежные силы применимы только в неинерциальной системе отсчета. В инерциальных системах отсчета центробежные силы отсутствуют.
Использование фиктивной центробежной силы в неинерциальной системе отсчета позволяет нам использовать законы движения Ньютона в этой системе отсчета.
Центростремительную силу можно найти, используя второй закон Ньютона, и она пропорциональна центростремительному ускорению.
Центростремительная сила и центробежная сила равны по величине и направлены в противоположных направлениях.
Вектор центростремительной силы и вектор центростремительного ускорения всегда указывают на центр окружности.