Ce este forța centripetă? Definiție și ecuații

Forța centripetă este definită ca forța care acționează asupra unui corp care se mișcă pe un traseu circular care este îndreptat către centrul în jurul căruia se mișcă corpul. Termenul provine din cuvintele latine Centrum pentru „centru” și petere, adică „a căuta”.

Forța centripetă poate fi considerată forța care caută centrul. Direcția sa este ortogonală (în unghi drept) față de mișcarea corpului în direcția spre centrul curburii căii corpului. Forța centripetă modifică direcția mișcării unui obiect fără a-i schimba viteza.

Cheltuieli cheie: forță centripetă

• Forța centripetă este forța asupra unui corp care se mișcă într-un cerc care indică spre interior spre punctul în care se mișcă obiectul.
• Forța în sens opus, îndreptată spre exterior din centrul de rotație, se numește forță centrifugă.
• Pentru un corp rotativ, forțele centripete și centrifuge sunt egale ca mărime, dar opuse în direcție.

Diferența dintre forța centripetă și cea centrifugă

În timp ce forța centripetă acționează pentru a atrage un corp spre centrul punctului de rotație, forța centrifugă (forța „fugitoare de centru”) se îndepărtează de centru.

Conform primei legi a lui Newton, „un corp în repaus va rămâne în repaus, în timp ce un corp în mișcare va rămâne în mișcare, dacă nu este acționat de o forță externă”. Cu alte cuvinte, dacă forțele care acționează asupra unui obiect sunt echilibrate, obiectul va continua să se miște într-un ritm constant, fără accelerare.

Forța centripetă permite unui corp să urmeze o cale circulară fără a zbura la o tangentă, acționând continuu într-un unghi drept față de calea sa. În acest fel, acționează asupra obiectului ca una dintre forțele din Legea întâi a lui Newton, păstrând astfel inerția obiectului.

A doua lege a lui Newton se aplică și în cazul cerință de forță centripetă, ceea ce spune că dacă un obiect se mișcă într-un cerc, forța netă care acționează asupra lui trebuie să fie înăuntru. A doua lege a lui Newton spune că un obiect accelerat suferă o forță netă, cu direcția forței nete la fel ca direcția accelerației. Pentru un obiect care se mișcă într-un cerc, forța centripetă (forța netă) trebuie să fie prezentă pentru a contracara forța centrifugală.

Din punctul de vedere al unui obiect staționar pe cadrul rotativ de referință (de exemplu, un scaun pe un leagăn), centripetul și centrifugul sunt de mărime egală, dar opuse în direcție. Forța centripetă acționează asupra corpului în mișcare, în timp ce forța centrifugă nu. Din acest motiv, forța centrifugă este uneori numită forță „virtuală”.

Cum se calculează forța centripetă

Reprezentarea matematică a forței centripetale a fost derivată de fizicianul olandez Christiaan Huygens în 1659. Pentru un corp care urmează un traseu circular la viteză constantă, raza cercului (r) este egală cu masa corpului (m) de ori pătratul vitezei. (v) împărțit la forța centripetă (F):

r = mv²/ F

Ecuația poate fi rearanjată pentru a rezolva forța centripetă:

F = mv²/ r

Un punct important pe care trebuie să îl remarcați din ecuație este faptul că forța centripetă este proporțională cu pătratul vitezei. Aceasta înseamnă că dublarea vitezei unui obiect are nevoie de patru ori mai mult decât forța centripetă pentru a menține obiectul în mișcare într-un cerc. Un exemplu practic în acest sens este văzut atunci când se face o curbă ascuțită cu un automobil. Aici, frecarea este singura forță care ține cauciucurile vehiculului pe șosea. Creșterea vitezei crește mult forța, astfel încât o derapare devine mai probabilă.

Rețineți, de asemenea, că calculul forței centripete presupune că nu acționează forțe suplimentare asupra obiectului.

Formula de accelerare centripetă

Un alt calcul obișnuit este accelerația centripetă, care este schimbarea vitezei divizată la modificarea timpului. Accelerația este pătratul vitezei împărțit la raza cercului:

Δv / Δt = a = v²/ r

Aplicații practice ale forței centripete

Exemplul clasic de forță centripetă este cazul unui obiect care este balansat pe o frânghie. Aici, tensiunea de pe frânghie furnizează forța centripetă de „tragere”.

Forța centripetă este forța de „împingere” în cazul unui motociclist de pe peretele morții.

Forța centripetă este utilizată pentru centrifugele de laborator. Aici, particulele care sunt suspendate într-un lichid sunt separate de lichid prin accelerarea tuburilor orientate astfel încât particulele mai grele (de exemplu, obiecte de masă mai mare) sunt trase spre partea inferioară a tuburilor. În timp ce centrifugele separă în mod obișnuit solidele de lichide, ele pot, de asemenea, fracționa lichide, ca în probele de sânge sau componente separate ale gazelor.

Centrifugele cu gaz sunt utilizate pentru a separa izotopul mai greu uraniu-238 de uraniul izotop mai ușor-235. Izotopul cel mai greu este tras spre exteriorul unui cilindru de filare. Fracția grea este lovită și trimisă la o altă centrifugă. Procesul se repetă până când gazul este suficient de „îmbogățit”.

Se poate realiza un telescop cu oglindă lichidă (LMT) prin rotirea unui metal lichid reflectorizant, cum ar fi mercurul. Suprafața oglinzii își asumă o formă paraboloidă, deoarece forța centripetă depinde de pătratul vitezei. Din această cauză, înălțimea metalului lichid filant este proporțională cu pătratul distanței sale de centru. Forma interesantă asumată de lichidele învârtite poate fi observată prin rotirea unei găleți cu apă în ritm constant.