Hva er Centripetal Force? Definisjon og ligninger

Forstå sentripetal og sentrifugal kraft

Når du svinger deg rundt en merry go-runde, er sentripetalkraft kraften som trekker deg inn mot midten, mens sentrifugalkraft trekker deg til utsiden. Stephanie Hohmann / EyeEm / Getty Images

Sentripetalkraft er definert som kraften virker på en kropp som beveger seg i en sirkulær bane som er rettet mot midten som kroppen beveger seg rundt. Begrepet kommer fra de latinske ordene senter for 'senter' og spørre , som betyr 'å søke.'

Sentripetalkraft kan betraktes som den sentersøkende kraften. Retningen er ortogonal (i rett vinkel) til kroppens bevegelse i retning mot midten av krumningen av kroppens bane. Sentripetalkraft endrer retningen på et objekts bevegelse uten å endre dets hastighet .

Viktige takeaways: Centripetal Force

• Sentripetalkraft er kraften på en kropp som beveger seg i en sirkel som peker innover mot punktet som objektet beveger seg rundt.
• Kraften i motsatt retning, som peker utover fra rotasjonssenteret, kalles sentrifugalkraft.
• For et roterende legeme er sentripetal- og sentrifugalkreftene like store, men motsatte i retning.

Forskjellen mellom sentripetal og sentrifugal kraft

Mens sentripetalkraften virker for å trekke et legeme mot sentrum av rotasjonspunktet, skyver sentrifugalkraften ('senter-flyktende' kraft) bort fra sentrum.

I henhold til Newtons første lov , 'en kropp i ro vil forbli i ro, mens en kropp i bevegelse vil forbli i bevegelse med mindre den påvirkes av en ytre kraft.' Med andre ord, hvis kreftene som virker på et objekt er balansert, vil objektet fortsette å bevege seg i et jevnt tempo uten akselerasjon.

Sentripetalkraften lar et legeme følge en sirkulær bane uten å fly av gårde ved en tangent ved kontinuerlig å virke i rett vinkel på banen. På denne måten virker den på objektet som en av kreftene i Newtons første lov, og holder dermed objektets treghet.

Newtons andre lov gjelder også når det gjelder krav til sentripetalkraft, som sier at hvis en gjenstand skal bevege seg i en sirkel, må nettokraften som virker på den være innover. Newtons andre lov sier at et objekt som akselereres gjennomgår en nettokraft, med retningen til nettokraften den samme som akselerasjonsretningen. For et objekt som beveger seg i en sirkel, må sentripetalkraften (nettokraften) være tilstede for å motvirke sentrifugalkraften.

Fra ståstedet til et stasjonært objekt på den roterende referanserammen (f.eks. et sete på en huske), er sentripetal og sentrifugal like store, men motsatte i retning. Sentripetalkraften virker på kroppen i bevegelse, mens sentrifugalkraften ikke gjør det. Av denne grunn kalles sentrifugalkraft noen ganger en 'virtuell' kraft.

Hvordan beregne senterkraft

Den matematiske representasjonen av sentripetalkraft ble utledet av den nederlandske fysikeren Christiaan Huygens i 1659. For et legeme som følger en sirkelbane med konstant hastighet, er radiusen til sirkelen (r) lik kroppens masse (m) ganger kvadratet av hastigheten (v) delt på sentripetalkraften (F):

r = mv^to/F

Ligningen kan omorganiseres for å løse for sentripetalkraft:

F = mv^to/r

Et viktig poeng du bør merke deg fra ligningen er at sentripetalkraften er proporsjonal med kvadratet av hastigheten. Dette betyr at en dobling av hastigheten til et objekt trenger fire ganger centripetalkraften for å holde objektet 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 betraktelig, så det er mer sannsynlig at det skrenser.

Legg også merke til at centripetalkraftberegningen forutsetter at ingen ytterligere krefter virker på objektet.

Centripetal Acceleration Formel

En annen vanlig beregning er sentripetalakselerasjon, som er endringen i hastighet delt på endringen i tid. Akselerasjon er kvadratet av hastighet delt på radiusen til sirkelen:

Δv/Δt = a = v^to/r

Praktiske anvendelser av sentripetalkraft

Det klassiske eksemplet på sentripetalkraft er tilfellet med en gjenstand som svinges på et tau. Her leverer spenningen på tauet den sentripetale 'trekkkraften'.

Sentripetalkraft er 'skyve'-kraften for en Wall of Death-motorsykkelfører.

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

Gassentrifuger brukes til å skille den tyngre isotopen uran-238 fra den lettere isotopen uran-235. Den tyngre isotopen trekkes mot utsiden av en spinnende sylinder. Den tunge fraksjonen tappes og sendes til en annen sentrifuge. Prosessen gjentas til gassen er tilstrekkelig 'anriket'.

Et væskespeilteleskop (LMT) kan lages ved å rotere en reflekterende væske metall, som kvikksølv . Speiloverflaten antar en paraboloid form fordi sentripetalkraften avhenger av kvadratet på hastigheten. På grunn av dette er høyden på det spinnende flytende metallet proporsjonal med kvadratet på avstanden fra midten. Den interessante formen som antas av spinnende væsker kan observeres ved å snurre en bøtte med vann med konstant hastighet.