IŠCENTRINĖ JĖGA: FORMULĖS, KAIP JI APSKAIČIUOJAMA, PAVYZDŽIAI, PRATIMAI - FIZINIS - 2025

Išcentrinė jėga linkęs išstumti sukasi Institucijos atsižvelgiant kreivę. Tai laikoma fiktyvia jėga, pseudoforce ar inercine jėga, nes ją sukelia ne realių objektų sąveika, o greičiau kūnų inercijos pasireiškimas. Inercija yra savybė, verčianti daiktus išlaikyti savo ramybės būseną ar vienodą tiesinį judesį, jei jie tokį turi.

Terminą „išcentrinė jėga“ sugalvojo mokslininkas Christianas Huygensas (1629–1695). Jis pareiškė, kad kreivinis planetų judesys bus linkęs jas atitraukti, nebent saulė sukeltų tam tikrą jėgą, kad jas sulaikytų, ir apskaičiavo, kad ši jėga buvo proporcinga greičio kvadratui ir atvirkščiai proporcinga aprašyto apskritimo spinduliui.

1 pav. Pasukdami keleiviai patiria jėgą, kuri linkusi juos ištraukti. Šaltinis: Libreshot.

Tiems, kurie keliauja automobiliu, išcentrinė jėga visai nėra išgalvota. Dešinėje pasuktame automobilyje keleiviai jaučiasi stumiami į kairę ir atvirkščiai, kai automobilis sukasi į kairę, žmonės patiria jėgą į dešinę, kuri, atrodo, nori juos nustumti nuo posūkio centro.

Išcentrinės jėgos F _g dydis apskaičiuojamas pagal šią išraišką:

- F _g yra išcentrinės jėgos dydis

- m yra daikto masė

- v yra greitis

- R yra išlenkto kelio spindulys.

Jėga yra vektorius, todėl paryškintas tipas yra naudojamas atskirti ją nuo jos dydžio, kuris yra skaliarinis.

Visada atminkite, kad F _g pasirodo tik tada, kai judesys aprašomas naudojant pagreitintą atskaitos rėmą.

Iš pradžių aprašytame pavyzdyje besisukantis automobilis yra pagreičio atskaitos taškas, nes jam reikia pagreičio, kurį reikia atlikti centripetaliu, kad jis galėtų pasisukti.

Kaip apskaičiuojama išcentrinė jėga?

Norint įvertinti judėjimą, gyvybiškai svarbu pasirinkti atskaitos sistemą. Pagreitintas atskaitos rėmas taip pat žinomas kaip neinercinis rėmas.

Tokio tipo sistemose, kaip besisukantis automobilis, atsiranda išgalvotos jėgos, tokios kaip išcentrinė jėga, kurių kilmė nėra reali objektų sąveika. Keleivis negali pasakyti, kas jį išstumia iš kreivės, jis gali tik patvirtinti, kad taip yra.

Kita vertus, inercinėje atskaitos sistemoje sąveika įvyksta tarp realių objektų, tokių kaip judantis kūnas ir Žemė, dėl kurios kyla svoris, arba tarp kūno ir paviršiaus, kuriuo jis juda, kurie atsiranda trintis ir normalu.

Stebėtojas, stovintis kelio pusėje ir stebintis, kaip automobilis suka kreivę, yra geras inercinės atskaitos sistemos pavyzdys. Šiam stebėtojui automobilis pasisuka, nes jį veikia į kreivės centrą nukreipta jėga, kuri verčia jo neišlipti iš jo. Tai centripetalinė jėga, kurią sukuria trintis tarp padangų ir kelio dangos.

Inerciniame atskaitos kadre išcentrinė jėga nerodoma. Todėl pirmasis apskaičiavimo žingsnis yra kruopštus pasirinkimas atskaitos sistemos, kuri bus naudojama apibūdinti judėjimą.

Galiausiai reikia pažymėti, kad inercinės atskaitos sistemos nebūtinai turi būti ramybės būsenoje, kaip ir stebėtojas, stebintis transporto priemonės posūkį. Inercinis atskaitos rėmas, žinomas kaip laboratorijos atskaitos rėmas, taip pat gali judėti. Žinoma, esant pastoviam greičiui inercinio atžvilgiu.

Laisvojo kūno schema inercinėje ir neinercinėje sistemoje

Kitame paveikslėlyje kairėje stovi stebėtojas O ir žiūri į O ’, kuris yra ant platformos, kuri sukasi nurodyta kryptimi. O, kuris yra inercinis rėmas, neabejotinai O 'sukasi dėl įcentrinės jėgos F _{c, kurią} sukuria tinklelio sienelė O' gale.

2 pav. Žmogus, stovintis ant ratuko, matomas iš dviejų skirtingų atskaitos sistemų: vienos pritvirtintos, o kitos, einančios su asmeniu. Šaltinis: „Física de Santillana“.

Taikyti antrąjį Niutono dėsnį, kuris teigia, kad grynoji jėga yra lygi masės ir pagreičio sandaugai, galioja tik inerciniuose atskaitos rėmuose. Tai darydami, parodydami laisvojo kūno diagramą, gauname:

Panašiai paveikslėlyje dešinėje taip pat yra laisvojo kūno schema, apibūdinanti tai, ką mato stebėtojas O '. Jo požiūriu, jis yra ramybėje, todėl jėgos ant jo yra subalansuotos.

Šios jėgos yra: normalioji F , kurią sienelė daro jai raudonos spalvos ir nukreipta į centrą, ir išcentrinė jėga F _g, kuri ją pastumia į išorę ir kurios nesukelia jokia sąveika, yra neinercinė jėga, kuri pasirodo besisukančiose atskaitos sistemose.

Išcentrinė jėga yra išgalvota, ją subalansuoja tikroji jėga, kontaktinė arba normalioji jėga, nukreipta į centrą. Taigi:

Pavyzdžiai

Nors išcentrinė jėga laikoma pseudo jėga, jos poveikis yra gana realus, kaip matyti iš šių pavyzdžių:

- Bet kokiuose pramogų parke besisukančiuose žaidimuose yra išcentrinė jėga. Ji užtikrina, kad mes „bėgsime nuo centro“, ir siūlo nuolatinį pasipriešinimą, jei bandysite nueiti į judančios karuselės centrą. Toliau pateiktoje švytuoklėje galite pamatyti išcentrinę jėgą:

- Koriolio efektas atsiranda dėl Žemės sukimosi, dėl kurio Žemė nustos būti inerciniu rėmu. Tuomet pasirodo Koriolio jėga, kuri yra pseudo jėga, nukreipianti objektus į šoną, kaip nutinka žmonėms, bandantiems vaikščioti ant sukamojo stalo.

Pratimai

1 pratimas

Automobilis, pasukantis A pagreičiu į dešinę, turi įdarą žaislą, kabantį iš vidinio galinio vaizdo veidrodžio. Nubraižykite ir palyginkite žaislo laisvo kūno schemas, matytas iš:

a) Kelyje stovinčio stebėtojo inercinis atskaitos rėmas.

b) Keleivis, važiuojantis automobiliu.

Sprendimas

Kelyje stovintis stebėtojas pastebi, kad žaislas greitai juda, A pagreičiu į dešinę.

3 pav. 1a pratimo laisvo kūno schema. Šaltinis: F. Zapata.

Žaislą veikia dvi jėgos: viena vertus, stygos T įtempimas ir vertikalus svoris žemyn W. Svoris subalansuotas su vertikaliu Tcosθ tempimo komponentu, todėl:

Horizontalioji įtempio dalis: T. sinθ yra nesubalansuota jėga, atsakinga už pagreitį į dešinę, todėl įcentrinė jėga yra:

B sprendimas

Automobilyje esančiam keleiviui žaislas kabo pusiausvyroje, o schema yra tokia:

4 pav. 1b pratimo laisvo kūno schema. Šaltinis: F. Zapata.

Kaip ir ankstesniu atveju, svoris ir vertikalioji įtempimo dalis yra kompensuojami. Bet horizontalųjį komponentą subalansuoja išgalvota jėga F _g = mA, kad:

2 pratimas

Moneta yra ant seno vinilo plokštelių grotuvo krašto, kurio spindulys yra 15 cm ir kuris sukasi 33 apsisukimais per minutę. Naudodamiesi solidarumo su moneta sistema, suraskite mažiausią statinės trinties koeficientą, reikalingą, kad moneta išliktų vietoje.

Sprendimas

Paveiksle yra laisvojo kūno schema, skirta stebėtojui, judančiam su moneta. Normalus N , kad Pasukamosios daro vertikaliai iki, yra suderintas su svorio W , o išcentrinę jėgą F _g kompensuojamas statinės _trinties F _trinties .

5 pav. Laisvo kūno schema, atliekant pratimą. 2 šaltinis: F. Zapata.

Išcentrinės jėgos dydis yra mv ² / R, kaip sakoma pradžioje, tada:

Kita vertus, statinę trinties jėgą sukuria:

Kur μ _s yra statinės trinties koeficientas, dimensijos kiekis, kurio reikšmė priklauso nuo to, kaip paviršiai liečiasi. Ši lygtis pakeičiama taip:

Lieka nustatyti, koks normos dydis yra susijęs su svoriu pagal N = mg. Pakaitinis dar kartą:

Grįždamas prie teiginio, jis praneša, kad moneta sukasi 33 apsisukimų per minutę greičiu, tai yra kampinis greitis arba kampinis dažnis ω, susijęs su tiesiniu greičiu v:

Šio pratimo rezultatai būtų buvę tokie patys, jei būtų pasirinktas inercinis atskaitos rėmas. Tokiu atveju vienintelė jėga, galinti sukelti pagreitį centro link, yra statinė trintis.

Programos

Kaip jau sakėme, išcentrinė jėga yra fiktyvi jėga, kuri neatsiranda inerciniuose kadruose, kurie yra vieninteliai, kuriuose galioja Niutono įstatymai. Juose centripetalinė jėga yra atsakinga už kūno užtikrinimą reikiamu pagreičiu centro link.

Centripetalinė jėga nesiskiria nuo jau žinomų jėgų. Atvirkščiai, būtent šios prireikus vaidina centripetalinių pajėgų vaidmenį. Pavyzdžiui, sunkio jėga, verčianti Mėnulį skristi aplink Žemę, virvės, kuria sukamas akmuo, įtempimas, statinė trintis ir elektrostatinė jėga.

Tačiau kadangi praktikoje gausu pagreitintų atskaitos taškų, fiktyvios jėgos daro labai realų poveikį. Pvz., Čia yra trys svarbios programos, kurių poveikis yra apčiuopiamas:

Centrifugos

Centrifugos yra prietaisai, plačiai naudojami laboratorijoje. Idėja yra priversti medžiagų mišinį suktis dideliu greičiu, o tos medžiagos, kurių masė patiriama, turi didesnę išcentrinę jėgą pagal pradžioje aprašytą lygtį.

Tuomet masyviausios dalelės bus linkusios tolti nuo sukimosi ašies, taigi bus atskirtos nuo lengvesnių, kurios liks arčiau centro.

Skalbimo mašinos

Automatinės poveržlės turi skirtingus sukimosi ciklus. Juose drabužiai centrifuguojami, kad liktų vanduo. Kuo didesni ciklo apsisukimai, tuo mažiau drėgni drabužiai bus skalbimo pabaigoje.

Kreivių cant

Automobiliai geriau posūkiuose ant kelių, nes takelis šiek tiek pasviręs link kreivės centro, vadinamo cant. Tokiu būdu automobilis nepriklauso vien tik nuo statinės trinties tarp padangų ir kelio, kad posūkis būtų baigtas neišvažiuojant iš kreivės.

Nuorodos

1. Acosta, Viktoras. Didaktinio išcentrinės jėgos vadovo, skirto V klasės 10 klasės mokiniams, sudarymas. Gauta iš: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Judėjimo įstatymai: sukamaisiais judesiais. Atkurta iš: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fizinis. 3 tomas, ispanų kalba. „Compañía Continental SA de CV“
4. Hidalgo valstijos autonominis universitetas. Išcentrinė jėga. Atkurta iš: uaeh.edu.mx
5. Vikipedija. Centrifugos. Atkurta iš: es.wikipedia.org.