Центробежная vs центростремительная: какая сила на самом деле существует?

Центростремительная и центробежная силы — это два термина, которые используются для описания физики кругового движения, но только одна из этих сил реальна. Центростремительная сила удерживает объект в движении по окружности и всегда направлена к центру этой окружности. Например, гравитационная сила Солнца — это центростремительная сила, которая удерживает Землю на её орбите.

Между тем центробежная сила — это так называемая фиктивная сила: кажущаяся внешняя сила, действующая на объект, движущийся по окружности. Эта фантомная сила, тем не менее, может ощущаться вполне реально, если вращаетесь вы сами. Например, центробежная сила — это способ описать ощущение полёта наружу, которое возникает на аттракционе «Гравитрон» и подобных ему в парках развлечений. В конечном счёте эти две вращательные силы — две стороны одной медали.

«Разница между центростремительной и центробежной силой связана с разными „системами отсчёта“, то есть с разными точками зрения, с которых вы что-то измеряете, — сказал Эндрю А. Ганс, физик-исследователь из Вашингтонского университета. — Центростремительная и центробежная сила — это на самом деле одна и та же сила, только направленная в противоположные стороны, потому что они воспринимаются в разных системах отсчёта».

Если бы вы находились вне вращающейся системы, то наблюдали бы центростремительную силу. С точки зрения вращающегося объекта — например, белья, которое крутится в стиральной машине, — вы бы ощущали центробежную силу.

Видео от DGL.RU

В чём разница между центростремительной и центробежной силами?

Центростремительная и центробежная силы — это два способа описания одного и того же явления. Основное различие между центростремительной и центробежной силами заключается в ориентации или направлении силы, а также в системе отсчёта — отслеживаете ли вы силу из неподвижной точки или с точки зрения вращающегося объекта.

Центростремительная сила направлена к центру окружности и удерживает объект на круговой траектории. Слово «центростремительный» означает «направленный к центру». По словам Кристофера С. Бэрда, доцента кафедры физики в Университете Западного Техаса A&M, центробежная сила, которая, опять же, не является реальной, заставляет вращающийся объект чувствовать, будто что-то толкает его наружу, прочь от центра окружности.

Существует ли центробежная сила?

В то время как центростремительная сила является реальной силой, центробежная сила — это кажущаяся сила. Другими словами, когда вы раскручиваете камень, привязанный к верёвке, верёвка оказывает на камень центростремительное воздействие, направленное внутрь, в то время как с точки зрения камня на верёвку оказывается центробежное воздействие, направленное наружу.

Если вы наблюдаете за вращающейся системой извне, то видите, что центростремительная сила, действующая по направлению к центру, удерживает вращающееся тело на круговой траектории.

Однако, если вы вращаетесь на гравитроне, вы ощущаете кажущуюся центробежную силу, которая отталкивает вас от центра круга. То, что вы ощущаете, — это центростремительная сила, которая не даёт вам отклониться от траектории.

Представьте, что вы едете в машине и поворачиваете. Если вы наблюдаете за происходящим со стороны, то можете заметить центростремительную силу, которая толкает машину к центру, заставляя её двигаться по кругу. Но если вы находитесь внутри машины, то почувствуете силу, которая отталкивает вас от центра круга, — это центробежная сила.

Приведите примеры центростремительной и центробежной сил из реальной жизни.Простой пример центростремительной силы из реальной жизни — камень, привязанный к верёвке. Когда верёвку раскручивают, натяжение верёвки не даёт камню улететь по прямой. Это натяжение направлено внутрь, к центру круга.

Другой пример: гравитация Солнца обеспечивает центростремительную силу, которая заставляет планеты вращаться вокруг нашей центральной звезды.

Центробежная сила — это ощущение, которое вы испытываете, когда поворачиваете на машине или когда самолёт входит в вираж. Центробежная сила возникает при отжиме в стиральной машине или когда дети катаются на аттракционах в парке развлечений.

Ещё одно практическое применение центростремительной силы — лабораторная центрифуга, которая используется для ускорения жидких суспензий. Центрифуги — это ключевые инструменты для анализа образцов крови.

Обычно тепловое движение приводит к постоянному перемешиванию, из-за чего под действием силы тяжести клетки крови не разделяются на разные слои. Однако в обычной лабораторной центрифуге можно добиться ускорения, в 600–2000 раз превышающего силу тяжести. Такое сильное ускорение приводит к тому, что тяжёлые эритроциты оседают на дне образца, а различные компоненты раствора разделяются на слои в зависимости от их плотности.

Как рассчитать центростремительную и центробежную силы?

Центростремительная сила возникает в соответствии с законами движения Ньютона. Если массивное тело движется в пространстве по прямой линии, его инерция будет заставлять его двигаться по прямой, пока внешняя сила не заставит его ускориться, замедлиться или изменить направление.

Вот как рассчитывается центростремительная сила:

Чтобы объект двигался по круговой траектории, не меняя скорости, к нему должна быть приложена постоянная центростремительная сила, действующая под прямым углом к траектории. Радиус (r) этой окружности равен произведению массы (m) на квадрат скорости (v), делённому на центростремительную силу (F), или r = mv^2/F. Силу можно вычислить, просто преобразовав уравнение: F = mv^2/r.

Третий закон Ньютона гласит, что «каждому действию есть равное и противоположное противодействие.» Точно так же, как гравитация заставляет вас оказывать давление на землю, земля, по-видимому, оказывает равное и противоположное давление на ваши ноги. Когда вы находитесь в движущемся автомобиле, сиденье оказывает на вас давление, направленное вперёд, а вы, по-видимому, оказываете на сиденье давление, направленное назад.

В случае вращающейся системы центростремительная сила притягивает массу к центру, заставляя её двигаться по криволинейной траектории, в то время как масса, казалось бы, стремится вырваться наружу из-за своей инерции. Однако в каждом из этих случаев действует только одна реальная сила, а другая является лишь кажущейся.

Формула для расчёта центробежной силы такая же, как и формула для расчёта центростремительной силы.

Центростремительная сила в освоении космоса

Большинство объектов в космосе движутся примерно по кругу, поэтому центростремительная сила играет важную роль в освоении космоса. Она определяет, как спутники вращаются вокруг нашей планеты, как Луна вращается вокруг Земли и как остальные планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца.

Эта вращательная сила также используется для имитации ускорения при запуске космического корабля в рамках подготовки астронавтов. При первом запуске ракета настолько перегружена топливом и окислителем, что едва может двигаться. Однако по мере подъёма она сжигает топливо с огромной скоростью, постоянно теряя массу. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна произведению массы на ускорение, или F = ma.

В большинстве ситуаций масса остаётся неизменной. Однако в случае с ракетой её масса резко меняется, в то время как сила — в данном случае тяга ракетных двигателей — остаётся практически неизменной. Это приводит к тому, что к концу фазы разгона ускорение увеличивается в несколько раз по сравнению с нормальной силой тяжести. НАСА использует большие вращающиеся колёса, называемые центрифугами, чтобы подготовить астронавтов к такому экстремальному ускорению. В данном случае центростремительная сила создаётся за счёт того, что спинка кресла давит на астронавта.

Между тем центробежная сила может создать иллюзию гравитации на будущей космической станции. Если вращать космический корабль с помощью центростремительной силы, то возникнет ускорение, которое будет ощущаться как центробежная сила. Этот эффект может создать искусственную гравитацию при условии, что корабль вращается достаточно быстро.

Магнитный апокалипсис близко? Артефакты древних цивилизаций раскрывают шокирующую правду