CENTRIFUGALKRAFT: FORMLER, HUR DET BERÄKNAS, EXEMPEL, ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

Den centrifugalkraft tenderar att driva ut de roterande kropparna tar en kurva. Det betraktas som en fiktiv kraft, pseudoforce eller inertial kraft, eftersom den inte orsakas av interaktioner mellan verkliga föremål, utan är en manifestation av kroppens tröghet. Tröghet är den egenskap som gör att objekt vill behålla sitt vilotillstånd eller med enhetlig rätlinjig rörelse, om de har ett.

Termen "centrifugalkraft" myntades av forskaren Christian Huygens (1629-1695). Han uttalade att planets krökta rörelse skulle ha en tendens att flytta dem bort såvida inte solen utövar någon kraft för att hålla dem tillbaka, och han beräknade att denna kraft var proportionell mot kvadratet med hastigheten och omvänt proportionell mot radien för den beskrivna omkretsen.

Bild 1. Vid kurvtagning upplever passagerare en kraft som tenderar att dra dem ur den. Källa: Libreshot.

För dem som reser med bil är centrifugalkraften inte fiktiv alls. Passagerare i en bil som svänger höger känner sig pressade till vänster, och vice versa, när bilen svänger åt vänster, upplever människor en kraft till höger, som verkar vilja flytta dem bort från centrum av kurvan.

Storleken av den centrifugalkraft F _g beräknas genom följande uttryck:

- _Fg är storleken på centrifugalkraften

- m är objektets massa

- v är hastigheten

- R är radien för den böjda banan.

Kraft är en vektor, därför används djärv typ för att skilja den från dess storlek, som är en skalär.

Alltid komma ihåg att F _g visas endast när rörelsen är beskriven med användning av en accelererad referensramen.

I exemplet som beskrivs i början utgör den snurrande bilen en accelererad referens, eftersom den kräver centripetalacceleration så att den kan vända.

Hur beräknas centrifugalkraften?

Valet av referenssystem är avgörande för att uppskatta rörelsen. En accelererad referensram är också känd som en icke-tröghetsram.

I denna typ av system, såsom en snurrande bil, uppträder fiktiva krafter som centrifugalkraft, vars ursprung inte är en verklig interaktion mellan föremål. En passagerare kan inte säga vad som driver honom ut ur kurvan, han kan bara bekräfta att så är fallet.

Å andra sidan, i ett tröghetsreferenssystem, inträffar interaktioner mellan verkliga föremål, såsom kroppen i rörelse och jorden, som ger upphov till vikt, eller mellan kroppen och ytan på vilken den rör sig, som har sitt ursprung friktion och normal.

En observatör som står på vägen och tittar på bilen vrider kurvan är ett bra exempel på ett tröghetsreferenssystem. För denna iakttagare vänder bilen eftersom en kraft riktad mot kurvets centrum verkar på den, vilket tvingar den att inte komma ut ur den. Detta är den centripetalkraft som produceras genom friktion mellan däcken och trottoaren.

I en tröghetsreferensram visas inte centrifugalkraften. Därför är det första steget i beräkningen att välja noggrant det referenssystem som ska användas för att beskriva rörelsen.

Slutligen bör det noteras att de tröghetsreferenssystemen inte nödvändigtvis behöver vara i vila, som observatören som tittar på fordonet vrider kurvan. En tröghetsreferensram, känd som en referensram för laboratorier, kan också vara i rörelse. Naturligtvis med konstant hastighet med avseende på en tröghet.

Frikroppsdiagram i ett tröghets- och icke-tröghetssystem

I nästa figur till vänster står en observatör O och tittar på O ', som är på plattformen som roterar i angiven riktning. För O, som är en tröghetsramen, förvisso O 'hålles roterande på grund av centripetalkraften F _c produceras av väggen hos gallret på baksidan av O'.

Bild 2. En person som står på en skivspelare ses från två olika referenssystem: ett fixat och ett som följer med personen. Källa: Física de Santillana.

Endast i tröghetsreferensramar är det giltigt att tillämpa Newtons andra lag, som säger att nettokraften är lika med massan och accelerationen. Och genom att göra det, med det visade frikroppsdiagrammet, får vi:

På figuren till höger finns det också ett frikroppsdiagram som beskriver vad observatören O 'ser. Ur sin synvinkel är han i vila, därför är krafterna på honom balanserade.

Dessa krafter är: den normala F , vilken vägg utövar på det, i rött och riktat mot centrum och centrifugalkraften F _g som skjuter den utåt och som inte härrör från någon interaktion, är en icke-tröghetskraft som visas i roterande referenssystem.

Centrifugalkraften är fiktiv, den balanseras av en verklig kraft, kontakten eller normalkraften som pekar mot mitten. Således:

exempel

Även om centrifugalkraft anses vara en pseudokraft är dess effekter ganska verkliga, vilket kan ses i följande exempel:

- I alla snurrande spel i en nöjespark finns centrifugalkraft. Hon ser till att vi "springer bort från centrum" och erbjuder konstant motstånd om du försöker gå in i mitten av en rörlig karusell. I följande pendel kan du se centrifugalkraften:

- Coriolis-effekten uppstår från jordens rotation, vilket gör att jorden slutar vara en tröghetsram. Sedan visas Coriolis-kraften, som är en pseudokraft som avleder objekt i sidled, som händer med människor som försöker gå på en skivspelare.

övningar

Övning 1

En bil som vänder med acceleration A till höger har en fylld leksak hängande från den inre bakspegeln. Rita och jämföra gratis kroppsdiagram över leksaken sett från:

a) Tröghetsramen för en observatör som står på vägen.

b) En passagerare som reser i bilen.

Lösning till

En observatör som står på vägen märker att leksaken rör sig snabbt, med acceleration A till höger.

Bild 3. Diagram med fri kropp för övning 1a. Källa: F. Zapata.

Det finns två krafter som verkar på leksaken: å ena sidan spänningen i strängen T och den vertikala vikten ned W. Vikten är balanserad med den vertikala komponenten i spänningen Tcosθ, därför:

Den horisontella komponenten av spänningen: T. sinθ är den obalanserade kraften som ansvarar för accelerationen till höger, därför är centripetalkraften:

Lösning b

För en passagerare i bilen hänger leksaken i jämvikt och diagrammet är som följer:

Bild 4. Diagram med fri kropp för övning 1b. Källa: F. Zapata.

Precis som i föregående fall kompenseras spänningens vikt och vertikala komponent. Men den horisontella komponenten balanseras av den fiktiva kraften _Fg = mA, så att:

Övning 2

Ett mynt är på kanten av en gammal vinylplåtspelare, vars radie är 15 cm och det roterar med 33 varv / minut. Hitta den minsta statiska friktionskoefficient som är nödvändigt för att myntet ska förbli på plats med referensramen för myntet.

Lösning

I figuren är frikroppsdiagrammet för en observatör som rör sig med myntet. Den normala N att vridbordet utövar vertikalt upp balanseras av vikten W , medan centrifugalkraften F _g kompenseras av den statiska _friktionen F _friktion .

Bild 5. Gratis kroppsdiagram för träning 2. Källa: F. Zapata.

Storleken hos centrifugalkraften är mv ² / R, som sagt i början, sedan:

Å andra sidan ges den statiska friktionskraften av:

Där μ _s är den statiska friktionskoefficienten, en dimensionslös storhet vars värde beror på hur ytorna är i kontakt. Att ersätta denna ekvation är:

Storleken på det normala återstår att bestämma, vilket är relaterat till vikten enligt N = mg. Byter ut igen:

Tillbaka till uttalandet rapporterar det att myntet roterar med en hastighet av 33 varv / minut, vilket är vinkelhastigheten eller vinkelfrekvensen related, relaterad till den linjära hastigheten v:

Resultaten av denna övning skulle ha varit desamma om en tröghetsreferensram hade valts. I ett sådant fall är den enda kraften som kan orsaka acceleration mot mitten statisk friktion.

tillämpningar

Som vi har sagt är centrifugalkraften en fiktiv kraft, som inte förekommer i tröghetsramar, som är de enda där Newtons lagar är giltiga. I dem är centripetalkraften ansvarig för att förse kroppen med den nödvändiga accelerationen mot mitten.

Den centripetala kraften skiljer sig inte från de redan kända. Tvärtom, det är just dessa som spelar rollen som centripetalkrafter när det är lämpligt. Till exempel tyngdkraften som får månen att kretsa runt jorden, spänningen i ett rep med vilken en sten roteras, statisk friktion och elektrostatisk kraft.

Men eftersom accelererade referensramar finns i praktiken har fiktiva krafter mycket verkliga effekter. Här är till exempel tre viktiga applikationer där de har konkreta effekter:

centrifuger

Centrifuger är instrument som används allmänt i laboratoriet. Tanken är att få en blandning av ämnen att rotera med hög hastighet och de ämnen med större massa upplever en större centrifugalkraft, enligt ekvationen som beskrivs i början.

Då tenderar de mest massiva partiklarna att röra sig bort från rotationsaxeln och därmed separeras från de lättare, som kommer att förbli närmare mitten.

Tvättmaskiner

Automatiska brickor har olika snurrcykler. I dem centrifugeras kläderna för att eliminera det återstående vattnet. Ju högre varvtal cykeln är, desto mindre fuktiga kommer kläderna att vara i slutet av tvätten.

Kröken kan inte

Bilar är bättre på att svänga på vägar, eftersom banan lutar något mot mitten av kurvan, känd som inte. På detta sätt beror inte bilen uteslutande på den statiska friktionen mellan däcken och vägen för att slutföra svängen utan att lämna kurvan.

referenser

1. Acosta, Victor. Konstruktion av en didaktisk guide för centrifugalkraft för elever i cykel V klass 10. Hämtad från: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Laws of Motion: Circular Motion. Återställd från: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fysisk. Vol. 1. 3: e upplagan på spanska. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Autonoma universitetet i delstaten Hidalgo. Centrifugalkraft. Återställd från: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Centrifuger. Återställd från: es.wikipedia.org.