Centrifugalkraft er allestedsnærværende i vores daglige liv, men er det, hvad vi tror, det er?
Vi oplever det, når vi runder om et hjørne i en bil, eller når et fly banker i en sving. Vi ser det i spin-cyklussen på en vaskemaskine, eller når børn kører på en lystig runde. En dag kan det endda give kunstig tyngdekraft til rumskibe og rumstationer.
Men centrifugalkraft forveksles ofte med dens modstykke, centripetalkraft, fordi de er så tæt beslægtede - i det væsentlige to sider af den samme mønt.
Centripetalkraft defineres som "den kraft, der er nødvendig for at holde en genstand bevæget i en buet bane, og som er rettet indad mod rotationscentret," mens centrifugalkraft defineres som "den tilsyneladende kraft, der mærkes af et objekt, der bevæger sig i en buet sti, der fungerer udad fra rotationscentret, "ifølge Merriam Webster Dictionary.
Bemærk, at mens centripetal kraft er en faktisk kraft, er centrifugalkraft defineret som en tilsyneladende kraft. Med andre ord, når man drejer en masse på en streng, udøver strengen en indvendig centripetalkraft på massen, mens massen ser ud til at udøve en udadrettet centrifugalkraft på strengen.
"Forskellen mellem centripetal og centrifugalkraft har at gøre med forskellige 'referencerammer', det vil sige forskellige synspunkter, som du måler noget fra," sagde Andrew A. Ganse, en forskningsfysiker ved University of Washington. "Centripetal kraft og centrifugalkraft er virkelig den nøjagtige samme kraft, bare i modsatte retninger, fordi de opleves fra forskellige referencerammer."
Hvis du observerer et roterende system udefra, ser du en indvendig centripetalkraft, der virker for at begrænse det roterende legeme til en cirkulær bane. Men hvis du er en del af det roterende system, oplever du en tilsyneladende centrifugalkraft, der skubber dig væk fra centrum af cirklen, selvom det, du faktisk føler, er den indvendige centripetalkraft, der forhindrer dig i at bogstaveligt tænke på en tangent .
Kræfterne overholder Newtons bevægelseslove
Denne tilsyneladende udadrettede kraft er beskrevet af Newtons Laws of Motion. Newtons første lov siger, at "et legeme i hvile vil forblive i hvile, og et organ i bevægelse vil forblive i bevægelse, medmindre det udøves af en ekstern styrke."
Hvis en massiv krop bevæger sig gennem rummet i en lige linje, vil dens inerti føre til, at den fortsætter i en lige linje, medmindre en udvendig kraft får den til at fremskynde, bremse eller ændre retning. For at den skal følge en cirkulær bane uden at ændre hastighed, skal en kontinuerlig centripetalkraft påføres i en ret vinkel til dens bane. Radius (r) for denne cirkel er lig med massen (m) gange kvadratet for hastigheden (v) divideret med centripetalkraften (F) eller r = mv ^ 2 / F. Kraften kan beregnes ved blot at omarrangere ligningen, F = mv ^ 2 / r.
Newtons tredje lov siger, at "for hver handling er der en lige og modsat reaktion." Ligesom tyngdekraften får dig til at udøve en kraft på jorden, ser jorden ud til at udøve en lige og modsatrettet kraft på dine fødder. Når du befinder dig i en accelererende bil, udøver sædet en fremadrettet kraft på dig, ligesom du ser ud til at udøve en bagudkraft på sædet.
I tilfælde af et roterende system trækker centripetalkraften massen indad for at følge en buet bane, mens massen ser ud til at skubbe udad på grund af dens inerti. I hvert af disse tilfælde er der dog kun en reel kraft, der anvendes, mens den anden kun er en tilsyneladende styrke.
Eksempler på centripetalkraft i aktion
Der er mange applikationer, der udnytter centripetalkraft. Den ene er at simulere accelerationen af en rumskydning til astronauttræning. Når en raket først lanceres, er den så fyldt med brændstof og oxidator, at den næppe kan bevæge sig. Men når det stiger, brænder det brændstof i en enorm hastighed og mister kontinuerligt masse. Newtons anden lov siger, at kraft er lig med massetidens acceleration, eller F = ma.
I de fleste situationer forbliver massen konstant. Med en raket skifter dens masse dog drastisk, mens kraften, i dette tilfælde skyderiet af raketmotorerne, forbliver næsten konstant. Dette får accelerationen mod slutningen af boostfasen til at stige til flere gange den normale tyngdekraft. NASA bruger store centrifuger til at forberede astronauter til denne ekstreme acceleration. I denne applikation tilvejebringes centripetalkraften af ryglænet, der skubber indad på astronauten.
Et andet eksempel på anvendelse af centripetalkraft er laboratoriecentrifugen, der bruges til at fremskynde udfældning af partikler suspenderet i væske. En almindelig anvendelse af denne teknologi er til forberedelse af blodprøver til analyse. Ifølge Rice Universitets hjemmeside Experimental Biosciences, "Den unikke struktur af blod gør det meget let at adskille røde blodlegemer fra plasma og de andre dannede elementer ved differentiel centrifugering."
Under den normale tyngdekraft forårsager termisk bevægelse kontinuerlig blanding, som forhindrer blodceller i at sætte sig ud af en helblodsprøve. Imidlertid kan en typisk centrifuge opnå accelerationer, der er mellem 600 og 2.000 gange normal tyngdekraft. Dette tvinger de tunge røde blodlegemer til at sætte sig i bunden og stratificerer de forskellige komponenter i opløsningen i lag i henhold til deres tæthed.
Denne artikel blev opdateret 10. maj 2019 af Live Science Bidragyder, Jennifer Leman.
