Wat is centripetale kracht? Definitie en vergelijkingen

Centripetale kracht wordt gedefinieerd als de kracht werken op een lichaam dat beweegt in een cirkelvormig pad dat is gericht op het centrum waarrond het lichaam beweegt. De term komt van de Latijnse woorden centrum voor "center" en petere, wat betekent "zoeken".

Centripetale kracht kan worden beschouwd als de centrumzoekende kracht. De richting is orthogonaal (in een rechte hoek) ten opzichte van de beweging van het lichaam in de richting van het krommingscentrum van het lichaamspad. Centripetale kracht verandert de richting van de beweging van een object zonder die te veranderen snelheid.

Belangrijkste afhaalrestaurants: centripetale kracht

Terwijl de middelpuntzoekende kracht een lichaam naar het midden van het rotatiepunt trekt, duwt de middelpuntvliedende kracht ("centrumvluchtende" kracht) weg van het midden.

Volgens aan de eerste wet van Newton, "een lichaam in rust zal in rust blijven, terwijl een lichaam in beweging in beweging zal blijven tenzij er door een externe kracht op wordt ingegrepen." In met andere woorden, als de krachten die op een object inwerken in evenwicht zijn, zal het object zonder een gestaag tempo blijven bewegen versnelling.

Door de middelpuntzoekende kracht kan een lichaam een ​​cirkelvormig pad volgen zonder weg te vliegen bij een raaklijn door continu in een rechte hoek op zijn pad te werken. Op deze manier werkt het op het object als een van de krachten in de eerste wet van Newton, waardoor de traagheid van het object behouden blijft.

De tweede wet van Newton is ook van toepassing op de middelpuntzoekende krachtvereiste, waarin staat dat als een object in een cirkel moet bewegen, de netto kracht die erop inwerkt naar binnen moet zijn. De tweede wet van Newton zegt dat een versneld object een nettokracht ondergaat, waarbij de richting van de nettokracht dezelfde is als de richting van de versnelling. Voor een object dat in een cirkel beweegt, moet de middelpuntzoekende kracht (de netto kracht) aanwezig zijn om de middelpuntvliedende kracht tegen te gaan.

Vanuit het standpunt van een stilstaand object op het roterende referentiekader (bijvoorbeeld een stoel op een schommel), zijn het middelpuntzoekende en middelpuntvliedende even groot, maar in tegengestelde richting. De middelpuntzoekende kracht werkt op het lichaam in beweging, terwijl de middelpuntvliedende kracht dat niet doet. Om deze reden wordt centrifugaalkracht soms een "virtuele" kracht genoemd.

De wiskundige weergave van de centripetale kracht is in 1659 afgeleid door de Nederlandse natuurkundige Christiaan Huygens. Voor een lichaam dat een cirkelvormig pad met constante snelheid volgt, is de straal van de cirkel (r) gelijk aan de massa van het lichaam (m) maal het kwadraat van de snelheid (v) gedeeld door de middelpuntzoekende kracht (F):

r = mv²/ F

De vergelijking kan worden herschikt om de centripetale kracht op te lossen:

F = mv²/ r

Een belangrijk punt dat u uit de vergelijking moet opmerken, is dat de middelpuntzoekende kracht evenredig is met het kwadraat van de snelheid. Dit betekent dat het verdubbelen van de snelheid van een object vier keer de middelpuntzoekende kracht nodig heeft om het object in een cirkel te laten bewegen. Een praktisch voorbeeld hiervan is te zien bij het maken van een scherpe bocht met een auto. Hier is wrijving de enige kracht die de banden van het voertuig op de weg houdt. Het verhogen van de snelheid verhoogt de kracht aanzienlijk, dus een slip wordt waarschijnlijker.

Merk ook op dat de berekening van de middelpuntzoekende kracht veronderstelt dat er geen extra krachten op het object inwerken.

Een andere veel voorkomende berekening is centripetale versnelling, dat is de verandering in snelheid gedeeld door de verandering in tijd. Versnelling is het snelheidsvierkant gedeeld door de straal van de cirkel:

Δv / Δt = a = v²/ r

Het klassieke voorbeeld van middelpuntzoekende kracht is het geval dat een object aan een touw wordt geslingerd. Hier levert de spanning op het touw de middelpuntzoekende "trekkracht".

De middelpuntzoekende kracht is de "duw" -kracht in het geval van een Wall of Death-motorrijder.

Centripetale kracht wordt gebruikt voor laboratoriumcentrifuges. Hier worden in een vloeistof gesuspendeerde deeltjes door versnellingsbuizen van de vloeistof gescheiden georiënteerd zodat de zwaardere deeltjes (d.w.z. objecten met een hogere massa) naar de bodem van de buizen. Hoewel centrifuges vaste stoffen gewoonlijk scheiden van vloeistoffen, kunnen ze ook vloeistoffen fractioneren, zoals in bloedmonsters, of afzonderlijke componenten van gassen.

Gascentrifuges worden gebruikt om het zwaardere isotoop uranium-238 te scheiden van het lichtere isotoop uranium-235. De zwaardere isotoop wordt naar de buitenkant van een draaiende cilinder getrokken. De zware fractie wordt afgetapt en naar een andere centrifuge gestuurd. Het proces wordt herhaald totdat het gas voldoende 'verrijkt' is.

Een vloeistofspiegeltelescoop (LMT) kan worden gemaakt door een reflecterend middel te draaien vloeistof metaal, zoals kwik. Het spiegeloppervlak neemt een paraboloïde vorm aan omdat de middelpuntzoekende kracht afhangt van het kwadraat van de snelheid. Hierdoor is de hoogte van het draaiende vloeibare metaal evenredig met het kwadraat van de afstand tot het midden. De interessante vorm die wordt aangenomen door het spinnen van vloeistoffen kan worden waargenomen door een emmer water met een constante snelheid rond te draaien.