Centripetal kraft er defineret som kraften der virker på et legeme, der bevæger sig i en cirkulær bane, der er rettet mod midten, hvor kroppen kører rundt. Udtrykket kommer fra de latinske ord Centrum for "center" og petere, hvilket betyder "at søge."
Centripetal kraft kan betragtes som den center-søgende kraft. Dens retning er ortogonal (i en ret vinkel) i forhold til kroppens bevægelse i retning mod krumningspunktet for kroppens bane. Centripetal kraft ændrer retningen på et objekts bevægelse uden at ændre dens hastighed.
Key takeaways: Centripetal Force
- Centripetal kraft er kraften på et legeme, der bevæger sig i en cirkel, der peger indad mod det punkt, hvor objektet bevæger sig rundt.
- Kraften i den modsatte retning, der peger udad fra rotationscentret, kaldes centrifugalkraft.
- For et roterende legeme er centripetale og centrifugalkræfter lige i størrelse, men modsat i retning.
Forskel mellem centripetal og centrifugalkraft
Mens centripetalkraft virker for at trække et legeme mod midten af rotationspunktet, skubber centrifugalkraften ("midtflygtende" kraft) væk fra midten.
Ifølge til Newtons første lov, "et legeme i hvile vil forblive i hvile, mens et legeme i bevægelse vil forblive i bevægelse, medmindre det udøves af en ekstern kraft." I med andre ord, hvis kræfterne, der virker på et objekt, er afbalanceret, vil objektet fortsætte med at bevæge sig i et jævnt tempo uden acceleration.
Centripetalkraften tillader et legeme at følge en cirkulær bane uden at flyve af ved en tangent ved konstant at handle i en ret vinkel til dens bane. På denne måde handler den på objektet som en af kræfterne i Newtons første lov og holder således objektets inerti.
Newtons anden lov gælder også i tilfælde af krav til centripetal kraft, som siger, at hvis et objekt er at bevæge sig i en cirkel, skal nettokraften, der virker på den, være indad. Newtons anden lov siger, at et objekt, der accelereres, gennemgår en nettokraft, idet netkraften er den samme som accelerationsretningen. For et objekt, der bevæger sig i en cirkel, skal centripetalkraften (nettokraften) være til stede for at modvirke centrifugalkraften.
Fra et stationært objekts synspunkt på den roterende referenceramme (f.eks. Et sæde på en sving) er centripetalen og centrifugalen lige i størrelse, men modsat i retning. Den centripetale kraft virker på kroppen i bevægelse, mens centrifugalkraften ikke gør det. Af denne grund kaldes centrifugalkraft undertiden en "virtuel" styrke.
Sådan beregnes centripetal kraft
Den matematiske repræsentation af centripetalkraft blev afledt af den hollandske fysiker Christiaan Huygens i 1659. For et legeme, der følger en cirkulær bane med konstant hastighed, er cirkelens (rad) radius lig med massen af kroppen (m) gange kvadratet af hastigheden (v) divideret med centripetalkraften (F):
r = mv2/ F
Ligningen kan omarrangeres for at løse for centripetalkraft:
F = mv2/ r
Et vigtigt punkt, du skal bemærke fra ligningen, er, at centripetalkraften er proportional med kvadratet med hastighed. Dette betyder, at fordobling af hastighed af et objekt har brug for fire gange centripetalkraften for at holde objektet i bevægelse i en cirkel. Et praktisk eksempel på dette ses, når man tager en skarp kurve med en bil. Her er friktion den eneste kraft, der holder køretøjets dæk på vejen. At øge hastigheden øger kraften kraftigt, så en glidning bliver mere sandsynlig.
Bemærk også, at beregningen af centripetalkraften antager, at ingen ekstra kræfter virker på objektet.
Centripetal accelerationsformel
En anden almindelig beregning er centripetal acceleration, som er ændringen i hastighed divideret med ændringen i tid. Acceleration er hastighedskvadratet divideret med cirkelens radius:
Δv / Δt = a = v2/ r
Praktiske anvendelser af Centripetal Force
Det klassiske eksempel på centripetalkraft er tilfældet med en genstand, der svinges på et reb. Her forsyner spændingen på rebet den centripetale "pull" -kraft.
Centripetal kraft er "push" -kraften i tilfælde af en motorcykelrytter af Wall of Death.
Centripetal kraft bruges til laboratoriecentrifuger. Her separeres partikler, der er ophængt i en væske fra væsken ved at accelerere rør orienteret, så de tungere partikler (dvs. genstande med højere masse) trækkes mod bunden af rør. Mens centrifuger ofte adskiller faste stoffer fra væsker, kan de også fraktionere væsker, som i blodprøver, eller adskille komponenter af gasser.
Gascentrifuger bruges til at adskille den tyngre isotop uran-238 fra den lettere isotop uran-235. Den tyngre isotop trækkes mod ydersiden af en spindecylinder. Den tunge fraktion tappes og sendes til en anden centrifuge. Processen gentages, indtil gassen er tilstrækkeligt "beriget".
Et flydende spejleteleskop (LMT) kan fremstilles ved at dreje en refleks væske metal, såsom kviksølv. Spejloverfladen antager en paraboloid form, fordi centripetalkraften afhænger af kvadratet for hastigheden. På grund af dette er højden på det spindende flydende metal proportionalt med kvadratet med dets afstand fra midten. Den interessante form, der antages ved at spinde væsker, kan observeres ved at spinde en spand vand med en konstant hastighed.