В седьмом классе на уроках физики школьники проходят механику — раздел о том, как движутся и взаимодействуют тела между собой. Механика изучает блоки, рычаги, силы. В том числе, центробежную и центростремительную.
По словам преподавателей московских школ, каждый четвёртый школьник не отличает одну силу от другой. Ученики путаются из-за общего корня — центр. Пришло время разобраться, что это такое, в чём разница между ними и чем похожи.
Что такое центробежная сила
Сначала примеры:
- Когда стиральная машинка отжимает мокрое бельё, барабан быстро крутится. Так вода выходит из ткани.
- Метание молота на олимпийских играх. Перед броском спортсмен кружится вокруг своей оси, а потом отпускает молот.
- В китайских цирках популярен номер с мотоциклистами в металлическом шаре. Каскадёров запускают внутрь конструкции, где они разгоняются и ездят по всей поверхности шара. Даже по верху.
- На крутом повороте пассажиров внутри автомобиля заносит в сторону.
Центробежная сила (Fцб) — это сила, которая действует на криволинейно движущееся тело с угловой скоростью. Чтобы её найти, используют две формулы: F = ma или F= mv2/r, где m — масса, a — ускорение, v — скорость r — радиус.
Fцб возникает при инерции, когда тело перемещается криволинейно. Она зависит от двух вещей: центра вращения; радиуса до предмета. Например, метание молота: спортсмен начинает кружиться вокруг своей оси вместе со снарядом. Металлическая проволока натягивается шаром, который весит как школьный портфель. Когда атлет отпускает ручку, молот улетает по прямой.
Молот натягивает проволоку, когда кружится в воздухе. На него действует инерция, которая “вырывают” его с траектории движения. Вместе с ними шар удерживают атлет и натянутая проволока. Поэтому, снаряд не улетит, пока спортсмен не отпустит ручку.
Теперь обратно к формуле: радиус — длина проволоки; масса — вес шара; скорость — это насколько быстро атлет кружится; центр вращение — сам спортсмен.
Что такое центростремительная сила
Примеры:
- Земля летает вокруг Солнца по орбите.
- Йо-йо кружится вокруг руки.
- Колесо обозрения делает полный оборот.
Центростремительная сила (Fцс) — это сила, которая действует на криволинейно движущееся тело. Чтобы её найти, используют формулу: F= mv2/r .
Fцс возникает, когда тело движется по кругу и его что-то удерживает на траектории. Вернёмся к примеру с метанием молота: шар кружится в воздухе, но не улетает от атлета дальше длины проволоки. Как будто, что-то притягивает предмет. Его удерживает Fцс.
Fцс — это обобщение других влияний на предмет действия. Например, атлет удерживает молот или Солнце притягивает к себе Землю и она не улетает с орбиты.
В первом случае шар удерживают сам спортсмен и натяжение проволоки. Во втором — Землю не отпускает притяжение Солнца. Эти случаи не имеют ничего общего, но называют их одинаково.
Fцс зависит от: радиуса между предметом; центром вращения. Чем больше расстояние между центром вращения и предметом, тем меньше на него действуют. Например, если на метровую верёвку привязать камень, вращать его, то он станет тянуть с силой F. Если поменять верёвку на 2-метровую, то уже будет F/2.
Что общего между ними
Пришло время сравнить центробежную и центростремительную силы. У них есть отличия и сходства. Вот общие черты:
Равны по значению
Земля кружится вокруг Солнца по эллиптической орбите. Когда планета пролетает на расстоянии 147 миллионов километров, её скорость равна 30,2 км/с. Этот участок называется перигелий. Здесь Fцб больше всего, потому что скорость выше средней, а промежуток между планетой с центром вращения короткий.
На расстоянии в 152 миллиона километров до Солнца скорость падает до 29,2 км/с. Эта зона называется афелием. Здесь Fцб самая низкая, потому что дистанция до звезды больше, а скорость ниже средней.
Между перигелием и афелием планета летит со средней скоростью 29,8 км/с.
Возникают одновременно
Они появляются, когда предмет движется криволинейно. Вот примеры для наглядности:
В лопасти конструкции с электромотором повесили два груза. Мотор закрутил их, появилась инерция. Они начали кружиться на лопастях, но не улетели. Их удержала Fцс.
Автомобиль разогнался до 120 км/ч и пошёл в вираж. Машину занесло, она поменяла направление движения за счёт Fцб. Но автомобиль не вылетел с дороги и остался на полосе. Так получилось, потому что Fцс удержала машину.
Во всех примерах они стали действовать одновременно.
Чем они различаются
Они возникают, когда тело движется криволинейно. Их значения равны. Но они — не одно и то же. Пора разобраться, в чём разница.
Разные по направлению
Первое отличие — направление. То, что они друг другу равны и одновременно появляются не означает, что их векторы смотрят в одну сторону.
Земля вращается вокруг Солнца по своей орбите. Она пытается оторваться от звезды, чтобы улететь в Галактику. Но её что-то удерживает.
Fцб направлена от центра вращения. Она тянет планету как можно дальше от звезды. Но почему в перигелии она самая большая? Потому что, чем ближе планета к центру, тем больше на неё действуют. Если подставить в формулу F= mv2/r скорость и радиус перигелия, а потом афелия, то получится что Fцб больше на коротком участке.
Fцс — это противоположность центробежной. Она направлена к центру и не даёт телу сойти с траектории.
Для Fцб и Fцс работает Третий закон Ньютона: F1=-F2. Тела действуют друг на друга одинаково по модулю, но противоположно по направлению. Поэтому, Земля до сих пор крутится вокруг Солнца.
Источники возникновения
Кроме противоположных векторов направления у них есть ещё одно различие — причину появления.
Инерция появляется, когда предмет перемещается криволинейно. То есть, автомобиль пытается двигаться прямолинейно, когда входит в поворот на скорости 120 км/ч.
Fцс появляется из-за разных источников: тяга двигателя не даёт слететь машине с дороги; мощь спортсмена и натяжения проволоки держат молот; Солнце притягивает Землю. Все эти примеры — разные физические явления, но называют их одинаково.
