ANG PUWERSA NG CENTRIFUGAL: MGA PORMULA, KUNG PAANO ITO KINAKALKULA, MGA HALIMBAWA, PAGSASANAY - PISIKAL - 2025

Ang puwersa ng sentripugal ay may kaugaliang itulak ang mga umiikot na katawan na kumukuha ng isang kurba. Ito ay itinuturing na isang kathang-isip na puwersa, pseudoforce o walang lakas na puwersa, sapagkat hindi ito sanhi ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga tunay na bagay, ngunit isang pagpapakita ng pagkawalang-kilos ng mga katawan. Ang inertia ay ang pag-aari na gumagawa ng mga bagay na nais na mapanatili ang kanilang estado ng pahinga o ng pantay na paggalaw ng rectilinear, kung mayroon silang isa.

Ang salitang "sentripugal na puwersa" ay pinahusay ng siyentipiko na si Christian Huygens (1629-1695). Sinabi niya na ang paggalaw ng curvilinear ng mga planeta ay may posibilidad na ilipat ang mga ito maliban kung ang LI ay nagpipilit ng ilang puwersa upang pigilin sila, at kinakalkula niya na ang puwersa na ito ay proporsyonal sa parisukat ng bilis at hindi sukat na proporsyonal sa radius ng inilarawan na pagkagapos.

Larawan 1. Kapag ang pag-cornering, nakakaranas ang mga pasahero ng isang puwersa na may posibilidad na hilahin ito. Pinagmulan: Libreshot.

Para sa mga naglalakbay sa pamamagitan ng kotse, ang puwersa ng sentripugal ay hindi kathang-isip lamang. Ang mga pasahero sa isang kotse na lumiko sa kanan ay itinulak sa kaliwa, at kabaliktaran, kapag ang kotse ay lumiko pakaliwa, nakakaranas ang mga tao ng isang puwersa sa kanan, na tila nais na ilipat ang mga ito mula sa gitna ng curve.

Ang laki ng sentripugal na puwersa F _g ay kinakalkula ng sumusunod na expression:

- F _g ang kadakilaan ng puwersa ng sentripugal

- m ay ang masa ng bagay

- v ang bilis

- R ang radius ng curved path.

Ang puwersa ay isang vector, samakatuwid ang naka-bold na uri ay ginagamit upang makilala ito mula sa kadakilaan nito, na isang scalar.

Laging tandaan na ang F _{g ay} lilitaw lamang kapag ang paggalaw ay inilarawan gamit ang isang pinabilis na frame ng sanggunian.

Sa halimbawa na inilarawan sa simula, ang umiikot na kotse ay bumubuo ng isang pinabilis na sanggunian, dahil nangangailangan ito ng pagpapabilis ng sentripetal upang maaari itong lumingon.

Paano kinakalkula ang puwersa ng sentripugal?

Ang pagpili ng sistema ng sanggunian ay mahalaga para sa pagpapahalaga sa kilusan. Ang isang pinabilis na frame ng sanggunian ay kilala rin bilang isang non-inertial frame.

Sa ganitong uri ng system, tulad ng isang umiikot na kotse, ang mga kathang-isip na puwersa tulad ng puwersa ng sentripugal, ang pinagmulan ng kung saan ay hindi isang tunay na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga bagay. Hindi masabi ng isang pasahero kung ano ang itinulak sa kanya mula sa kurba, maaari lamang niyang kumpirmahin na ito ang kaso.

Sa kabilang banda, sa isang sistema ng sanggunian na walang kinalaman, ang mga pakikipag-ugnay ay nangyayari sa pagitan ng mga tunay na bagay, tulad ng paglipat ng katawan at ng Daigdig, na nagbibigay ng pagtaas sa timbang, o sa pagitan ng katawan at ng ibabaw na kung saan ito gumagalaw, na nagmula alitan at normal.

Ang isang tagamasid na nakatayo sa gilid ng kalsada at nanonood ng kotse na turn ang curve ay isang magandang halimbawa ng isang inertial reference system. Para sa tagamasid na ito, ang kotse ay lumiliko dahil ang isang puwersa na nakadirekta patungo sa gitna ng curve ay kumikilos dito, na pinipilit itong huwag iwanan ito. Ito ang puwersang sentripetal na ginawa ng alitan sa pagitan ng mga gulong at simento.

Sa isang inertial reference frame, ang puwersa ng sentripugal ay hindi lilitaw. Samakatuwid ang unang hakbang sa pagkalkula nito ay maingat na pumili ng sanggunian na sanggunian na gagamitin upang ilarawan ang kilusan.

Sa wakas, dapat itong tandaan na ang mga inertial reference system ay hindi kinakailangang maging pahinga, tulad ng tagamasid na nanonood ng sasakyan na lumiko ang kurba. Ang isang inertial reference frame, na kilala bilang isang frame ng sangguniang pang-laboratoryo, ay maaari ding maggalaw. Siyempre, na may pare-pareho ang bilis na may paggalang sa isang inertial one.

Libreng diagram ng katawan sa isang inertial at non-inertial system

Sa susunod na figure sa kaliwa, isang tagamasid O ay nakatayo at tinitingnan ang O ', na nasa platform na umiikot sa ipinahiwatig na direksyon. Para sa O, na kung saan ay isang inertial frame, tiyak na O 'ay pinananatiling umiikot dahil sa sentripetal na puwersa F _{c na} ginawa ng pader ng grid sa likuran ng O'.

Larawan 2. Ang isang tao na nakatayo sa isang turntable ay nakikita mula sa dalawang magkakaibang mga sanggunian na sanggunian: ang isa na naayos at ang isa pa na sumasama sa tao. Pinagmulan: Física de Santillana.

Tanging sa mga inertial reference frame ay may bisa na mag-apply ng pangalawang batas ng Newton, na nagsasaad na ang lakas ng net ay katumbas ng produkto ng masa at ang pagbilis. At sa paggawa nito, sa ipinakitang diagram ng libreng katawan, nakuha namin:

Katulad nito, sa figure sa kanan ay mayroon ding isang diagram ng libreng katawan na naglalarawan kung ano ang nakikita ng tagamasid O '. Mula sa kanyang pananaw, siya ay nasa pahinga, samakatuwid ang mga puwersa sa kanya ay balanse.

Ang mga puwersang ito ay: ang normal na F , na ang pader ay lumalakad dito, sa pula at nakadirekta patungo sa gitna at ang sentripugal na puwersa F _g na itinulak ito palabas at na hindi nagmula sa anumang pakikipag-ugnay, ay isang walang-lakas na puwersa na lilitaw sa umiikot na mga system ng sanggunian.

Ang puwersa ng sentripugal ay kathang-isip, ito ay balanse ng isang tunay na puwersa, ang contact o normal na puwersa na tumuturo patungo sa sentro. Kaya:

Mga halimbawa

Bagaman ang puwersa ng sentripugal ay itinuturing na isang lakas na puwersa, ang mga epekto nito ay lubos na tunay, tulad ng makikita sa mga sumusunod na halimbawa:

- Sa anumang laro ng pag-ikot sa isang parke ng libangan, ang puwersa ng sentripugal ay naroroon. Tiniyak niya na "tumatakbo kami mula sa gitna" at nag-aalok ng patuloy na pagtutol kung susubukan mong maglakad sa gitna ng isang gumagalaw na carousel. Sa mga sumusunod na palawit ay makikita mo ang puwersa ng sentripugal:

- Ang epekto ng Coriolis ay lumitaw mula sa pag-ikot ng Daigdig, na pinipigilan ang Earth na maging isang inertial frame. Pagkatapos ay lumilitaw ang puwersa ng Coriolis, na kung saan ay isang pseudo-force na nag-deflect ng mga bagay sa paglaon, tulad ng nangyayari sa mga taong sinusubukan na maglakad sa isang turntable.

Pagsasanay

Ehersisyo 1

Ang isang kotse na may pagbilis ng A sa kanan ay may isang pinalamanan na laruan na nakabitin mula sa salamin sa likuran sa likod. Gumuhit at ihambing ang mga diagram ng libreng katawan ng laruang nakikita mula sa:

a) Ang inertial frame ng sanggunian ng isang tagamasid na nakatayo sa kalsada.

b) Isang pasahero na naglalakbay sa sasakyan.

Solusyon sa

Ang isang tagamasid na nakatayo sa kalsada ay napansin na ang laruan ay mabilis na gumagalaw, na may pabilis na A sa kanan.

Larawan 3. Libre na diagram ng katawan para sa ehersisyo 1a. Pinagmulan: F. Zapata.

Mayroong dalawang puwersa na kumikilos sa laruan: sa isang banda ang pag-igting sa string T at ang vertical na timbang pababa W. Ang timbang ay balanse sa patayong bahagi ng tensyon Tcosθ, samakatuwid:

Ang pahalang na bahagi ng pagkapagod: T. sin unb ay ang hindi balanseng puwersa na responsable para sa pabilisin sa kanan, samakatuwid ang puwersang sentripetal ay:

Solusyon b

Para sa isang pasahero sa kotse, ang laruan ay nakabitin sa balanse at ang diagram ay ang mga sumusunod:

Larawan 4. Libre na diagram ng katawan para sa ehersisyo 1b. Pinagmulan: F. Zapata.

Tulad ng sa nakaraang kaso, ang bigat at ang vertical na sangkap ng pag-igting ay nabayaran. Ngunit ang pahalang na bahagi ay balanse ng kathang-isip na puwersa F _g = mA, tulad nito:

Mag-ehersisyo 2

Ang isang barya ay nasa gilid ng isang lumang player ng record ng vinyl, ang radius na kung saan ay 15 cm at ito ay umiikot sa 33 rebolusyon / minuto. Hanapin ang minimum na koepisyent ng static friction na kinakailangan para sa barya upang manatili sa lugar, gamit ang frame ng sanggunian ng pagkakaisa sa barya.

Solusyon

Sa figure ay ang diagram ng libreng katawan para sa isang tagamasid na gumagalaw gamit ang barya. Ang normal na N na ang turntable exert patayo up ay balanse ng timbang W , habang ang sentripugal na puwersa F _g ay binabayaran ng static _friction F _friction .

Larawan 5. Libreng diagram ng katawan para sa ehersisyo 2. Pinagmulan: F. Zapata.

Ang laki ng sentripugal na puwersa ay mv ² / R, tulad ng sinabi sa simula, kung gayon:

Sa kabilang banda, ang static friction force ay ibinibigay ng:

Saan μ _s ay ang coefficient ng static alitan, isang dimensionless dami na ang halaga ay depende sa kung paano ang ibabaw ay nasa contact. Ang pagsusulat ng ekwasyong ito ay:

Ang laki ng normal ay nananatiling matukoy, na may kaugnayan sa timbang ayon sa N = mg. Substituting muli:

Bumalik sa pahayag, iniulat na ang barya ay umiikot sa rate na 33 rebolusyon / minuto, na kung saan ang angular na tulin o angular frequency ω, na nauugnay sa bilis ng linear v:

Ang mga resulta ng ehersisyo na ito ay magiging pareho kung ang isang inertial reference frame ay napili. Sa ganoong kaso, ang tanging puwersa na may kakayahang magdulot ng bilis sa gitna ay static friction.

Aplikasyon

Tulad ng sinabi namin, ang puwersa ng sentripugal ay isang kathang-isip na puwersa, na hindi lumilitaw sa mga inertial frame, na kung saan ay ang mga lamang kung saan ang mga batas ng Newton ay may bisa. Sa kanila, ang puwersa ng sentripetal ay may pananagutan sa pagbibigay ng katawan ng kinakailangang pabilisin patungo sa gitna.

Ang puwersa ng sentripetal ay hindi ibang lakas mula sa mga kilala na. Sa kabaligtaran, tiyak na ito ang mga gumaganap na papel ng mga puwersang sentripetal kung naaangkop. Halimbawa, ang gravity na gumagawa ng orbit ng Buwan sa paligid ng Earth, ang pag-igting sa isang lubid kung saan ang isang bato ay pinaikot, static na pagkikiskisan at puwersa ng electrostatic.

Gayunpaman, habang ang pinabilis na mga frame ng sanggunian ay masagana sa kasanayan, ang mga kathang-isip na pwersa ay may tunay na mga epekto. Halimbawa, narito ang tatlong mahahalagang aplikasyon kung saan mayroon silang mga nasasalat na epekto:

Centrifuges

Ang mga sentripuges ay mga instrumento na malawakang ginagamit sa laboratoryo. Ang ideya ay upang gumawa ng isang halo ng mga sangkap na paikutin sa mataas na bilis at ang mga sangkap na may mas malawak na karanasan sa masa ng isang mas malaking sentripugal na puwersa, ayon sa equation na inilarawan sa simula.

Pagkatapos ang pinaka-napakalaking mga particle ay may posibilidad na lumayo mula sa axis ng pag-ikot, kaya nahihiwalay mula sa mga magaan, na mananatiling malapit sa gitna.

Mga washing machine

Ang mga awtomatikong washer ay may iba't ibang mga siklo ng paikot. Sa kanila, ang mga damit ay nakasentro upang matanggal ang natitirang tubig. Ang mas mataas na mga rebolusyon ng ikot, mas mababa basa ang mga damit ay sa dulo ng hugasan.

Ang cant ng mga curves

Ang mga kotse ay mas mahusay sa cornering sa mga kalsada, dahil ang mga track ng slope nang bahagya patungo sa gitna ng curve, na kilala bilang cant. Sa ganitong paraan, ang kotse ay hindi umaasa ng eksklusibo sa static friction sa pagitan ng mga gulong at kalsada upang makumpleto ang pagliko nang hindi umaalis sa curve.

Mga Sanggunian

1. Acosta, Victor. Ang konstruksyon ng isang didactic na gabay sa puwersa ng sentripugal para sa mga mag-aaral sa siklo V grade 10. Nakuha mula sa: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Mga Batas ng Paggalaw: Mabilog na Paggalaw. Nabawi mula sa: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Pisikal. Tomo 1. Ika-3 Ed. Sa Espanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Autonomous University ng Estado ng Hidalgo. Puwersa ng sentripugal. Nabawi mula sa: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Centrifuges. Nabawi mula sa: es.wikipedia.org.