Vad är Centripetal Force? Definition och ekvationer

Centripetalkraft definieras som den kraft som verkar på en kropp som rör sig i en cirkulär bana som är riktad mot mitten runt vilken kroppen rör sig. Termen kommer från de latinska orden centrum för "centrum" och petere, som betyder "att söka."

Centripetalkraft kan betraktas som den centralsökande styrkan. Dess riktning är ortogonal (i rätt vinkel) mot kroppens rörelse i riktningen mot krökningscentrum för kroppens bana. Centripetalkraften ändrar riktningen för ett föremålets rörelse utan att ändra hastigheten.

Key Takeaways: Centripetal Force

• Centripetalkraft är kraften på en kropp som rör sig i en cirkel som pekar inåt mot den punkt som objektet rör sig runt.
• Kraften i motsatt riktning, som pekar utåt från rotationscentrumet, kallas centrifugalkraft.
• För en roterande kropp är centripetalkraften och centrifugalkraften lika i storlek men motsatt i riktning.

Skillnad mellan centripetal och centrifugalkraft

Medan centripetalkraft verkar för att dra en kropp mot mitten av rotationspunkten, skjuter centrifugalkraften ("centrum-flykt" -kraften) bort från mitten.

Enligt Newtons första lag "kommer en kropp i vila att förbli i vila, medan en kropp i rörelse kommer att förbli i rörelse såvida inte den utövas av en extern kraft." Med andra ord, om krafterna som verkar på ett föremål är balanserade, kommer objektet att fortsätta att röra sig i jämn takt utan acceleration.

Den centripetala kraften tillåter en kropp att följa en cirkulär bana utan att flyga av vid en tangent genom att kontinuerligt agera i rätt vinkel mot dess bana. På detta sätt agerar det på objektet som en av krafterna i Newtons första lag och håller således objektets tröghet.

Newtons andra lag gäller också i fallet med centripetalkraftsbehov, som säger att om ett objekt är att röra sig i en cirkel måste nettokraften som verkar på den vara inåt. Newtons andra lag säger att ett objekt som accelereras genomgår en nettokraft, med nätkraftens riktning samma som accelerationsriktningen. För ett föremål som rör sig i en cirkel måste centripetalkraften (nettokraften) vara närvarande för att motverka centrifugalkraften.

Från ett stationärt objekts synvinkel på den roterande referensramen (t.ex. ett säte på en gunga) är centripetalen och centrifugalen lika stor i storlek men motsatta i riktning. Centripetalkraften verkar på kroppen i rörelse, medan centrifugalkraften inte gör det. Av denna anledning kallas centrifugalkraft ibland en "virtuell" kraft.

Hur man beräknar Centripetal Force

Den matematiska representationen av centripetalkraften härleddes av den holländska fysikern Christiaan Huygens 1659. För en kropp som följer en cirkulär bana med konstant hastighet är cirkelns (rad) radie lika med kroppens massa (gånger) hastigheten på hastigheten (v) dividerat med centripetalkraften (F):

r = mv²/ F

Ekvationen kan omorganiseras för att lösa för centripetalkraft:

F = mv²/ r

En viktig punkt som du bör notera från ekvationen är att centripetalkraften är proportionell mot kvadratet för hastighet. Detta betyder att fördubblingen av ett objekts hastighet behöver fyra gånger centripetalkraften för att hålla föremålet i rörelse i en cirkel. Ett praktiskt exempel på detta ses när man tar en skarp kurva med en bil. Här är friktion den enda kraften som håller bilens däck på vägen. Genom att öka hastigheten ökar kraften kraftigt, så en glidbana blir mer trolig.

Observera också att beräkningen av centripetalkraften antar att inga ytterligare krafter verkar på föremålet.

Centripetal Acceleration Formula

En annan vanlig beräkning är centripetalacceleration, vilket är förändringen i hastighet dividerat med förändringen i tid. Acceleration är kvadratet med hastighet dividerat med cirkelns radie:

Δv / Δt = a = v²/ r

Praktiska tillämpningar av Centripetal Force

Det klassiska exemplet på centripetalkraft är fallet med ett föremål som svängs på ett rep. Här tillhandahåller spänningen på repet den centripetala "dragkraften".

Centripetal kraft är "push" -kraften för en motorcykelrytter.

Centripetalkraft används för laboratoriecentrifuger. Här separeras partiklar som är upphängda i en vätska från vätskan genom att accelerera rör orienterade så att de tyngre partiklarna (dvs föremål med högre massa) dras mot rörens botten. Medan centrifuger vanligtvis separerar fasta ämnen från vätskor, kan de också fraktionera vätskor, som i blodprover, eller separera gaskomponenter.

Gascentrifuger används för att separera den tyngre isotopen uran-238 från den lättare isotopen uran-235. Den tyngre isotopen dras mot utsidan av en snurrcylinder. Den tunga fraktionen tappas och skickas till en annan centrifug. Processen upprepas tills gasen är tillräckligt "anrikad".

Ett flytande spegelteleskop (LMT) kan tillverkas genom att rotera en reflekterande flytande metall, såsom kvicksilver. Spegelytan antar en paraboloidform eftersom centripetalkraften beror på hastigheten kvadrat. På grund av detta är höjden på den snurrande flytande metallen proportionell mot kvadratet på dess avstånd från mitten. Den intressanta formen som antas av snurrande vätskor kan observeras genom att snurra en hink med vatten med konstant hastighet.