กองกำลังแรงเหวี่ยงและศูนย์กลางคืออะไร?

แรงจากศูนย์กลางและแรงเหวี่ยงเป็นสองวิธีในการอธิบายสิ่งเดียวกัน ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแรงศูนย์กลางและแรงเหวี่ยงคือการปฐมนิเทศหรือทิศทางของแรงและเฟรมอ้างอิง - ไม่ว่าคุณจะติดตามแรงจากจุดนิ่งหรือจากมุมมองของวัตถุที่หมุนได้

แรงจากศูนย์กลางชี้ไปที่ศูนย์กลางของวงกลมทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในเส้นทางวงกลม คำว่า "centripetal" หมายถึง "การค้นหาศูนย์" แรงเหวี่ยง - ซึ่งอีกครั้งไม่เป็นจริง - ทำให้รู้สึกสำหรับวัตถุที่หมุนได้ราวกับว่ามีบางอย่างผลักมันออกไปด้านนอกห่างจากศูนย์ของวงกลมตามที่ Christopher S. Baird รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์มหาวิทยาลัย West Texas A&M-

ในขณะที่แรงจากศูนย์กลางเป็นแรงที่เกิดขึ้นจริงแรงเหวี่ยงเป็นแรงที่ชัดเจน กล่าวอีกนัยหนึ่งเมื่อคุณหมุนก้อนหินไว้บนสายสตริงจะออกแรงจุดกึ่งกลางภายในบนหินในขณะที่จากมุมมองของหินดูเหมือนว่าจะมีแรงเหวี่ยงออกไปข้างนอกบนสาย

หากคุณกำลังสังเกตระบบหมุนจากภายนอกคุณจะเห็นแรงศูนย์กลางภายในที่ทำหน้าที่ จำกัด ร่างกายที่หมุนไปยังเส้นทางวงกลม

อย่างไรก็ตามหากคุณกำลังหมุนวนไปรอบ ๆ บน gravitron คุณจะได้สัมผัสกับแรงเหวี่ยงที่ชัดเจนที่ผลักคุณออกจากศูนย์กลางของวงกลม สิ่งที่คุณรู้สึกคือกำลังศูนย์กลางภายในที่ทำให้คุณไม่สามารถออกไปแทนเจนต์ได้

ลองนึกภาพการขี่ในรถที่หันกลับมา หากคุณกำลังดูจากภายนอกคุณสามารถสังเกตกำลังศูนย์กลางที่ผลักรถเข้าด้านในไปยังศูนย์กลางทำให้มันเคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่ถ้าคุณขี่รถอยู่ในรถคุณจะรู้สึกถึงแรงผลักดันคุณให้ห่างจากศูนย์กลางของวงกลม - นี่คือแรงเหวี่ยง

ตัวอย่างชีวิตจริงที่เรียบง่ายของแรงจากศูนย์กลางคือหินที่ผูกติดอยู่กับสตริง เมื่อสตริงหมุนวนไปรอบ ๆ ความตึงเครียดในสายนั้นจะป้องกันไม่ให้หินบินออกเป็นเส้นตรง ความตึงเครียดนั้นเข้าด้านในไปยังศูนย์กลางของวงกลม

เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของดวงอาทิตย์แรงโน้มถ่วงให้กำลังศูนย์กลางที่ทำให้ดาวเคราะห์หมุนไปรอบ ๆ ดาวกลางของเรา

แรงแบบแรงเหวี่ยงอธิบายถึงความรู้สึกที่คุณได้รับเมื่อปัดเศษมุมในรถหรือเมื่อธนาคารเครื่องบินกลายเป็นเทิร์น แรงแบบแรงเหวี่ยงเกิดขึ้นในวงจรการหมุนของเครื่องซักผ้าหรือเมื่อเด็ก ๆ นั่งขี่สวนสนุก

การประยุกต์ใช้งานจริงของกองกำลังกลางคือการหมุนเหวี่ยงในห้องปฏิบัติการซึ่งใช้เพื่อเร่งการระงับของเหลว เครื่องหมุนเหวี่ยงเป็นเครื่องมือสำคัญใช้ในการวิเคราะห์ตัวอย่างเลือด-

โดยปกติแล้วการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนทำให้เกิดการผสมอย่างต่อเนื่องซึ่งป้องกันแรงโน้มถ่วงจากการบังคับให้เซลล์เม็ดเลือดตกลงไปในชั้นที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตามเครื่องหมุนเหวี่ยงในห้องปฏิบัติการทั่วไปสามารถเร่งความเร็วได้ถึง 600 ถึง 2,000 เท่าของแรงโน้มถ่วง- การเร่งความเร็วที่แข็งแกร่งนี้ทำให้เซลล์เม็ดเลือดแดงหนักตั้งอยู่ที่ด้านล่างของตัวอย่างและแบ่งส่วนประกอบต่าง ๆ ของสารละลายลงในชั้นตามความหนาแน่นของพวกเขา

แรงจากศูนย์กลางเกิดขึ้นจากกฎการเคลื่อนไหวของนิวตัน- หากร่างกายขนาดใหญ่เคลื่อนที่ผ่านอวกาศเป็นเส้นตรงความเฉื่อยของมันจะทำให้มันดำเนินต่อไปเป็นเส้นตรงเว้นแต่แรงภายนอกจะทำให้มันเร็วขึ้นชะลอตัวลงหรือเปลี่ยนทิศทาง

นี่คือวิธีการคำนวณแรงจากศูนย์กลาง:

เพื่อให้วัตถุติดตามเส้นทางวงกลมโดยไม่ต้องเปลี่ยนความเร็วจะต้องใช้แรงจากศูนย์กลางอย่างต่อเนื่องในมุมขวาไปยังเส้นทางของมัน รัศมี (R) ของวงกลมนี้เท่ากับมวล (m) เท่าที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสของความเร็ว (v) หารด้วยแรงจากศูนย์กลาง (F) หรือ r = mv^2/f แรงสามารถคำนวณได้โดยเพียงแค่จัดเรียงสมการใหม่: f = mv^2/r

กฎข้อที่สามของนิวตันระบุว่า "สำหรับทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมกันและตรงกันข้าม" เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วงทำให้คุณออกแรงแรงบนพื้นดินพื้นดินดูเหมือนจะออกแรงที่เท่ากันและตรงข้ามกับเท้าของคุณ เมื่อคุณอยู่ในรถเร่งที่นั่งจะออกแรงไปข้างหน้ากับคุณเช่นเดียวกับที่คุณปรากฏตัวเพื่อออกแรงกองกำลังย้อนหลังบนที่นั่ง

ในกรณีของระบบหมุนแรงศูนย์กลางจะดึงมวลเข้าด้านในเพื่อไปตามเส้นทางโค้งในขณะที่มวลดูเหมือนจะผลักออกไปด้านนอกเนื่องจากความเฉื่อย ในแต่ละกรณีเหล่านี้มีเพียงกำลังที่แท้จริงเพียงหนึ่งเดียวที่ถูกนำไปใช้ในขณะที่อีกอย่างหนึ่งเป็นเพียงกำลังที่ชัดเจน

สูตรสำหรับแรงเหวี่ยงเป็นเช่นเดียวกับสูตรสำหรับแรงจากศูนย์กลาง

ที่สุดสิ่งต่าง ๆ ในอวกาศเคลื่อนที่อย่างคร่าวๆเป็นวงกลมดังนั้นแรงศูนย์กลางจึงมีบทบาทสำคัญในการสำรวจอวกาศ มันควบคุมวิธีที่ดาวเทียมโคจรรอบดาวเคราะห์ของเราอย่างไรดวงจันทร์โคจรรอบโลกและวิธีที่ส่วนที่เหลือของดาวเคราะห์ระบบสุริยจักรวาลโคจรรอบดวงอาทิตย์

แรงหมุนนี้ยังใช้เพื่อจำลองการเร่งความเร็วของการเปิดตัวพื้นที่สำหรับการฝึกอบรมนักบินอวกาศ เมื่อมีการเปิดตัวจรวดครั้งแรกมันเต็มไปด้วยเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์ที่แทบจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ อย่างไรก็ตามเมื่อขึ้นไปมันจะเผาเชื้อเพลิงในอัตราที่มหาศาลสูญเสียมวลอย่างต่อเนื่องกฎข้อที่สองของนิวตันรัฐที่บังคับให้เท่ากับการเร่งความเร็วของมวลเวลาหรือ f = ma

ในสถานการณ์ส่วนใหญ่มวลยังคงที่ ด้วยจรวดแม้ว่ามวลของมันจะเปลี่ยนไปอย่างมากในขณะที่แรง - ในกรณีนี้แรงขับของมอเตอร์จรวด - ยังคงคงที่ สิ่งนี้ทำให้เกิดการเร่งความเร็วไปยังจุดสิ้นสุดของเฟส Boost เพื่อเพิ่มขึ้นหลายเท่าของแรงโน้มถ่วงปกติNASA ใช้ล้อขนาดใหญ่หมุนที่เรียกว่า centrifugesเพื่อเตรียมนักบินอวกาศสำหรับการเร่งความเร็วที่รุนแรงนี้ ในแอพพลิเคชั่นนี้แรงศูนย์กลางนั้นมีให้โดยด้านหลังของที่นั่งที่ผลักเข้าไปด้านในของนักบินอวกาศ

ขณะเดียวกันกำลังแรงเหวี่ยงสามารถสร้างภาพลวงตาของแรงโน้มถ่วงในสถานีอวกาศในอนาคต หากคุณหมุนยานอวกาศผ่านแรงศูนย์กลางคุณจะสร้างความเร่งที่จะรู้สึกว่าเป็นแรงเหวี่ยง เอฟเฟกต์นี้สามารถสร้างแรงโน้มถ่วงประดิษฐ์สมมติว่างานฝีมือหมุนเร็วพอ