Keskipakoisvoima on kaikkialla arjessa, mutta onko se sitä mieltä, että se on?
Koemme sen, kun kiertämme nurkassa autossa tai kun lentokone kääntyy käännökseen. Me näemme sen pesukoneen kehrätyksessä tai kun lapset ajavat kiertoajelulla. Yhtenä päivänä se voi jopa tarjota keinotekoisen painovoiman avaruusaluksille ja avaruusasemille.
Keskipakoisvoima sekoitetaan kuitenkin usein vastaavaan, keskisuuntaiseen voimaan, koska ne ovat niin läheisesti toisiinsa liittyviä - olennaisesti saman kolikon kaksi puolta.
Centripetaalivoima määritellään seuraavasti: "voima, joka on tarpeen esineen liikkumisen pitämiseksi kaarevalla polulla ja joka on suunnattu sisäänpäin kohti pyörimiskeskusta", kun taas keskipakoisvoima määritellään "ilmeiseksi voimaksi, jonka tuntee esine, joka liikkuu esineessä kaarevalla polulla, joka toimii ulospäin pyörimiskeskipisteestä ", Merriam Webster Dictionary -lehden mukaan.
Huomaa, että vaikka keskisuuntainen voima on todellinen voima, keskipakoisvoima määritellään näennäiseksi voimaksi. Toisin sanoen, kun pyöritetään massaa narulla, naru kohdistaa massaan sisäänpäin suunnatun keskisuuntaisen voiman, kun taas massa näyttää kohdistavan ulospäin keskipakoisvoiman narulle.
"Eri centripetaalisen ja keskipakoisvoiman välillä on yhteys erilaisiin" viitekehyksiin ", toisin sanoen erilaisiin näkökulmiin, joista mitaat jotain", sanoi Washingtonin yliopiston tutkimusfyysikko Andrew A. Ganse. "Centripetal-voima ja keskipakoisvoima ovat todella täsmälleen sama voima, vain vastakkaisiin suuntiin, koska ne ovat kokenut eri viitekehyksistä."
Jos tarkkailet pyörivää järjestelmää ulkopuolelta, näet sisäänpäin suuntautuva keskisuuntainen voima, joka toimii kiertävän rungon rajoittamiseksi pyöreälle polulle. Kuitenkin, jos olet osa pyörivää järjestelmää, koet ilmeisen keskipakoisvoiman, joka työntää sinut pois ympyrän keskustasta, vaikka todellisuudessa tunnetkin sisäänpäin suuntautuvan centripetaalivoiman, joka estää sinua kirjaimellisesti menemästä tangenssiin .
Voimat noudattavat Newtonin liikelakia
Tätä ilmeistä ulkoista voimaa kuvaavat Newtonin liiketiedot. Newtonin ensimmäisen lain mukaan "levossa oleva keho pysyy levossa ja liikkeessä oleva keho pysyy liikkeessä, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa".
Jos massiivinen kappale liikkuu avaruuden läpi suorassa linjassa, sen hitaus saa sen jatkamaan suorassa linjassa, ellei ulkopuolinen voima aiheuta sen nopeuttamista, hidastamista tai suunnan muuttamista. Jotta se voisi noudattaa pyöreää polkua muuttamatta nopeutta, jatkuva keskisuuntainen voima on kohdistettava suorassa kulmassa polkuunsa. Tämän ympyrän säde (r) on yhtä suuri kuin massa (m) ja nopeuden neliö (v) jaettuna keskisuuntaisella voimalla (F) tai r = mv ^ 2 / F. Voima voidaan laskea yksinkertaisesti järjestämällä yhtälö F = mv ^ 2 / r.
Newtonin kolmannessa laissa todetaan, että "jokaisessa toiminnassa on sama ja päinvastainen reaktio". Aivan kuten painovoima saa sinut kohdistamaan voiman maahan, maa näyttää kohdistavan samansuuruisen ja vastakkaisen voiman jalkoihisi. Kun olet kiihdyttävässä autossa, istuin kohdistaa eteenpäin suunnatun voiman aivan kuin näytät vaikuttavan istuimeen taaksepäin.
Pyörivän järjestelmän tapauksessa keskisuuntainen voima vetää massaa sisäänpäin seuraamaan kaarevaa polkua, kun taas massa näyttää työntyvän ulospäin sen hitauden vuoksi. Jokaisessa näistä tapauksista on kuitenkin vain yksi todellinen voima kohdistettu, kun taas toinen on vain näkyvä voima.
Esimerkkejä keskellä olevasta voimasta toiminnassa
Centripetaalista voimaa hyödyntäviä sovelluksia on monia. Yksi on simuloida avaruudessa tapahtuvan laukaisun kiihtyvyyttä astronautien harjoittelua varten. Kun raketti laukaistaan ensimmäisen kerran, se on niin kuormattu polttoaineella ja hapettimella, että se tuskin voi liikkua. Nouseessaan se kuitenkin polttaa polttoainetta valtavalla nopeudella menettäen jatkuvasti massaa. Newtonin toisen lain mukaan voima on yhtä suuri kuin massakehityksen kiihtyvyys tai F = ma.
Useimmissa tilanteissa massa pysyy vakiona. Rakettilla sen massa kuitenkin muuttuu dramaattisesti, kun taas voima, tässä tapauksessa rakettimoottorien työntövoima, pysyy melkein vakiona. Tämä saa aikaan kiihtyvyyden vahvistusvaiheen loppua kohti nouseen useita kertoja normaalin painovoiman kiihtyvyyteen. NASA käyttää suuria sentrifugeja astronauttien valmistamiseen tähän äärimmäiseen kiihtyvyyteen. Tässä sovelluksessa keskisuuntainen voima aikaansaadaan istuimen selkänojassa työnnettäessä sisäänpäin astronautille.
Toinen esimerkki centripetaalisen voiman käytöstä on laboratoriosentrifugi, jota käytetään nesteeseen suspendoituneiden hiukkasten saostumisen kiihdyttämiseen. Yksi tämän tekniikan yleinen käyttö on valmistaa verinäytteitä analysointia varten. Rice University: n kokeellisen biotieteiden verkkosivuston mukaan "Veren ainutlaatuinen rakenne tekee punaisten verisolujen erottamisen plasmasta ja muista muodostuneista elementeistä erittäin helpoksi differentiaalisella sentrifugoinnilla".
Normaalin painovoiman ollessa lämpöliike aiheuttaa jatkuvaa sekoittumista, joka estää verisoluja laskeutumasta kokonaan verinäytteestä. Tyypillinen sentrifugi voi kuitenkin saavuttaa kiihtyvyyksiä, jotka ovat 600 - 2 000 kertaa normaalin painovoiman nopeudet. Tämä pakottaa raskaat punasolut asettumaan pohjaan ja kerrostelee liuoksen eri komponentit kerroksiksi niiden tiheyden mukaan.
Live Science Contributor Jennifer Leman päivitti tämän artikkelin 10. toukokuuta 2019.
