Centripetālais spēks tiek definēts kā spēks iedarbojas uz ķermeni, kas pārvietojas apļveida ceļā, kas ir vērsts uz centru, ap kuru ķermenis pārvietojas. Termins nāk no latīņu valodas vārdiem centrum "centram" un petere, kas nozīmē "meklēt".
Centripetālo spēku var uzskatīt par spēku, kas meklē centru. Tās virziens ir perpendikulārs (taisnā leņķī) attiecībā pret ķermeņa kustību virzienā uz ķermeņa ceļa izliekuma centru. Centripetālais spēks maina objekta kustības virzienu, nemainot to ātrums.
Galvenās izņemtās preces: Centripetal spēks
- Centripetālais spēks ir spēks, kas ķermenim pārvietojas apli, kas vērsts uz iekšu virzienā uz punktu, ap kuru objekts pārvietojas.
- Spēku pretējā virzienā, kas vērsts uz āru no rotācijas centra, sauc par centrbēdzes spēku.
- Rotējošam ķermenim centripetālie un centrbēdzes spēki ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji virzienam.
Centripetāla un centrbēdzes spēka atšķirība
Kamēr centripetālais spēks ievelk ķermeni virzienā uz rotācijas punkta centru, centrbēdzes spēks ("no centra bēgošs" spēks) virzās prom no centra.
Saskaņā ar uz Ņūtona pirmo likumu, "miera stāvoklī esošs ķermenis paliks miera stāvoklī, kamēr kustībā esošs ķermenis paliks kustībā, ja vien uz to netiks izdarīts ārējs spēks." Iekšā citiem vārdiem sakot, ja spēki, kas iedarbojas uz objektu, ir līdzsvaroti, objekts turpinās kustēties vienmērīgā tempā bez paātrinājums.
Centripetālais spēks ļauj ķermenim sekot apļveida ceļam, neizlidojot pie pieskares, nepārtraukti darbojoties taisnā leņķī pret savu ceļu. Tādā veidā tas iedarbojas uz objektu kā viens no spēkiem Ņūtona Pirmajā likumā, tādējādi saglabājot objekta inerci.
Ņūtona otrais likums attiecas arī uz centripetāla spēka prasība, kas saka - ja objektam ir jāpārvietojas pa apli, tīklam spēkam, kas uz to iedarbojas, jābūt uz iekšu. Ņūtona otrais likums saka, ka objekts, kurš tiek paātrināts, iziet pie tīkla spēka, un tīkla spēka virziens ir tāds pats kā paātrinājuma virziens. Objektam, kas pārvietojas pa apli, jābūt pret centrbēdzes spēku pret centrbēdzes spēku (tīrspēks).
No stacionāra objekta viedokļa uz rotējošā atskaites rāmja (piemēram, sēdekļa uz šūpoles), centripetāls un centrbēdzes ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji virzienam. Centripetālais spēks ietekmē ķermeni kustībā, bet centrbēdzes spēks to nedara. Šī iemesla dēļ centrbēdzes spēku dažreiz sauc par “virtuālu” spēku.
Kā aprēķināt centripetālo spēku
Centripetālā spēka matemātisko attēlojumu ieguva holandiešu fiziķis Kristians Hjūgens 1659. gadā. Ķermenim, kas iet pa apļveida ceļu nemainīgā ātrumā, apļa rādiuss (r) ir vienāds ar ķermeņa masu (m), kas reizināta ar kvadrātu ātrums v) dalīts ar centribetālo spēku (F):
r = mv2/ F
Vienādojumu var pārkārtot, lai atrisinātu centimetra spēku:
F = mv2/ r
Svarīgs punkts, kas jums jāpiezīmē no vienādojuma, ir tas, ka centsipetālais spēks ir proporcionāls ātruma kvadrātam. Tas nozīmē, ka objekta ātruma divkāršošanai ir nepieciešams četras reizes lielāks centripetālais spēks, lai objekts varētu kustēties pa apli. Praktisks piemērs tam ir redzams, veicot asu līkumu ar automašīnu. Šeit berze ir vienīgais spēks, kas notur transportlīdzekļa riepas uz ceļa. Ātruma palielināšana ievērojami palielina spēku, tāpēc buksēšana kļūst lielāka.
Ņemiet vērā arī, ka spēka aprēķins centripetāli tiek pieņemts, ja objektam nedarbojas papildu spēki.
Centripetāla paātrinājuma formula
Vēl viens izplatīts aprēķins ir paātrinājums pa centripetālu, tas ir ātruma izmaiņas, dalītas ar laika izmaiņām. Paātrinājums ir ātruma kvadrāts, dalīts ar apļa rādiusu:
Δv / Δt = a = v2/ r
Centripetālo spēku praktiskie pielietojumi
Centripetāla spēka klasiskais piemērs ir gadījums, kad priekšmets tiek virpināts uz virves. Šeit spriegojums uz virves piegādā centripetālo "vilkšanas" spēku.
Centripetālais spēks ir “spiedošais” spēks, ja brauc ar motociklu “Wall of Death”.
Centripetālais spēks tiek izmantots laboratorijas centrifūgām. Šeit daļiņas, kas suspendētas šķidrumā, tiek atdalītas no šķidruma ar paātrināšanas caurulēm orientēti tā, ka smagākās daļiņas (t.i., lielākas masas priekšmeti) tiek vilktas uz korpusa apakšdaļu caurules. Kaut arī centrifūgas parasti atdala cietās vielas no šķidrumiem, tās var arī frakcionēt šķidrumus, piemēram, asins paraugos, vai atsevišķas gāzu sastāvdaļas.
Gāzes centrifūgas izmanto, lai atdalītu smagāko urāna-238 izotopu no vieglāka urāna-235 izotipa. Smagāks izotops tiek vilkts uz vērpšanas cilindra ārpusi. Smago frakciju sakrauj un nosūta uz citu centrifūgu. Procesu atkārto, līdz gāze ir pietiekami "bagātināta".
Šķidrā spoguļa teleskopu (LMT) var izgatavot, pagriežot atstarotāju šķidrums metāls, piemēram, dzīvsudrabs. Spoguļa virsmai ir raksturīga paraboloīda forma, jo centripetālais spēks ir atkarīgs no ātruma kvadrāta. Šī iemesla dēļ vērpjamā šķidrā metāla augstums ir proporcionāls tā attāluma kvadrātam no centra. Interesantu formu, ko pieprasa vērpšanas šķidrumi, var novērot, vērpjot ūdens spaini ar nemainīgu ātrumu.