نیروی مرکز گرا و نیروی گریز از مرکز چه هستند؟
نیروی مرکز گرا و نیروی گریز از مرکز چه هستند؟

تعریف نیروی مرکزگرا نیروی مرکزگرا نیرویی تعریف می شود که بر جسم در حال حرکت در داخل یک مسیر دایره ای وارد می شود و جهت آن به سمت مرکزی است که شیء حول آن حرکت می کند. نیروی مرکزگرا را می توان نیروی جست و گر مرکز در نظر گرفت. جهت نیروی مرکزگرا عمود بر سیر حرکت شیء و جهت نیروی مرکزگرا به سمت مرکز منحنی ای است که شیء در آن حرکت می کند. نیروی مرکزگرا جهت حرکت یک شیء را بدون ایجاد تغییر در سرعت اش تغییر می دهد.


تفاوت بین نیروی مرکزگرا و نیروی گریز از مرکز

در حالی که نیروی مرکزگرا کاری می کند که یک شیء به سمت مرکز کشیده شود، نیروی گریز از مرکز (نیروی فرار از مرکز) آن را از مرکز دور می کند. طبق قانون اول نیوتن، یک شیء ساکن، ساکن باقی می ماند و یک شیء در حال حرکت، در حال حرکت باقی می ماند مگر این که به وسیله یک نیروی خارجی عملی بر روی آن انجام گیرد. (به عبارت دیگر قانون اول حرکت نیوتن می گوید که هر جسم در حال حرکتی به حرکتش در همان سرعت و جهت ادامه می دهد مگر این که نیروهایی بر آن وارد شوند. مترجم.)

نیروی مرکزگرا به شیء اجازه می دهد تا یک مسیر دایره ای شکل را به طور مداوم در یک زاویه راست دنبال کند بدون این که به پرواز درآید.

درواقع نیروی مرکزگرا نتیجه قانون دوم نیوتن است. قانون دوم نیوتن می گوید که شتاب یک شیء که به وسیله یک نیروی خالص تولید می شود نسبت مستقیم با بزرگی نیروی خالص دارد، در همان جهت نیروی خالص است و نسبت معکوس با جرم شیء دارد.

برای یک شیء در حال حرکت در یک دایره، باید نیروی مرکزگرا حضور داشته باشد تا با نیروی گریز از مرکز مقابله کند.

در مورد یک شیء ثابت که بر روی یک قاب گردان مرجع می گردد (به عنوان مثال یک صندلی چرخدار)، بزرگی نیروی مرکز گرا و گریز از مرکز مساوی هستند اما در جهت مخالف یکدیگر. نیروی مرکزگرا بر شیء در حال حرکت عمل می کند، در حالی که نیروی گریز از مرکز چنین نیست. به همین دلیل، نیروی گریز از مرکز گاهی اوقات نیروی «مجازی» نامیده می شود. (دلیل این که این نیرو نیروی مجازی یا شبه نیرو نامیده می شود این است که طبق قانون سوم نیوتن کنش نیروی واقعی است و واکنش نیروی مجازی است. درواقع نیروی واکنش نیروی واقعی نیست ولی حضور آن احساس می شود. مترجم.)

 

نحوه محاسبه نیروی مرکزگرا

بیان ریاضی نیروی مرکزگرا به وسیله فیزیکدان هلندی کریستین هویگنس در سال 1659 صورت گرفت. در شیئی که یک مسیر دایره ای شکل را با سرعت ثابت طی می کند، شعاع دایره (r) برابر است با جرم شیء (m) ضربدر مربع سرعت  (v) تقسیم بر نیروی مرکزگرا :(F)
r = mv2/F

 

معادله برای نیروی مرکزگرا به این شکل درمی آید:

F = mv2/r

یک نکته مهم که باید در معادله توجه داشته باشید این است که نیروی مرکزگرا متناسب است با مجذور سرعت. این به آن معنی است که برای دو برابر شدن سرعت یک شیء لازم است نیروی مرکزگرا چهار برابر شود تا جسم را در حال حرکت در یک دایره نگه دارد.

یک مثال عملی از این موضوع را هنگام اتومبیل رانی و وقتی اصطکاک تنها نیرویی است که لاستیک های خودرو را در جاده نگه می دارد می توان دید. در این شرایط افزایش سرعت تا حد زیادی نیرو را افزایش می دهد.

همچنین توجه داشته باشیم که در محاسبه نیروی مرکزگرا فرض می شود که هیچگونه نیروی اضافی ای بر جسم عمل نمی کند.

 

فرمول شتاب مرکزگرا

یک محاسبه دیگر مربوط به شتاب مرکزگرا است که تغییر در سرعت تقسیم بر تغییر در زمان است. شتاب، مجذور سرعت تقسیم بر شعاع دایره است:
Δv/Δt = a = v2/r

 

کاربردهای عملی نیروی مرکزگرا

مثال کلاسیک از نیروی مرکزگرا جسم در حال چرخش بر یک طناب است. در اینجا، تنش و کشیدن طناب نیروی «کشش» مرکزگرا را تأمین می کند.

نیروی مرکزگرا، نیروی فشار «دیواره مرگ» موتورسیکلت سواری است.

نیروی مرکزگرا برای سانتریفیوژهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد. در اینجا ذراتی که در یک مایع معلق اند با ایجاد شتاب در لوله هایی که مایع در آنها قرار دارد از هم جدا می شوند به طوری که ذرات سنگین تر (به عنوان مثال، اجسام با جرم بیشتر) به سمت ته لوله ها کشیده می شوند. در حالی که سانتریفیوژها معمولاً جامدات را از مایعات جدا می کنند، ممکن است مایعات را هم تجزیه و تفکیک کنند، چنان که در نمونه های خون می بینیم. همچنین اجزای گازها را هم جدا می کنند.

سانتریفیوژهای گازی برای جدا کردن ایزوتوپ سنگین تر اورانیوم 238 از ایزوتوپ سبک تر 235 استفاده می شوند. ایزوتوپ سنگین تر به سمت خارج یک استوانه در حال چرخش کشیده می شود. بخش سنگین هم جریان می یابد و به سانتریفیوژ دیگری فرستاده می شود. این فرایند دوباره تکرار می شود تا گاز به اندازه کافی «غنی سازی» شود.

یک تلسکوپ آینه ای مایع (LMT) را می توان با چرخش یک فلز مایع بازتابنده مانند جیوه ساخت. سطح آینه به شکل مخروطی در نظر گرفته می شود زیرا نیروی مرکزگرا بستگی به مربع سرعت دارد. به خاطر همین ارتفاع فلز مایع در حال چرخش متناسب است با مربع فاصله آن از مرکز. شکل جالب مایعات در حال چرخش را می توان به عنوان مثال با چرخاندن یک سطل آب با سرعت ثابت مشاهده کرد.




0 0