La forza è una cosa divertente in fisica. La sua relazione con la velocità è molto meno intuitiva di quanto la maggior parte della gente probabilmente pensi. Ad esempio, in assenza di effetti di attrito (ad esempio, la strada) e di "trascinamento" (ad esempio, l'aria), non richiede letteralmente alcuna forza per mantenere un'auto in movimento a 100 miglia all'ora (161 km /ora), ma richiede una forza esterna per rallentare quell'auto anche da 100 a 99 mi /ora. La forza centripeta, che è esclusiva del mondo vertiginoso del movimento rotazionale (angolare), ha un anello di quella "stranezza". Ad esempio, anche quando sai esattamente perché, in termini newtoniani, il vettore di forza centripeta di una particella è diretto verso il centro del percorso circolare attorno al quale viaggia la particella, sembra comunque un po 'strano. > Chiunque abbia mai sperimentato una forte forza centripeta potrebbe essere incline a lanciare una sfida seria, e persino plausibile, alla fisica di base basata sulla propria esperienza. (A proposito, presto di più su tutte quelle quantità misteriose!) Chiamare la forza centripeta un "tipo" di forza, come si potrebbe fare riferimento alla forza di gravità e ad alcune altre forze, sarebbe fuorviante . La forza centripeta è in realtà un caso speciale di forza che può essere analizzato matematicamente utilizzando gli stessi principi newtoniani essenziali utilizzati nelle equazioni della meccanica lineare (traslazionale). Panoramica delle leggi di Newton Prima di poter esplorare a fondo il centripeto forza, è una buona idea rivedere il concetto di forza e da dove "viene" in termini di come lo descrivono gli scienziati umani. A sua volta, ciò offre una grande opportunità per rivedere tutte e tre le leggi del moto del fisico matematico del XVII e XVIII secolo Isaac Newton. Questi sono, ordinati per convenzione e non di importanza: La prima legge di Newton, chiamata anche legge di inerzia, La seconda legge di Newton, scritta F net \u003d ma, afferma che se esiste una forza netta in un sistema, accelererà una massa m in quel sistema con una magnitudine e una direzione a. L'accelerazione è il tasso di variazione della velocità, quindi, di nuovo, vedi che la forza non è richiesta per il moto in sé, ma solo per cambiare il movimento. La terza legge di Newton afferma che per ogni forza F in natura esiste una forza –F che è uguale in grandezza e opposto in direzione. Le leggi di Newton forniscono un quadro utile per stabilire equazioni che descrivono e predicono come gli oggetti si muovono nello spazio. Ai fini di questo articolo, spazio Le quattro quantità di base di preoccupazione nelle equazioni cinematiche sono spostamento, velocità (velocità di cambiamento di spostamento) , accelerazione (velocità di variazione della velocità) e tempo. Le variabili per i primi tre di questi differiscono tra movimento lineare e rotazionale (angolare) a causa della diversa qualità del movimento, ma descrivono gli stessi fenomeni fisici. Per questo motivo, sebbene la maggior parte degli studenti impari a risolvere problemi di cinematica lineare prima di vedere i loro associati nel mondo angolare, sarebbe plausibile insegnare prima il moto rotazionale e poi "derivare" le corrispondenti equazioni lineari da questi. Ma per vari motivi pratici, ciò non viene fatto. Cosa fa fare a un oggetto un percorso circolare anziché una linea retta? Ad esempio, perché un satellite orbita attorno alla Terra in un percorso curvo, e cosa mantiene un'auto in movimento su una strada curva anche a quelle che in alcuni casi sembrano velocità incredibilmente alte? Suggerimenti Forza centripeta è il nome di qualsiasi tipo di forza che provoca un oggetto di muoversi in un percorso circolare. Come notato, la forza centripeta non è un tipo distinto di forza in senso fisico, ma piuttosto una descrizione di qualsiasi forza che è diretta verso il centro del cerchio che rappresenta il percorso di movimento dell'oggetto. Suggerimenti Non confondere la forza centripeta con il mitico-ancora- persistente "forza centrifuga". La forza centripeta può derivare da varie fonti. Ad esempio: • La tensione T (che ha unità di forza divise per distanza • L'attrazione gravitazionale tra il centro di due grandi masse (ad esempio, la Terra e la luna). In teoria, tutti gli oggetti con massa esercitano una forza gravitazionale su altri oggetti. Ma poiché questa forza è proporzionale alla massa dell'oggetto, nella maggior parte dei casi è trascurabile (per esempio, l'attrazione gravitazionale verso l'alto infinitamente piccola di una piuma sulla Terra mentre cade). La "forza di gravità "(o correttamente, l'accelerazione dovuta alla gravità) g vicino alla superficie terrestre è 9,8 m /s 2. • Attrito. Un tipico esempio di forza di attrito nei problemi di fisica introduttiva è quello tra le gomme di un'auto e la strada. Ma forse un modo più semplice per visualizzare l'interazione tra attrito e movimento di rotazione è immaginare oggetti che sono in grado di "attaccarsi" all'esterno di una ruota rotante meglio di altri a una data velocità angolare a causa del maggiore attrito tra le superfici di questi oggetti, che rimangono in un percorso circolare, e la superficie della ruota. La velocità angolare di una massa o oggetto punto è completamente indipendente da ciò che potrebbe accadere con quell'oggetto, cineticamente parlando, in quel punto. Dopo tutto, la velocità angolare è la stessa per tutti i punti di un oggetto solido, indipendentemente dalla distanza. Ma poiché c'è anche una velocità tangenziale v t in gioco, sorge la questione dell'accelerazione tangenziale o no? Dopotutto, qualcosa che si muove in un cerchio ma che accelera dovrebbe semplicemente liberarsi dal suo cammino, tutto il resto è rimasto lo stesso. Giusto? Le basi della fisica impediscono che questo apparente dilemma sia reale. La seconda legge di Newton (F \u003d ma) richiede che la forza centripeta sia la massa di un oggetto m volte la sua accelerazione, in questo caso l'accelerazione centripeta, che "punta" nella direzione della forza, cioè verso il centro del percorso. Avresti ragione a chiedere: "Ma se l'oggetto sta accelerando verso il centro, perché non si muove in quel modo?" La chiave è che l'oggetto ha una velocità lineare v t che è diretta tangenzialmente al suo percorso circolare, descritto in dettaglio di seguito e dato da v t \u003d ωr. Anche se quella velocità lineare è costante, la sua direzione è sempre in evoluzione (quindi deve sperimentare l'accelerazione, che è un cambiamento di velocità; entrambi sono quantità vettoriali). La formula per l'accelerazione centripeta è data da v t 2 /r. Un'auto che entra in una curva con velocità costante Quando la curva finisce, il guidatore fa andare la macchina in linea retta, la direzione della velocità smette di cambiare e la macchina smette di girare; non c'è più forza centripeta dall'attrito tra le gomme e la strada diretta ortogonalmente (a 90 gradi) al vettore di velocità della macchina. Perché la forza centripeta F c \u003d mv t 2 /r è indirizzato tangenzialmente al movimento dell'oggetto (cioè a 90 gradi), non può fare alcun lavoro sull'oggetto in orizzontale perché nessuno dei componenti della forza netta è nella stessa direzione di il movimento dell'oggetto. Pensa di colpire direttamente a lato di un vagone mentre sfreccia in senso orizzontale davanti a te. Questo non accelererà né rallenterà un po 'la macchina, a meno che il tuo obiettivo non sia vero. Suggerimenti La componente orizzontale della forza netta sull'oggetto in questo caso sarebbe (F) (cos 90 °) che è uguale a zero, quindi le forze sono bilanciate nella direzione orizzontale; secondo la prima legge di Newton, l'oggetto rimarrà quindi in movimento a una velocità costante. Ma poiché ha un'accelerazione verso l'interno, questa velocità deve cambiare e quindi l'oggetto si muove in un cerchio. Finora, è stato descritto solo un movimento circolare uniforme, o movimento con velocità angolare e tangenziale costante. Quando, tuttavia, vi è una velocità tangenziale non uniforme, esiste per definizione un'accelerazione tangenziale, che deve essere aggiunta (nel senso del vettore) all'accelerazione centripeta per ottenere l'accelerazione netta del corpo. In questo caso, l'accelerazione netta non punta più verso il centro del cerchio e la risoluzione del movimento del problema diventa più complessa. Un esempio potrebbe essere una ginnasta che pende da un bar per le braccia e usa i suoi muscoli per generare abbastanza forza da iniziare a dondolarla. La gravità sta chiaramente aiutando la sua velocità tangenziale durante la discesa ma rallentandola durante il ritorno. Basandosi sulla velocità precedente della forza centripeta orientata verticalmente, immagina un ottovolante con massa M che completa un percorso circolare con raggio R su un giro in stile "loop the loop". In questo caso, affinché le montagne russe rimangano sui binari a causa della forza centripeta, la forza centripeta netta Mv < sub> t 2 /R deve essere uguale a est del peso (\u003d Mg \u003d 9,8 M, in newton) delle montagne russe nella parte superiore della curva, altrimenti la forza di gravità tirerà le montagne russe dal suo tracce. Ciò significa che Mv t 2 /R deve superare Mg, che, risolvendo per v t, fornisce una velocità tangenziale minima di √gR, o (gR) < sup> 1/2. Quindi la massa delle montagne russe in realtà non importa, solo la sua velocità!
afferma che un oggetto che si muove a velocità costante rimarrà in questo stato a meno che non sia disturbato da un forza esterna. Un'importante implicazione è che la forza non è richiesta per gli oggetti in movimento, non importa quanto velocemente, a velocità costante.
Cinematica lineare e rotazionale
significa in realtà "spazio" bidimensionale descritto dalle coordinate x ("avanti" e "indietro") e y ("su" e "giù") in movimento lineare, θ (misura dell'angolo, solitamente in radianti) er (la distanza radiale dall'asse di rotazione) in movimento angolare.
Che cos'è la forza centripeta?
significa letteralmente "ricerca del centro".
Fonti di forza centripeta
) in una corda o corda che attacca l'oggetto in movimento al centro del suo percorso circolare. Un esempio classico è il set-up di tetherball che si trova nei campi da gioco degli Stati Uniti.
Come la forza centripeta provoca un percorso circolare
Around the Bend
è un ottimo esempio di forza centripeta in azione. Affinché l'auto rimanga sul suo percorso curvo previsto per la durata della curva, la forza centripeta associata al movimento di rotazione della vettura deve essere bilanciata o superata dalla forza di attrito dei pneumatici sulla strada, che dipende dalla massa della vettura e dal proprietà intrinseche dei pneumatici.
Forza centripeta, matematicamente
Forza centripeta e moto circolare non uniforme
Un esempio di forza centripeta verticale
