Wat is middelpuntzoekende kracht? Definitie en vergelijkingen

Centripetale kracht wordt gedefinieerd als de kracht die inwerkt op een lichaam dat beweegt in een cirkelvormig pad dat is gericht naar het centrum waarrond het lichaam beweegt. De term komt van de Latijnse woorden centrum voor "center" en petere, wat betekent 'zoeken'.

Centripetale kracht kan worden beschouwd als de centrumzoekende kracht. De richting ervan is orthogonaal (in een rechte hoek) ten opzichte van de beweging van het lichaam in de richting naar het middelpunt van de kromming van het lichaamspad. Centripetale kracht verandert de richting van de beweging van een object zonder de snelheid te veranderen.

Belangrijkste afhaalrestaurants: middelpuntzoekende kracht

• Centripetale kracht is de kracht op een lichaam die in een cirkel beweegt en naar binnen wijst naar het punt waarrond het object beweegt.
• De kracht in de tegenovergestelde richting, die naar buiten wijst vanuit het rotatiecentrum, wordt centrifugale kracht genoemd.
• Voor een roterend lichaam zijn de middelpuntzoekende en middelpuntvliedende krachten gelijk in grootte, maar tegengesteld in richting.

Verschil tussen middelpuntzoekende en middelpuntvliedende kracht

Terwijl middelpuntzoekende kracht een lichaam naar het midden van het rotatiepunt trekt, duwt de middelpuntvliedende kracht ("centrumvluchtende" kracht) weg van het centrum.

Volgens de eerste wet van Newton, "zal een lichaam in rust in rust blijven, terwijl een lichaam in beweging zal blijven in beweging tenzij opgevolgd door een externe kracht." Met andere woorden, als de krachten die op een object werken in balans zijn, blijft het object in een gestaag tempo bewegen zonder versnelling.

Door de middelpuntzoekende kracht kan een lichaam een ​​cirkelvormig pad volgen zonder bij een raaklijn weg te vliegen door continu in een rechte hoek ten opzichte van zijn pad te handelen. Op deze manier werkt het op het object als een van de krachten in de eerste wet van Newton, waardoor het de inertie van het object behoudt.

De tweede wet van Newton is ook van toepassing op de centripetale kracht vereiste, die zegt dat als een object in een cirkel moet bewegen, de netto kracht die erop inwerkt, naar binnen moet zijn. De tweede wet van Newton zegt dat een object dat wordt versneld een netto kracht ondergaat, met de richting van de netto kracht hetzelfde als de richting van de versnelling. Voor een object dat in een cirkel beweegt, moet de middelpuntzoekende kracht (de netto kracht) aanwezig zijn om de middelpuntvliedende kracht tegen te gaan.

Vanuit het standpunt van een stationair object op het roterende referentiekader (bijvoorbeeld een stoel op een schommel), zijn het middelpuntzoekende en middelpuntvliedende in grootte gelijk, maar tegengesteld in richting. De middelpuntzoekende kracht werkt op het bewegende lichaam, terwijl de middelpuntvliedende kracht dat niet doet. Om deze reden wordt centrifugaalkracht soms een "virtuele" kracht genoemd.

Centripetale kracht berekenen

De wiskundige weergave van centripetale kracht werd afgeleid door de Nederlandse natuurkundige Christiaan Huygens in 1659. Voor een lichaam dat een cirkelvormig pad volgt met constante snelheid, is de straal van de cirkel (r) gelijk aan de massa van het lichaam (m) maal het kwadraat van de snelheid (v) gedeeld door de middelpuntzoekende kracht (F):

r = mv²/ F

De vergelijking kan worden herschikt om de middelpuntzoekende kracht op te lossen:

F = mv²/ r

Een belangrijk punt dat u uit de vergelijking moet opmerken, is dat de centripetale kracht evenredig is met het kwadraat van de snelheid. Dit betekent dat het verdubbelen van de snelheid van een object vier keer de middelpuntzoekende kracht nodig heeft om het object in een cirkel te laten bewegen. Een praktisch voorbeeld hiervan is te zien bij het nemen van een scherpe bocht met een auto. Hier is wrijving de enige kracht die de banden van het voertuig op de weg houdt. Toenemende snelheid verhoogt de kracht aanzienlijk, dus een slip wordt waarschijnlijker.

Merk ook op dat de centripetale krachtberekening veronderstelt dat er geen extra krachten op het object werken.

Centripetale versnellingsformule

Een andere veel voorkomende berekening is centripetale versnelling, dat is de verandering in snelheid gedeeld door de verandering in tijd. Versnelling is het snelheidsvierkant gedeeld door de straal van de cirkel:

Δv / Δt = a = v²/ r

Praktische toepassingen van middelpuntzoekende kracht

Het klassieke voorbeeld van centripetale kracht is het geval van een object dat aan een touw wordt geslingerd. Hier levert de spanning op het touw de centripetale "trekkracht".

Centripetale kracht is de "duw" kracht in het geval van een Wall of Death motorrijder.

Centripetale kracht wordt gebruikt voor laboratoriumcentrifuges. Hier worden deeltjes die in een vloeistof zijn gesuspendeerd van de vloeistof gescheiden door het versnellen van buizen die zodanig zijn georiënteerd dat de zwaardere deeltjes (d.w.z. objecten met een hogere massa) naar de bodem van de buizen worden getrokken. Terwijl centrifuges gewoonlijk vaste stoffen van vloeistoffen scheiden, kunnen ze ook vloeistoffen fractioneren, zoals in bloedmonsters, of afzonderlijke componenten van gassen.

Gascentrifuges worden gebruikt om het zwaardere isotoop uranium-238 te scheiden van het lichtere isotoop uranium-235. De zwaardere isotoop wordt naar de buitenkant van een draaiende cilinder getrokken. De zware fractie wordt afgetapt en naar een andere centrifuge gestuurd. Het proces wordt herhaald totdat het gas voldoende "verrijkt" is.

Een vloeistofspiegeltelescoop (LMT) kan worden gemaakt door een reflecterend vloeibaar metaal, zoals kwik, te roteren. Het spiegeloppervlak neemt een paraboloïde vorm aan omdat de middelpuntzoekende kracht afhankelijk is van het kwadraat van de snelheid. Hierdoor is de hoogte van het draaiende vloeibare metaal evenredig met het kwadraat van zijn afstand tot het midden. De interessante vorm die wordt aangenomen door het spinnen van vloeistoffen kan worden waargenomen door een emmer water met een constante snelheid te spinnen.