Sentrifugalkraft er allestedsnærværende i hverdagen vår, men er det hva vi tror den er?
Vi opplever det når vi runder et hjørne i en bil eller når et fly banker inn i en sving. Vi ser det i spinnsyklusen til en vaskemaskin eller når barn sykler på en god tur. En dag kan det til og med gi kunstig tyngdekraft for romskip og romstasjoner.
Men sentrifugalkraft forveksles ofte med sin motstykke, sentripetalkraft, fordi de er så nært beslektede - i hovedsak to sider av den samme mynten.
Centripetal kraft er definert som "kraften som er nødvendig for å holde en gjenstand i bevegelse i en buet bane og som er rettet innover mot rotasjonssenteret," mens sentrifugalkraft er definert som "den tilsynelatende kraften som kjennes av et objekt som beveger seg i en buet bane som fungerer utad fra rotasjonssenteret, "ifølge Merriam Webster Dictionary.
Merk at mens centripetal kraft er en faktisk kraft, er sentrifugalkraft definert som en tilsynelatende kraft. Med andre ord, når en kretser en masse på en streng, utøver strengen en innad sentripetalkraft på massen, mens massen ser ut til å utøve en ytre sentrifugalkraft på strengen.
"Forskjellen mellom centripetal og sentrifugalkraft har å gjøre med forskjellige 'referanserammer', det vil si forskjellige synspunkter du måler noe fra," sa Andrew A. Ganse, forskningsfysiker ved University of Washington. "Centripetal kraft og sentrifugalkraft er egentlig den samme kraften, bare i motsatte retninger fordi de er erfarne fra forskjellige referanserammer."
Hvis du observerer et roterende system utenfra, ser du en innvendig sentripetalkraft som virker for å begrense det roterende legemet til en sirkulær bane. Imidlertid, hvis du er en del av det roterende systemet, opplever du en tilsynelatende sentrifugalkraft som skyver deg bort fra sentrum av sirkelen, selv om det du faktisk føler er den indre centripetalkraften som holder deg fra å bokstavelig talt gå på en tangent .
Kreftene overholder Newtons Laws of Motion
Denne tilsynelatende ytre kraften er beskrevet av Newtons Laws of Motion. Newtons første lov sier at "et legeme i ro vil forbli i ro, og et organ i bevegelse vil forbli i bevegelse med mindre det blir utøvd av en ekstern styrke."
Hvis en massiv kropp beveger seg gjennom rommet i en rett linje, vil dens treghet føre til at den fortsetter i en rett linje med mindre en ytre kraft får den til å øke hastigheten, bremse ned eller endre retning. For at den skal følge en sirkulær bane uten å endre hastighet, må en kontinuerlig sentripetalkraft påføres i rett vinkel til banen. Radien (r) til denne sirkelen er lik massen (m) ganger kvadratet for hastigheten (v) delt med centripetalkraften (F), eller r = mv ^ 2 / F. Kraften kan beregnes ved ganske enkelt å omorganisere ligningen, F = mv ^ 2 / r.
Newtons tredje lov sier at "for hver handling er det en like og motsatt reaksjon." Akkurat som tyngdekraften får deg til å utøve en kraft på bakken, ser det ut til at bakken utøver en lik og motsatt kraft på føttene. Når du er i en akselererende bil, utøver setet en fremoverkraft på deg akkurat som det ser ut til å utøve en bakoverkraft på setet.
Når det gjelder et roterende system, trekker centripetalkraften massen innover for å følge en buet bane, mens massen ser ut til å skyve utover på grunn av dens treghet. I hvert av disse tilfellene er det imidlertid bare en reell kraft som brukes, mens den andre bare er en tilsynelatende styrke.
Eksempler på centripetal kraft i aksjon
Det er mange bruksområder som utnytter centripetalkraft. Det ene er å simulere akselerasjonen av en romskyting for astronauttrening. Når en rakett først skytes ut, er den så lastet med drivstoff og oksydasjonsmiddel at den knapt kan bevege seg. Imidlertid når den stiger opp, forbrenner den drivstoff i en enorm hastighet og mister kontinuerlig masse. Newtons Second Law uttaler at kraft tilsvarer akselerasjon av massetider, eller F = ma.
I de fleste situasjoner forblir massen konstant. Med en rakett endrer imidlertid massen seg drastisk, mens kraften, i dette tilfellet skyvkraften til rakettmotorene, forblir nesten konstant. Dette fører til at akselerasjonen mot slutten av boostfasen øker til flere ganger den normale tyngdekraften. NASA bruker store sentrifuger for å forberede astronauter for denne ekstreme akselerasjonen. I denne applikasjonen tilføres sentripetalkraften ved at ryggryggen skyver innover på astronauten.
Et annet eksempel på bruk av centripetal kraft er laboratoriesentrifugen, som brukes for å akselerere utfellingen av partikler suspendert i væske. En vanlig bruk av denne teknologien er for å klargjøre blodprøver for analyse. I følge Rice Universitys nettsted Experimental Biosciences, "den unike strukturen i blod gjør det veldig enkelt å skille røde blodlegemer fra plasma og de andre dannede elementene ved differensiell sentrifugering."
Under normal tyngdekraft forårsaker termisk bevegelse kontinuerlig blanding som forhindrer blodceller i å sette seg ut av en helblodsprøve. Imidlertid kan en typisk sentrifuge oppnå akselerasjoner som er 600 til 2000 ganger den for normal tyngdekraft. Dette tvinger de tunge røde blodlegemene til å slå seg ned i bunnen og stratifiserer de forskjellige komponentene i løsningen i lag i henhold til deres tetthet.
Denne artikkelen ble oppdatert 10. mai 2019 av Live Science Bidragsyter, Jennifer Leman.
