Реактивная центробежная сила
| Часть серии о |
| Классическая механика |
|---|
В классической механике реактивная центробежная сила образует часть пары действие-противодействие с центростремительной силой .
В соответствии с первым законом движения Ньютона , объект движется прямолинейно при отсутствии результирующей силы, действующей на объект. Кривая траектория возникает, когда на нее действует сила, ортогональная движению объекта; эту силу часто называют центростремительной силой , так как она направлена к центру кривизны пути. Тогда в соответствии с третьим законом движения Ньютона также будет действовать равная и противоположная сила, действующая со стороны объекта на какой-либо другой объект: [1] [2] и эту силу реакции иногда называют реактивной центробежной силой , так как она направлена в направлении, противоположном центростремительной силе.
В случае, когда мяч удерживается в круговом движении с помощью веревки, центростремительная сила — это сила, действующая нитью на мяч. С другой стороны, реактивная центробежная сила — это сила, с которой шарик воздействует на струну, натягивая ее .
В отличие от силы инерции , известной как центробежная сила , которая существует только во вращающейся системе отсчета , реактивная сила — это реальная ньютоновская сила , которая наблюдается в любой системе отсчета. Две силы будут иметь одинаковую величину только в особых случаях, когда возникает круговое движение и когда ось вращения является началом вращающейся системы отсчета. [3] [4] [5] [6]
Парные силы [ править ]
На рисунке справа показан шар, движущийся по равномерному кругу, удерживаемый на своем пути веревкой, привязанной к неподвижному столбу. В этой системе центростремительная сила, действующая на шар, создаваемая веревкой, поддерживает круговое движение, а реакция на нее, которую некоторые называют реактивной центробежной силой , действует на веревку и стойку.
Первый закон Ньютона требует, чтобы любое тело, движущееся по любой траектории, отличной от прямой линии, подвергалось результирующей ненулевой силе, а диаграмма свободного тела показывает силу, действующую на шар (центральная панель), действующую со стороны веревки, чтобы удерживать мяч в его круговое движение.
Третий закон действия и противодействия Ньютона гласит, что если струна оказывает на шар внутреннюю центростремительную силу, то мяч будет оказывать равную, но внешнюю реакцию на струну, что показано на диаграмме свободного тела струны (нижняя панель) как реактивная сила . центробежная сила .
Нить передает реактивную центробежную силу от шара к неподвижной стойке, натягивая ее. Опять же, согласно третьему закону Ньютона, столб оказывает на струну реакцию, называемую « реакцией столба» , натягивая веревку. Две силы, действующие на струну, равны и противоположны, они не оказывают на струну результирующей силы (при условии, что струна не имеет массы), но подвергают струну натяжению.
Причина, по которой столб кажется «неподвижным», заключается в том, что он прикреплен к земле. Если бы вращающийся шар был привязан, например, к мачте лодки, то и мачта лодки, и шар будут вращаться вокруг центральной точки.
Приложения [ править ]
Несмотря на то, что реактивная центробежка редко используется в анализе в физической литературе, эта концепция применяется в некоторых концепциях машиностроения. Примером такого рода инженерной концепции является анализ напряжений внутри быстро вращающейся лопатки турбины. [1] Лезвие можно рассматривать как стопку слоев, идущих от оси к краю лезвия. Каждый слой оказывает наружную (центробежную) силу на непосредственно соседний радиально внутренний слой и внутреннюю (центростремительную) силу на непосредственно соседний радиально внешний слой. При этом внутренний слой оказывает упругую центростремительную силу на средний слой, а внешний слой оказывает упругую центробежную силу, что приводит к внутреннему напряжению. Именно напряжения в лопатке и их причины в этой ситуации интересуют главным образом инженеров-механиков.
Другим примером вращающегося устройства, в котором можно определить реактивную центробежную силу, используемую для описания поведения системы, является центробежная муфта . Центробежное сцепление используется в небольших устройствах с приводом от двигателя, таких как цепные пилы, картинги и модели вертолетов. Он позволяет двигателю запускаться и работать на холостом ходу без привода устройства в движение, но автоматически и плавно включает привод при повышении частоты вращения двигателя. Пружина используется для фиксации вращающихся башмаков сцепления. На низких скоростях пружина обеспечивает центростремительную силу колодкам, которые с увеличением скорости перемещаются в сторону большего радиуса, а пружина растягивается под напряжением. На более высоких скоростях, когда колодки не могут двигаться дальше, чтобы увеличить натяжение пружины, из-за внешнего барабана барабан создает часть центростремительной силы, которая удерживает колодки в движении по круговой траектории. Сила натяжения, приложенная к пружине, и внешняя сила, приложенная к барабану вращающимися башмаками, представляют собой соответствующие реактивные центробежные силы. Взаимная сила между барабаном и башмаками обеспечивает трение, необходимое для зацепления выходного приводного вала, соединенного с барабаном. [7] Таким образом, центробежная муфта иллюстрирует как фиктивную центробежную силу, так и реактивную центробежную силу.
центробежной псевдосилы Отличие от
«Реактивная центробежная сила», обсуждаемая в этой статье, — это не то же самое, что центробежная псевдосила , которую обычно и понимают под термином «центробежная сила».
Реактивная центробежная сила, составляющая половину пары реакций вместе с центростремительной силой, представляет собой концепцию, применимую в любой системе отсчета. Это отличает ее от инерционной или фиктивной центробежной силы, которая появляется только во вращающихся системах отсчета.
| Реактивная центробежная сила | Инерционная центробежная сила | |
|---|---|---|
| Ссылка рамка |
Любой | Только вращающиеся рамки |
| Оказанное к |
Тела, подвергающиеся вращению | Действует так, как будто исходит от оси вращения, это так называемая фиктивная сила |
| Оказанное на |
Ограничение, вызывающее внутреннюю центростремительную силу | Все тела, движущиеся или нет; при движении сила Кориолиса также присутствует |
| Направление | Напротив центростремительная сила |
Вдали от оси вращения, независимо от пути тела |
| Кинетический анализ | Часть пары действие-противодействие с центростремительной силой по Третий закон Ньютона |
Включен как фиктивная сила в второй закон Ньютона и никогда не является частью пары действие-противодействие с центростремительной силой |
Гравитационный случай двух тел [ править ]
При вращении двух тел, например планеты и луны, вращающихся вокруг общего центра масс или барицентра , силы, действующие на оба тела, являются центростремительными. В этом случае реакцией на центростремительную силу планеты на Луну является центростремительная сила Луны на планете. [6]
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б Рош, Джон (2001). «Введение в движение по кругу». Физическое образование . 36 (5): 399–405. Бибкод : 2001PhyEd..36..399R . дои : 10.1088/0031-9120/36/5/305 . S2CID 250827660 .
- ^ Кобаяши, Юкио (2008). «Замечания по поводу просмотра ситуации во вращающейся рамке». Европейский журнал физики . 29 (3): 599–606. Бибкод : 2008EJPh...29..599K . дои : 10.1088/0143-0807/29/3/019 . S2CID 120947179 .
- ^ Дело Э. Мук и Томас Варгиш (1987). Внутри теории относительности . Принстон, штат Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 47. ИСБН 0-691-02520-7 .
- ^ Дж. С. Брар и Р. К. Бансал (2004). Учебник теории машин (3-е изд.). Брандмауэр Медиа. п. 39. ИСБН 9788170084181 .
- ^ Де Вольсон Вуд (1884 г.). Элементы аналитической механики: твердые тела и жидкости (4-е изд.). Дж. Уайли и сыновья. п. 310 .
- ^ Перейти обратно: а б Дж. Дэвид Скотт (1957). «Центробежные силы и законы движения Ньютона». Том. 25. Американский физический журнал. п. 325. дои : 10.1119/1.1934450 .
- ^ Энтони Г. Аткинс, Тони Аткинс и Марсель Эскюдье (2013). Словарь машиностроения . Издательство Оксфордского университета. п. 53. ИСБН 9780199587438 . Проверено 5 июня 2014 г.