Η φυγοκεντρική δύναμη είναι πανταχού παρούσα στην καθημερινή μας ζωή, αλλά είναι αυτό που νομίζουμε ότι είναι;
Το βιώνουμε όταν γυρίζουμε μια γωνία σε ένα αυτοκίνητο ή όταν ένα αεροπλάνο μπαίνει σε στροφή. Το βλέπουμε στον κύκλο περιστροφής ενός πλυντηρίου ρούχων ή όταν τα παιδιά οδηγούν σε ένα ποδήλατο. Μια μέρα μπορεί ακόμη και να παρέχει τεχνητή βαρύτητα για τα διαστημικά πλοία και τους διαστημικούς σταθμούς.
Αλλά η φυγόκεντρη δύναμη συχνά συγχέεται με την αντίστοιχη, την κεντρομόνη δύναμη, επειδή είναι τόσο στενά συνδεδεμένη - ουσιαστικά δύο πλευρές του ίδιου νομίσματος.
Η κεντρομόλος δύναμη ορίζεται ως "η δύναμη που είναι απαραίτητη για να κρατήσει ένα αντικείμενο κινούμενο σε καμπύλη διαδρομή και που κατευθύνεται προς τα μέσα προς το κέντρο περιστροφής", ενώ η φυγόκεντρη δύναμη ορίζεται ως "η φαινομενική δύναμη που γίνεται αισθητή από ένα αντικείμενο που κινείται σε μια καμπύλη διαδρομή που ενεργεί προς τα έξω μακριά από το κέντρο περιστροφής ", σύμφωνα με το λεξικό Merriam Webster.
Σημειώστε ότι ενώ η κεντρομόλος δύναμη είναι μια πραγματική δύναμη, η φυγόκεντρη δύναμη ορίζεται ως φαινόμενη δύναμη. Με άλλα λόγια, όταν περιστρέφεται μια μάζα σε ένα σπάγκο, η χορδή ασκεί μια προς τα έσω κεντρομόλο δύναμη επί της μάζας, ενώ η μάζα φαίνεται ότι ασκεί μια προς τα έξω φυγοκεντρική δύναμη επί της χορδής.
"Η διαφορά μεταξύ της centripetal και της φυγόκεντρης δύναμης έχει να κάνει με διαφορετικά" πλαίσια αναφοράς ", δηλαδή διαφορετικές απόψεις από τις οποίες μετράτε κάτι", δήλωσε ο Andrew A. Ganse, ερευνητής φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον. "Η κεντρομόλος δύναμη και η φυγοκεντρική δύναμη είναι ακριβώς η ίδια δύναμη, ακριβώς σε αντίθετες κατευθύνσεις, επειδή είναι έμπειροι από διαφορετικά πλαίσια αναφοράς".
Εάν παρακολουθείτε ένα περιστρεφόμενο σύστημα από το εξωτερικό, βλέπετε μια προς τα έξω κεντρομόλο δύναμη που ενεργεί για να περιορίσει το περιστρεφόμενο σώμα σε μια κυκλική διαδρομή. Ωστόσο, εάν είστε μέρος του περιστρεφόμενου συστήματος, βιώνετε μια φαινόμενη φυγόκεντρη δύναμη που σας σπρώχνει μακριά από το κέντρο του κύκλου, παρόλο που αυτό που αισθάνεστε πραγματικά είναι η εσωτερική κεντρομόνη δύναμη που σας κρατά από την κυριολεκτική αποβίβαση σε μια εφαπτομένη .
Οι δυνάμεις υπακούουν στους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα
Αυτή η προφανής εξωτερική δύναμη περιγράφεται από τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα. Ο Πρώτος Νόμος του Νεύτωνα δηλώνει ότι «ένα σώμα σε ηρεμία θα παραμείνει σε ηρεμία και ένα σώμα σε κίνηση θα παραμείνει εν κινήσει αν δεν ενεργήσει από μια εξωτερική δύναμη».
Εάν ένα τεράστιο σώμα κινείται διαμέσου του χώρου σε ευθεία γραμμή, η αδράνεια του θα τον αναγκάσει να συνεχιστεί σε ευθεία γραμμή, εκτός αν μια εξωτερική δύναμη τον κάνει να επιταχύνει, να επιβραδύνει ή να αλλάξει την κατεύθυνση. Προκειμένου να ακολουθήσει μια κυκλική πορεία χωρίς αλλαγή ταχύτητας, πρέπει να εφαρμοστεί μια συνεχής κεντρομόλος δύναμη σε μια ορθή γωνία με τη διαδρομή της. Η ακτίνα (r) αυτού του κύκλου ισούται με τη μάζα (m) με το τετράγωνο της ταχύτητας (v) που διαιρείται με την κεντρομόλη (F) ή r = mv ^ 2 / F. Η δύναμη μπορεί να υπολογιστεί με απλή αναδιάταξη της εξίσωσης, F = mv ^ 2 / r.
Ο Τρίτος Νόμος του Νεύτωνα δηλώνει ότι «για κάθε ενέργεια, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση». Ακριβώς όπως η βαρύτητα σας αναγκάζει να ασκήσετε δύναμη στο έδαφος, το έδαφος φαίνεται να ασκεί ισότιμη και αντίθετη δύναμη στα πόδια σας. Όταν βρίσκεστε σε ένα επιταχυνόμενο αυτοκίνητο, το κάθισμα ασκεί μια δύναμη προς τα εμπρός σε σας ακριβώς όπως φαίνεται να ασκείτε μια προς τα πίσω δύναμη στο κάθισμα.
Στην περίπτωση ενός περιστρεφόμενου συστήματος, η κεντρομόλος δύναμη τραβάει τη μάζα προς τα μέσα για να ακολουθήσει μια καμπύλη διαδρομή, ενώ η μάζα φαίνεται να ωθείται προς τα έξω λόγω της αδράνειας της. Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις, όμως, υπάρχει μόνο μία πραγματική δύναμη που εφαρμόζεται, ενώ η άλλη είναι μόνο μια φαινομενική δύναμη.
Παραδείγματα κεντρομόλου δύναμης σε δράση
Υπάρχουν πολλές εφαρμογές που εκμεταλλεύονται την κεντρομόλο δύναμη. Το ένα είναι να προσομοιώσουμε την επιτάχυνση μιας εκτόξευσης χώρου για την εκπαίδευση αστροναυτών. Όταν ένας πυραύλος ξεκινά για πρώτη φορά, είναι τόσο φορτωμένος με καύσιμο και οξειδωτικό που μπορεί να μετακινηθεί μόλις. Ωστόσο, καθώς ανεβαίνει, καίει καύσιμο με τεράστιο ρυθμό, συνεχώς χάνει μάζα. Ο Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα δηλώνει ότι η δύναμη ισούται με την επιτάχυνση μάζας φορές, ή F = ma.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, η μάζα παραμένει σταθερή. Με ένα πύραυλο, όμως, η μάζα του αλλάζει δραστικά, ενώ η δύναμη, στην περίπτωση αυτή η ώθηση των κινητήρων πυραύλων, παραμένει σχεδόν σταθερή. Αυτό αναγκάζει την επιτάχυνση προς το τέλος της φάσης ενίσχυσης να αυξηθεί σε αρκετές φορές εκείνη της κανονικής βαρύτητας. Η NASA χρησιμοποιεί μεγάλους φυγοκεντρητές για να προετοιμάσει τους αστροναύτες για αυτήν την ακραία επιτάχυνση. Σε αυτή την εφαρμογή, η κεντρομόλος δύναμη παρέχεται από την πλάτη του καθίσματος που σπρώχνει προς τα μέσα τον αστροναύτη.
Ένα άλλο παράδειγμα εφαρμογής της κεντρομόλου δύναμης είναι η εργαστηριακή φυγόκεντρος, η οποία χρησιμοποιείται για να επιταχύνει την καταβύθιση σωματιδίων αιωρούμενων σε υγρό. Μια κοινή χρήση αυτής της τεχνολογίας είναι η προετοιμασία δειγμάτων αίματος για ανάλυση. Σύμφωνα με την ιστοσελίδα του Experimental Biosciences του Πανεπιστημίου Rice, «Η μοναδική δομή του αίματος καθιστά πολύ εύκολο το διαχωρισμό των ερυθρών αιμοσφαιρίων από το πλάσμα και τα άλλα σχηματισμένα στοιχεία με διαφορική φυγοκέντρηση».
Κάτω από την κανονική δύναμη της βαρύτητας, η θερμική κίνηση προκαλεί συνεχή ανάμειξη, η οποία εμποδίζει τα κύτταρα του αίματος να απομακρυνθούν από ένα δείγμα ολικού αίματος. Ωστόσο, μια τυπική φυγόκεντρος μπορεί να επιτύχει επιταχύνσεις που είναι 600 έως 2.000 φορές εκείνη της κανονικής βαρύτητας. Αυτό αναγκάζει τα βαριά ερυθρά αιμοσφαίρια να κατακαθίσουν στο κάτω μέρος και διαστρώνουν τα διάφορα συστατικά του διαλύματος σε στρώματα ανάλογα με την πυκνότητα τους.
Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε στις 10 Μαΐου 2019 από τον συνθέτη Live Science Contributor, Jennifer Leman.
