ما هي القوة المركزية؟ التعريف والمعادلات

تعرف القوة المركزية بأنها القوة يتصرف على جسم يتحرك في مسار دائري موجه نحو المركز الذي يتحرك فيه الجسم. المصطلح يأتي من الكلمات اللاتينية سنتروم عن "المركز" و بيتيري، بمعنى "السعي".

يمكن اعتبار القوة المركزية قوة البحث عن المركز. اتجاهها متعامد (بزاوية قائمة) لحركة الجسم في الاتجاه نحو مركز انحناء مسار الجسم. تغير القوة المركزية اتجاه حركة الجسم دون تغيير حركته سرعة.

الوجبات الجاهزة الرئيسية: القوة المركزية

بينما تعمل قوة الجاذبية على سحب الجسم نحو مركز نقطة الدوران ، تدفع قوة الطرد المركزي (قوة "الفرار من المركز" بعيدًا عن المركز.

تبعا لقانون نيوتن الأول، "سيبقى الجسد في حالة الراحة ، في حين سيظل الجسد في حالة حركة ما لم يتم التصرف من قبل قوة خارجية." في بعبارة أخرى ، إذا كانت القوى التي تعمل على جسم ما متوازنة ، فإن الجسم سيستمر في التحرك بوتيرة ثابتة بدون التسريع.

تسمح القوة المركزية للجسم باتباع مسار دائري دون التحليق في الظل من خلال العمل باستمرار بزاوية قائمة على مسارها. بهذه الطريقة ، يتصرف على الجسم كواحد من القوى في قانون نيوتن الأول ، وبالتالي الحفاظ على الجمود الكائن.

قانون نيوتن الثاني ينطبق أيضا في حالة متطلبات قوة الجاذبية ، التي تقول أنه إذا كان الجسم يتحرك في دائرة ، فإن القوة الصافية التي تعمل عليه يجب أن تكون واردة. يقول قانون نيوتن الثاني أن الجسم الذي يتم تسريعه يخضع لقوة صافية ، مع اتجاه القوة الصافية نفس اتجاه التسارع. بالنسبة إلى جسم يتحرك في دائرة ، يجب أن تكون قوة الجاذبية (القوة الصافية) موجودة لمواجهة قوة الطرد المركزي.

من وجهة نظر كائن ثابت على الإطار المرجعي الدوار (على سبيل المثال ، مقعد على أرجوحة) ، فإن المركزي والطرد المركزي متساويان في الحجم ، لكنهما معاكسان للاتجاه. تعمل قوة الطرد المركزي على الجسم أثناء الحركة ، بينما لا تعمل قوة الطرد المركزي. لهذا السبب ، تسمى قوة الطرد المركزي أحيانًا قوة "افتراضية".

تم اشتقاق التمثيل الرياضي لقوة الجاذبية من قبل الفيزيائي الهولندي كريستيان هيجنز في عام 1659. بالنسبة للجسم الذي يتبع مسارًا دائريًا بسرعة ثابتة ، فإن نصف قطر الدائرة (ص) يساوي كتلة الجسم (م) ضرب مربع السرعة `5` مقسومة على قوة الجاذبية (F):

ص = mv²/F

يمكن إعادة ترتيب المعادلة لحل قوة الجاذبية:

F = mv²/ ص

نقطة مهمة يجب أن تلاحظها من المعادلة هي أن قوة الجاذبية تتناسب مع مربع السرعة. هذا يعني مضاعفة سرعة الجسم يحتاج أربع مرات القوة المركزية للحفاظ على الجسم يتحرك في دائرة. يظهر مثال عملي على ذلك عند أخذ منحنى حاد مع سيارة. هنا ، الاحتكاك هو القوة الوحيدة التي تحافظ على إطارات السيارة على الطريق. تؤدي زيادة السرعة إلى زيادة القوة بشكل كبير ، وبالتالي يصبح الانزلاق أكثر ترجيحًا.

لاحظ أيضًا أن حساب القوة المركزية يفترض عدم وجود قوى إضافية تعمل على الجسم.

حساب شائع آخر هو تسارع الجاذبية ، وهو التغير في السرعة مقسومًا على التغير في الوقت. التسارع مربع السرعة مقسومًا على نصف قطر الدائرة:

Δv / Δt = أ = ت²/ ص

المثال الكلاسيكي لقوة الجاذبية المركزية هو حالة جسم يتأرجح على حبل. هنا ، يزود التوتر على الحبل قوة "الجذب" المركزية.

القوة المركزية هي قوة "الدفع" في حالة وجود متسابق دراجة نارية في حائط الموت.

تستخدم القوة المركزية في أجهزة الطرد المركزي المختبرية. هنا ، يتم فصل الجسيمات العالقة في السائل عن السائل عن طريق تسريع الأنابيب موجه بحيث يتم سحب الجسيمات الثقيلة (أي الأجسام ذات الكتلة الأعلى) نحو الجزء السفلي من الجسيمات أنابيب. بينما تفصل أجهزة الطرد المركزي عادة المواد الصلبة عن السوائل ، إلا أنها قد تقوم أيضًا بتجزئة السوائل ، كما هو الحال في عينات الدم ، أو مكونات منفصلة للغازات.

تستخدم أجهزة الطرد المركزي الغازية لفصل نظير اليورانيوم -238 الثقيل عن نظير اليورانيوم -235 الأخف وزنا. يتم رسم النظير الثقيل باتجاه الجزء الخارجي من أسطوانة الغزل. يتم استغلال الجزء الثقيل وإرساله إلى جهاز طرد مركزي آخر. تتكرر العملية حتى يتم "إثراء" الغاز بما فيه الكفاية.

يمكن عمل تلسكوب مرآة سائل (LMT) عن طريق تدوير عاكس سائل معدن، مثل الزئبق. يفترض سطح المرآة شكل القطع المكافئ لأن قوة الجاذبية تعتمد على مربع السرعة. وبسبب هذا ، يتناسب ارتفاع المعدن السائل الغزل مع مربع المسافة الخاصة به من المركز. يمكن ملاحظة الشكل المثير للاهتمام الذي يفترض بواسطة سوائل الغزل عن طريق تدوير دلو من الماء بمعدل ثابت.