Forza centrifuga: nemica o alleata
Uno che ha familiarità con Antico Testamento Sacra Scrittura, ricorda facilmente la storia della battaglia tra Davide e Golia. Il terribile gigante fu ucciso con l'aiuto di una fionda. Ma la fionda è un oggetto completamente reale, il dispositivo più semplice, l'arma che è stata usata nel momento in cui l'arco era considerato una tecnica avanzata. I primi artefatti trovati durante gli scavi, classificati come fionda, hanno diecimila anni. Devo dire che, nonostante il dispositivo estremamente semplice, la fionda non era così innocua. La pietra, liberata dalla fionda per mano di un operaio esperto, volò verso il nemico a una velocità di circa cento metri al secondo. La distanza di lancio massima effettivamente registrata era superiore a 400 metri.
Quali leggi fisiche si basano su risultati così impressionanti? Risposta: La velocità iniziale alla pietra (e successivamente a un proiettile a forma di palla di metallo) è stata data proprio da questa misteriosa forza centrifuga, che non è chiara da dove. Oltre alla fionda, questo fenomeno fisico ha costituito la base per la creazione di molte più e molte altre macchine e meccanismi utilizzati dall'uomo.
Descrizione della forza dal punto di vista della fisica
Molto spesso, a volte, ea volte, è spaventoso dire che anche gli studenti delle università tecniche usano un'espressione come la forza centripeta nella conversazione, identificandola con la forza centrifuga. Naturalmente, i due termini hanno molto in comune, anche se non è affatto la stessa cosa. Per avere una migliore idea di quali fenomeni stiamo parlando, dobbiamo ricordare una piccola fisica scolastica.
Cos'è l'inerzia. La pallottola rotante pesa circa 9 grammi. Se lo lanci di un metro circa e poi lo prendi con la mano (velocità inferiore a 1,0 m / s), puoi sentire una leggera scossa. Lo stesso proiettile sparato da un'arma e volando ad una velocità di circa 500 m / s. si rompe facilmente attraverso la tavola di pino spessa un pollice. E infine, un frammento di detriti spaziali della stessa massa, che vola in orbita con prima velocità cosmica (8 000 m / s.), Come un pezzo di burro, perforerà facilmente un serbatoio pesante.
Ogni corpo con massa m e che si muove con velocità V ha energia cinetica :
Per proiettili lanciati:
E = 0,009 ∙ 1 2/2 = 0,0045 J.
Per la pistola sparata:
E = 0,009 ∙ 500 2/2 = 1 125 J.
Per i detriti spaziali:
E = 0,009 ∙ 8 000 2/2 = 288 000 J
Affinché il corpo in movimento si fermi, è necessario applicare la stessa energia; per disperdere un corpo fisso a una tale velocità, è necessario spendere la stessa energia.
Ora immagina che un certo corpo, volando in linea retta, sia costretto a cambiare la direzione del movimento.
Il corpo raffigurato nella figura ha una velocità nella direzione dell'asse x - V x , cambiando la sua direzione di movimento dà velocità nella direzione dell'asse delle ordinate - V y , su cui, di conseguenza, è necessario spendere energia:
Finalmente, armato della conoscenza dell'inerzia, puoi tornare alla fionda. In breve, questa è una pietra (carico), che ruota lungo un percorso circolare su un filo.
Un corpo con una massa m, non tiene il suo filo, volerà dritto (che, di fatto, ha sperimentato Golia), ma essendo tenuto dal filo cambia costantemente la sua direzione. Ovviamente, ciò avviene sotto l'azione di una forza, che è comunemente chiamata forza centripeta - F cc . In questo caso, è la forza di tensione del filo.
Ma perché in questo caso la pietra non vola nella mano del moccioso? La ragione è la terza legge del brillante Newton, in cui si afferma che ogni forza applicata a un oggetto genera una forza di reazione uguale in grandezza e opposta in direzione. Ecco come nasce la forza centrifuga F cb .
Esempi di vita
Non è un caso che all'inizio dell'articolo venga considerata la fionda - l'esempio più semplice dell'azione della forza centrifuga, che è più facile da simulare, provare e sentire. Ma oltre a questo, questa quantità fisica è presente in un numero di cose e oggetti che ci circondano ogni giorno. Quindi, la forza centrifuga, lavorando nelle bobine delle cinture di sicurezza, rende il viaggio sicuro.
Gli appassionati di pesca non sarebbero in grado di fare il loro hobby preferito senza questo potere e quindi dirci cose senza senso. Ad esempio, lanciare pesanti trogoli - imitazione uno a uno dell'imbragatura da combattimento. E la pesca a spinning o carpa nelle mani di un pescatore non è altro che la stessa arma, ma solo una pietra mortale: un cucchiaio, un wobbler o un jig.
Come calcolare la forza centrifuga
La magnitudine scalare della forza centrifuga è calcolata dalla formula:
dove:
F - il valore desiderato della forza centrifuga, H;
m è il peso corporeo, kg;
V - velocità di movimento del corpo, m / s;
r è il raggio di rotazione, m
Esempi di calcoli
Calcoliamo la forza con cui la pietra viene spinta fuori dalla fionda: la lunghezza della cintura è di 1 metro dalla mano della fionda al letto. Il guerriero ruota la sua arma a una velocità di 2 giri al secondo. Nella fionda è una pietra che pesa 200 grammi.
L = 2πR = 2 ∙ 3,14 1 = 6,28 m.
Quindi, una seconda pietra vola di 2 2 L = 6,28 2 = 12,56 m, questa è la sua velocità - 12,56 m / s.
Il valore ricercato è il seguente:
F = mV 2 / r = 0,2 kg ∙ 12,56 2/1 = 31,55 N.
Forza messa in servizio
Ci sono molti esempi in cui la forza centrifuga funziona in modo utile. Oltre a combattere le armi da lancio, funziona alla grande negli sport moderni. La tecnica di lancio del martello e, in misura minore, il disco si basa sul dare la velocità del proiettile proprio svolgendosi.
Migliaia di macchine diverse hanno un principio operativo basato sull'uso della forza centrifuga. Non c'è bisogno di andare lontano, basta ricordare il nome di uno dei tipi più comuni di pompe. E il nome è "centrifugo". All'interno del cosiddetto Una ruota a "chiocciola" con lame gira una sorta di fluido di lavoro (liquido o gas). Dopodiché, a causa delle forze centrifughe, si forma una zona di pressione elevata sulla parete esterna della circonferenza della pompa e si forma un'area ridotta nel centro della coclea, dove la velocità di rotazione è minima. Pertanto, il mezzo trasportato, essendo entrato nella cavità della pompa attraverso l'ugello nella parte centrale, viene espulso sotto pressione attraverso un'uscita nella parete esterna.
E questo è solo un esempio. Le forze centrifughe lavorano in tutti i tipi di macchine per la pulizia in agricoltura. Il principio di separazione (separazione) dei materiali sfusi si basa sulla differenza di energia prodotta dalle particelle a causa della diversa densità e massa.
E, infine, un esempio della vita più quotidiana, per la cui contemplazione non è necessario recarsi allo stadio o al mercato del grano. Basta guardare come funziona la lavatrice più normale. La biancheria viene pressata contro le pareti del tamburo a causa della forza centrifuga, tanto che dopo aver premuto a 1000 giri / min. la lingerie fa quasi asciugare la macchina.
Quando combattono con lei
Ma non sempre è desiderabile la forza centrifuga. In alcuni casi, deve essere combattuto. Dettagli di grandi dimensioni in macchine utensili, meccanismi di spedizione nei motori camion da miniera sperimentando durante la rotazione enormi carichi. Ogni elemento strutturale più o meno pesante, fissato su una base rotante, tende a staccarsi e volare via nella direzione opposta al centro di rotazione. Una montatura, ad esempio, lame di elicotteri - generalmente una scienza completa.
Ogni automobilista sa che su una strada scivolosa l'auto soffia anche nella direzione opposta alla curvatura della tela. A volte si può vedere come negli angoli più acuti i costruttori di strade specifichino in modo specifico il centro di curvatura.
Forza centrifuga in natura
Un chiaro esempio della manifestazione della forza centrifuga in natura può servire come riflusso e flusso nelle regioni equatoriali. Il fatto è che non solo la luna ruota intorno alla terra. Il nostro pianeta, anche se molto più pesante del suo satellite, è ancora un po '"ballerino" ad esso, ruotando intorno ad esso leggermente su un piccolo raggio. Ciò porta al fatto che in due aree - dirette alla Luna e al contrario - si formano le gobbe delle acque del mondo oceano.
A proposito, la luna dalle forze di marea ha ottenuto di più. Furono loro a fermare la rotazione attorno al proprio asse. Grazie alla forza centrifuga, gli abitanti del pianeta blu possono vedere solo un lato del loro satellite naturale.
Breve riassunto
Quindi la forza centrifuga è una risposta a una forza centripeta. L'entità scalare della forza centrifuga è direttamente proporzionale al prodotto della massa corporea dal quadrato della sua velocità lineare e inversamente proporzionale al raggio di rotazione. Il vettore della forza passa attraverso il centro di rotazione e ha una direzione - da esso.