Відцентрова сила – ворог чи союзник

Той, хто знайомий з Старим Заповітом Святого Письма, без праці згадає сюжет битви Давида з Голіафом. Убитий страшний велетень був за допомогою пращі. А адже праща – абсолютно реально існуючий предмет, саме що ні на є простий пристрій, зброю, яке застосовувалося в часи, коли лук вважався передовою технікою. Найбільш ранні, виявлені при розкопках артефакти, що класифіковані як праща, мають вік в десяток тисяч років. Треба сказати, що, незважаючи на надзвичайно простий пристрій, праща не була такою невинною. Камінь, випущений з пращі рукою досвідченого метальника, летів у бік ворога зі швидкістю близько ста метрів в секунду. Максимальна реально зафіксована дальність кидка склала більше 400 метрів.




На яких же фізичних законах грунтуються такі значні результати? Відповідь: початкову швидкість каменю (а пізніше – металевого снаряду у формі кулі) надавала саме ця загадкова, незрозуміло звідки береться відцентрова сила. Крім пращі, це фізичне явище лягло в основу створення ще багатьох і багатьох інших машин і механізмів, використовуваних людиною.

Опис сили з позицій фізики

Дуже часто люди, а іноді, страшно сказати, навіть студенти технічних вузів використовують в розмові такий вираз, як доцентрова сила, ототожнюючи його з відцентровою. Безумовно, у двох термінів багато спільного, хоча це зовсім не одне і те ж. Щоб краще уявити собі, про які явища йде мова, треба згадати трохи шкільної фізики.




Що таке інерція. Револьверна куля важить близько 9 грамів. Якщо підкинути її вгору приблизно на метр і потім зловити рукою (швидкість менше 10 м/с.), можна відчути легкий поштовх. Та ж куля, випущена зі зброї і летить зі швидкістю близько 500 м/с. з легкістю пробиває соснову дошку товщиною в дюйм. І нарешті, шматочок космічного сміття тієї ж маси, що летить по орбіті з першою космічною швидкістю (8000 м/с.), як шматок масла, з легкістю прошиє важкий танк. Будь-яке тіло, що володіє масою m і рухається зі швидкістю V, має кінетичної енергією: Для підкинутої кулі: Е = 0009•1 2 /2=00045 Дж. Для випущеної з пістолета: Е = 0009•500 2 /2=1125 Дж. Для космічного сміття: Е = 0009•8000 2 /2=288000 Дж Для того щоб рухоме тіло зупинити, необхідно додати таку ж енергію; щоб нерухоме тіло розігнати до такої швидкості, необхідно цю ж енергію затратити. Тепер уявімо, що якесь тіло, що летить по прямій, змушують змінити напрямок руху. Зображене на малюнку тіло має швидкість у напрямку осі x - V x зміна напрями його руху надає йому швидкість в напрямку осі ординат – V y , на що потрібно затратити енергію:




Нарешті, озброївшись знаннями про інерцією, можна повернутися до праще. Якщо коротко, то це камінь (вантаж), що обертається по коловій траєкторії на нитки. Тіло, що володіє масою m, не тримай його нитка, полетить прямо (що, власне, і випробував на собі Голіаф), але, утримуване ниткою, постійно змінює свій напрямок. Очевидно, що це відбувається під дією якоїсь сили, яку й прийнято називати доцентрової - F цс . У розглянутому випадку - це сила натягу нитки. Але чому в цьому випадку камінь не летить в руку пращника? Всьому виною третій закон геніального Ньютона, який говорить, що будь-яка сила, прикладена до предмета, породжує силу протидії, рівну за величиною та протилежну за напрямом. Ось так і народжується відцентрова сила F цб .

Приклади з життя

Не випадково на початку статті розглядається саме праща – найпростіший приклад дії відцентрової сили, який простіше простого змоделювати, спробувати і відчути. Але крім цього, дана фізична величина присутній в цілому ряді щодня оточуючих нас речей і предметів. Так, відцентрова сила, працюючи в котушках ременів безпеки, робить поїздки безпечними. Любителі риболовлі так без цієї сили взагалі не змогли б займатися улюбленим хобі і потім розповідати нам байки. Наприклад, закидання важкої годівниці – один в один імітація бойовий пращі. А спінінг або коропова снасть в руці рибака являє собою не що інше, як те ж саме зброю, тільки замість смертоносного каменю – блешня, воблер або джиг.

Як розрахувати відцентрову силу

Скалярна величина відцентрової сили розраховується за формулою: де: F - шукане значення відцентрової сили, Н; m - маса тіла, кг; V - швидкість руху тіла, м/с.; r - радіус обертання, м.

Приклади розрахунків

Розрахуємо, з якою силою виштовхується камінь з пращі: довжина ременя від руки пращника до ложа 1 метр. Воїн обертає своє знаряддя зі швидкістю 2 оберти в секунду. У праще лежить камінь вагою 200 грамів. Довжина окружності: L = 2?R = 2•314•1=628 м. Таким чином, у секунду камінь пролітає 2•L = 628•2 = 1256 м, це і є його швидкість - 1256 м/с. Шукана величина знаходиться таким чином: F = mV 2 /r = 02 кг•1256 2 /1 = 3155 Н.

Сила, поставлена на службу

Прикладів, де відцентрова сила виконує корисну роботу, безліч. Крім бойового метальної зброї, вона прекрасно працює в сучасному спорті. Техніка метання молота і в меншій мірі – диска заснована на надання снаряду швидкості шляхом саме розкручування. Тисячі всіляких машин мають принцип дії, заснований на використанні відцентрової сили. Не потрібно далеко ходити, достатньо згадати назву одного з найпоширеніших типів насосів. А назву він носить «відцентровий». Всередині т. н. «равлики» колесо з лопатями розкручує якесь робоче тіло (рідина або газ). Після чого біля зовнішньої стінки колу насоса завдяки відцентровим силам утворюється область підвищеного тиску, а в центрі равлики, де швидкість обертання мінімальна, – зниженого. Таким чином, транспортується середа, вступивши в порожнину насоса через патрубок в центральній частині, під тиском викидається через вихідний отвір в зовнішній стінці. І це тільки один з прикладів. Відцентрові сили працюють у різноманітних очисних машинах в сільському господарстві. Принцип сепарації (розділення) сипучих матеріалів заснований на різниці енергій, отриманих частинками з-за різної щільності та маси. Ну і, нарешті, приклад самий що ні на є побутовий, для споглядання якого не потрібно їхати на стадіон, ні на зернотік. Достатньо подивитися, як працює сама звичайна пральна машина-автомат на віджиманні. Білизна притискається до стінок барабана завдяки відцентровій силі, да так, що після віджиму 1000 об./мін. білизна дістається їх машини майже сухим.

Коли з нею боряться

Але не завжди відцентрова сила бажана. В деяких випадках з нею доводиться боротися. Деталі великих розмірів у верстатобудуванні, корабельних механізми в моторах кар'єрних самоскидів відчувають при обертанні величезні навантаження. Кожен більш-менш важкий елемент конструкції, закріплений на поворотній основі, прагнути відірватися і полетіти у бік, протилежний від центру обертання. А кріплення, наприклад, вертолітних лопатей – взагалі ціла наука. Кожен автомобіліст знає, що на слизькій дорозі машину зносить так само в сторону, протилежну закругленню полотна. Іноді можна помітити, як на найбільш крутих поворотах дорожники спеціально роблять ухил до центру кривизни.

Відцентрова сила в природі

Яскравим прикладом прояву відцентрової сили в природі можуть служити припливи – відливи в екваторіальних областях. Справа в тому, що не тільки Місяць обертається навколо Землі. Наша планета, хоч і набагато важчим за свого супутника, але все ж трохи «підтанцьовує» йому, трохи обертаючись навколо нього по невеликого радіусу. Це призводить до того, що в двох областях - спрямованої до Місяця і протилежною - утворюються як би горби вод світового океану. До слова сказати, Місяці від приливних сил дісталося більше. Саме вони зупинили її обертання навколо своєї осі. Завдяки відцентровій силі жителі блакитної планети можуть бачити лише одну сторону свого природного супутника.

Коротке резюме

Отже, відцентрова сила є відповідною реакцією на силу центростремительную. Скалярна величина відцентрової сили прямо пропорційна добутку маси тіла на квадрат його лінійної швидкості і обернено пропорційна радіусу обертання. Вектор сили проходить через центр обертання і має напрямок – від нього.