Centrifugale kracht is alomtegenwoordig in ons dagelijks leven, maar is het wat we denken dat het is?
We ervaren het wanneer we een hoek omrijden in een auto of wanneer een vliegtuig een bocht maakt. We zien het in de centrifuge van een wasmachine of wanneer kinderen op een draaimolen rijden. Op een dag kan het zelfs kunstmatige zwaartekracht bieden voor ruimteschepen en ruimtestations.
Maar middelpuntvliedende kracht wordt vaak verward met zijn tegenhanger, middelpuntzoekende kracht, omdat ze zo nauw verwant zijn - in wezen twee kanten van dezelfde medaille.
Centripetale kracht wordt gedefinieerd als "de kracht die nodig is om een object in een gebogen pad te laten bewegen en die naar binnen gericht is naar het rotatiecentrum", terwijl centrifugale kracht wordt gedefinieerd als "de schijnbare kracht die wordt gevoeld door een object dat beweegt in een gebogen pad dat naar buiten werkt, weg van het rotatiecentrum, "aldus Merriam Webster Dictionary.
Merk op dat terwijl de middelpuntzoekende kracht een werkelijke kracht is, de middelpuntvliedende kracht wordt gedefinieerd als een schijnbare kracht. Met andere woorden, wanneer een massa op een snaar ronddraait, oefent de snaar een naar binnen gerichte centripetale kracht op de massa uit, terwijl massa een naar buiten gerichte centrifugale kracht op de snaar lijkt uit te oefenen.
'Het verschil tussen middelpuntzoekende en middelpuntvliedende kracht heeft te maken met verschillende' referentiekaders ', dat wil zeggen verschillende gezichtspunten van waaruit je iets meet', zegt Andrew A. Ganse, onderzoeksfysicus aan de Universiteit van Washington. "Centripetale kracht en middelpuntvliedende kracht zijn eigenlijk exact dezelfde kracht, maar in tegengestelde richtingen omdat ze worden ervaren vanuit verschillende referentiekaders."
Als je van buitenaf een rotatiesysteem waarneemt, zie je een naar binnen gerichte centripetale kracht die het roterende lichaam tot een cirkelvormig pad dwingt. Als je echter deel uitmaakt van het rotatiesysteem, ervaar je een schijnbare middelpuntvliedende kracht die je wegduwt van het middelpunt van de cirkel, ook al voel je eigenlijk de inwaartse middelpuntzoekende kracht die je ervan weerhoudt om letterlijk op een tangens af te gaan .
De krachten volgen de bewegingswetten van Newton
Deze schijnbare uitwendige kracht wordt beschreven door de bewegingswetten van Newton. De eerste wet van Newton stelt dat 'een lichaam in rust in rust blijft en een lichaam in beweging blijft in beweging, tenzij er een externe kracht op handelt'.
Als een massief lichaam in een rechte lijn door de ruimte beweegt, zal zijn traagheid ervoor zorgen dat het in een rechte lijn doorgaat, tenzij een kracht van buitenaf ervoor zorgt dat het versnelt, vertraagt of van richting verandert. Om een cirkelvormig pad te kunnen volgen zonder van snelheid te veranderen, moet een continue middelpuntzoekende kracht worden uitgeoefend in een rechte hoek op het pad. De straal (r) van deze cirkel is gelijk aan de massa (m) maal het kwadraat van de snelheid (v) gedeeld door de middelpuntzoekende kracht (F), of r = mv ^ 2 / F. De kracht kan worden berekend door de vergelijking eenvoudig te herschikken, F = mv ^ 2 / r.
De derde wet van Newton stelt dat 'voor elke handeling een gelijke en tegengestelde reactie is'. Net zoals zwaartekracht ervoor zorgt dat je een kracht op de grond uitoefent, lijkt de grond een gelijke en tegengestelde kracht op je voeten uit te oefenen. Wanneer u in een accelererende auto zit, oefent de stoel een voorwaartse kracht op u uit, net zoals u een achterwaartse kracht op de stoel lijkt uit te oefenen.
In het geval van een rotatiesysteem trekt de middelpuntzoekende kracht de massa naar binnen om een gebogen pad te volgen, terwijl de massa door zijn traagheid naar buiten lijkt te duwen. In elk van deze gevallen wordt er echter maar één echte kracht uitgeoefend, terwijl de andere slechts een schijnbare kracht is.
Voorbeelden van centripetale kracht in actie
Er zijn veel toepassingen die centripetale kracht benutten. Een daarvan is het simuleren van de versnelling van een ruimtelancering voor astronautentraining. Wanneer een raket voor het eerst wordt gelanceerd, is deze zo beladen met brandstof en oxidatiemiddel dat hij nauwelijks kan bewegen. Terwijl het stijgt, verbrandt het echter enorm veel brandstof en verliest het voortdurend massa. De tweede wet van Newton stelt dat kracht gelijk is aan massa maal versnelling, of F = ma.
In de meeste situaties blijft de massa constant. Bij een raket verandert de massa echter drastisch, terwijl de kracht, in dit geval de stuwkracht van de raketmotoren, vrijwel constant blijft. Hierdoor neemt de versnelling tegen het einde van de boostfase toe tot meerdere malen die van de normale zwaartekracht. NASA gebruikt grote centrifuges om astronauten voor te bereiden op deze extreme versnelling. In deze toepassing wordt de middelpuntzoekende kracht geleverd door de rugleuning die naar binnen duwt op de astronaut.
Een ander voorbeeld van de toepassing van centripetale kracht is de laboratoriumcentrifuge, die wordt gebruikt om de neerslag van in vloeistof gesuspendeerde deeltjes te versnellen. Een veelgebruikt gebruik van deze technologie is het voorbereiden van bloedmonsters voor analyse. Volgens de Experimental Biosciences-website van Rice University: "De unieke structuur van bloed maakt het heel gemakkelijk om rode bloedcellen te scheiden van plasma en de andere gevormde elementen door differentiële centrifugatie."
Onder de normale zwaartekracht veroorzaakt thermische beweging een continue menging die voorkomt dat bloedcellen uit een volbloedmonster gaan bezinken. Een typische centrifuge kan echter versnellingen bereiken die 600 tot 2.000 maal die van normale zwaartekracht bedragen. Dit dwingt de zware rode bloedcellen om zich op de bodem te nestelen en stratificeert de verschillende componenten van de oplossing in lagen op basis van hun dichtheid.
Dit artikel is op 10 mei 2019 bijgewerkt door Jennifer Leman, WordsSideKick.com.
