DAYA SENTRIFUGAL: FORMULA, BAGAIMANA IA DIKIRA, CONTOH, LATIHAN - FIZIKAL - 2024

Daya sentrifugal cenderung menolak badan berputar yang mengambil lengkung. Ia dianggap sebagai kekuatan fiktif, kekuatan pseudoforce atau inersia, kerana ia tidak disebabkan oleh interaksi antara objek nyata, tetapi merupakan manifestasi dari inersia badan. Inersia adalah sifat yang menjadikan objek ingin mengekalkan keadaan rehatnya atau gerakan segiempat seragam, jika ada.

Istilah "daya sentrifugal" diciptakan oleh saintis Christian Huygens (1629-1695). Dia menyatakan bahawa gerakan melengkung planet akan cenderung menjauhkannya kecuali Matahari menggunakan kekuatan untuk menahannya, dan dia mengira bahawa daya ini sebanding dengan kuadrat halaju dan berbanding terbalik dengan radius lilitan yang dijelaskan.

Gambar 1. Semasa menikung, penumpang mengalami kekuatan yang cenderung menarik mereka keluar dari situ. Sumber: Libreshot.

Bagi mereka yang melakukan perjalanan dengan kereta, daya sentrifugal sama sekali tidak fiksyen. Penumpang di dalam kereta yang membelok ke kanan merasa didorong ke kiri, dan sebaliknya, ketika kereta itu membelok ke kiri, orang mengalami kekuatan ke kanan, yang sepertinya ingin menjauhkan mereka dari pusat lekukan.

Besarnya daya emparan F _g dikira dengan ungkapan berikut:

- F _g ialah magnitud daya sentrifugal

- m adalah jisim objek

- v adalah kelajuan

- R adalah jejari lengkung.

Gaya adalah vektor, oleh itu jenis tebal digunakan untuk membezakannya dari besarnya, yang merupakan skalar.

Sentiasa ingat bahawa F _g hanya muncul apabila gerakan digambarkan menggunakan kerangka rujukan dipercepat.

Dalam contoh yang dijelaskan pada awalnya, kereta berputar merupakan acuan dipercepat, kerana memerlukan percepatan sentripetal sehingga dapat berpusing.

Bagaimanakah daya emparan dikira?

Pemilihan sistem rujukan sangat penting untuk menghargai pergerakan. Kerangka rujukan yang dipercepat juga dikenali sebagai bingkai yang tidak inersia.

Dalam sistem jenis ini, seperti kereta berputar, daya fiktif seperti daya sentrifugal muncul, yang asalnya bukan interaksi sebenar antara objek. Seorang penumpang tidak dapat mengatakan apa yang mendorongnya keluar dari lekukan, dia hanya dapat menegaskan bahawa ini masalahnya.

Sebaliknya, dalam sistem rujukan inersia, interaksi berlaku antara objek nyata, seperti badan bergerak dan Bumi, yang menimbulkan berat badan, atau antara badan dan permukaan di mana ia bergerak, yang berasal geseran dan normal.

Seorang pemerhati yang berdiri di pinggir jalan dan memerhatikan kereta membelok melengkung adalah contoh yang baik dari sistem rujukan inersia. Bagi pemerhati ini, kereta itu berpusing kerana daya yang menghala ke tengah lengkung bertindak di atasnya, yang memaksanya untuk tidak keluar dari situ. Ini adalah daya sentripetal yang dihasilkan oleh geseran antara tayar dan turapan.

Dalam kerangka rujukan inersia, daya sentrifugal tidak muncul. Oleh itu, langkah pertama dalam menghitungnya adalah dengan berhati-hati memilih sistem rujukan yang akan digunakan untuk menggambarkan pergerakannya.

Akhirnya, perlu diperhatikan bahawa sistem rujukan inersia tidak semestinya berada dalam keadaan rehat, seperti pemerhati yang memerhatikan kenderaan memutar lekuk. Kerangka rujukan inersia, yang dikenal sebagai kerangka rujukan makmal, juga dapat bergerak. Sudah tentu, dengan kelajuan berterusan sehubungan dengan inersia.

Gambarajah badan bebas dalam sistem inersia dan bukan inersia

Pada gambar sebelah kiri, seorang pemerhati O sedang berdiri dan melihat O ', yang berada di platform yang berputar ke arah yang ditunjukkan. Bagi O, yang merupakan bingkai inersia, tentu O 'terus berputar kerana daya sentripetal F _{c yang} dihasilkan oleh dinding grid di bahagian belakang O'.

Gambar 2. Seseorang yang berdiri di atas meja putar dilihat dari dua sistem rujukan yang berbeza: satu tetap dan yang lain sesuai dengan orang itu. Sumber: Física de Santillana.

Hanya dalam kerangka rujukan inersia sah untuk menerapkan hukum kedua Newton, yang menyatakan bahawa kekuatan bersih sama dengan produk jisim dan pecutan. Dengan melakukannya, dengan gambarajah badan bebas yang ditunjukkan, kami mendapat:

Begitu juga, dalam gambar di sebelah kanan terdapat juga rajah badan bebas yang menggambarkan apa yang dilihat oleh pemerhati O '. Dari sudut pandangannya, dia dalam keadaan tenang, oleh itu kekuatan pada dirinya seimbang.

Daya-kekuatan ini adalah: F normal , yang dilancarkan dinding di atasnya, berwarna merah dan diarahkan ke arah tengah dan daya sentrifugal F _g yang mendorongnya ke luar dan yang tidak berasal dari sebarang interaksi, adalah daya bukan-inersia yang muncul dalam sistem rujukan berputar.

Daya sentrifugal bersifat fiktif, ia diimbangi oleh daya nyata, sentuhan atau daya normal yang menunjuk ke arah pusat. Oleh itu:

Contoh

Walaupun daya sentrifugal dianggap sebagai kekuatan semu, kesannya cukup nyata, seperti yang dapat dilihat pada contoh berikut:

- Dalam permainan berputar di taman hiburan, daya sentrifugal hadir. Dia memastikan bahawa kita "lari dari pusat" dan menawarkan daya tahan berterusan jika anda cuba berjalan ke tengah karusel yang bergerak. Pada bandul berikut anda dapat melihat daya sentrifugal:

- Kesan Coriolis timbul dari putaran Bumi, yang menjadikan Bumi berhenti menjadi kerangka inersia. Kemudian gaya Coriolis muncul, yang merupakan kekuatan semu yang memesongkan objek secara lateral, sama seperti orang yang berusaha berjalan di atas meja putar.

Latihan

Latihan 1

Sebuah kereta berpusing dengan pecutan A ke kanan mempunyai boneka yang digantung dari cermin spion dalam. Lukis dan bandingkan gambar rajah bebas mainan yang dilihat dari:

a) Kerangka rujukan inersia seorang pemerhati yang berdiri di jalan raya.

b) Seorang penumpang yang bergerak di dalam kereta.

Penyelesaian untuk

Seorang pemerhati yang berdiri di jalanan menyedari bahawa mainan itu bergerak dengan pantas, dengan pecutan A ke kanan.

Rajah 3. Gambarajah badan bebas untuk latihan 1a. Sumber: F. Zapata.

Terdapat dua daya yang bertindak pada mainan: di satu pihak ketegangan pada tali T dan berat menegak ke bawah W. Beratnya seimbang dengan komponen menegak tegangan Tcosθ, oleh itu:

Komponen tegasan mendatar: T. sinθ adalah daya tidak seimbang yang bertanggungjawab untuk pecutan ke kanan, oleh itu daya sentripetal adalah:

Penyelesaian b

Bagi penumpang di dalam kereta, mainan tergantung dalam keseimbangan dan rajahnya adalah seperti berikut:

Rajah 4. Gambar rajah badan bebas untuk latihan 1b. Sumber: F. Zapata.

Seperti kes sebelumnya, berat dan komponen tegangan tegangan dikompensasikan. Tetapi komponen mendatar diimbangi oleh daya fiktif F _g = mA, seperti:

Latihan 2

Duit syiling berada di tepi pemain rakaman vinil lama, radius 15 cm dan ia berputar pada 33 putaran / minit. Cari pekali geseran statik minimum yang diperlukan agar duit syiling kekal di tempatnya, menggunakan kerangka solidariti rujukan dengan duit syiling.

Penyelesaian

Dalam rajah tersebut adalah rajah badan bebas untuk pemerhati bergerak dengan duit syiling. N normal yang dipusingkan oleh pusing secara menegak diimbangi dengan berat W , sementara daya sentrifugal F _g dikompensasikan oleh _geseran F _geseran statik .

Gambar 5. Gambar rajah badan bebas untuk bersenam 2. Sumber: F. Zapata.

Besar daya daya sentrifugal adalah mv ² / R, seperti yang dinyatakan pada awal, kemudian:

Sebaliknya, daya geseran statik diberikan oleh:

Di mana μ _s adalah pekali geseran statik, kuantiti tanpa dimensi yang nilainya bergantung pada bagaimana permukaan bersentuhan. Mengganti persamaan ini adalah:

Besarnya normal masih harus ditentukan, yang berkaitan dengan berat badan mengikut N = mg. Mengganti lagi:

Kembali ke pernyataan, ia melaporkan bahawa duit syiling berputar pada kadar 33 putaran / minit, yang merupakan kelajuan sudut atau frekuensi sudut ω, yang berkaitan dengan kelajuan linier v:

Hasil latihan ini akan sama jika kerangka rujukan inersia dipilih. Dalam kes sedemikian, satu-satunya daya yang mampu menyebabkan pecutan ke arah pusat adalah geseran statik.

Permohonan

Seperti yang telah kita katakan, daya sentrifugal adalah kekuatan fiktif, yang tidak muncul dalam kerangka inersia, yang merupakan satu-satunya yang sah di mana undang-undang Newton. Di dalamnya, daya sentripetal bertanggungjawab untuk memberikan badan dengan pecutan yang diperlukan ke arah pusat.

Daya sentripetal bukanlah daya yang berbeza dari kekuatan yang sudah diketahui. Sebaliknya, justru inilah yang memainkan peranan daya sentripetal apabila sesuai. Sebagai contoh, graviti yang membuat Bulan mengorbit mengelilingi Bumi, ketegangan pada tali yang dipusingkan oleh batu, geseran statik dan daya elektrostatik.

Namun, kerana kerangka rujukan yang dipercepat berlimpah dalam praktiknya, kekuatan fiksyen mempunyai kesan yang sangat nyata. Sebagai contoh, berikut adalah tiga aplikasi penting di mana ia mempunyai kesan ketara:

Sentrifugal

Centrifuges adalah instrumen yang banyak digunakan di makmal. Ideanya adalah untuk membuat campuran bahan berputar pada kelajuan tinggi dan bahan dengan jisim yang lebih besar mengalami daya sentrifugal yang lebih besar, menurut persamaan yang dijelaskan pada awalnya.

Kemudian zarah-zarah yang paling besar cenderung bergerak dari paksi putaran, sehingga dipisahkan dari yang lebih ringan, yang akan tetap dekat dengan pusat.

Mesin basuh

Pencuci automatik mempunyai putaran putaran yang berbeza. Di dalamnya, pakaian disentrifugasi untuk menghilangkan sisa air. Semakin tinggi putaran pusingan, pakaian yang kurang lembap akan berada di akhir cucian.

Lekuk lengkung

Kereta lebih baik menikung di jalan raya, kerana lereng landas sedikit ke arah tengah lekukan, yang dikenali sebagai cant. Dengan cara ini, kereta tidak bergantung secara eksklusif pada geseran statik antara tayar dan jalan untuk menyelesaikan belokan tanpa meninggalkan lekukan.

Rujukan

1. Acosta, Victor. Pembinaan panduan didaktik mengenai daya sentrifugal untuk pelajar dalam kelas V kelas 10. Diperolehi dari: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Undang-undang Pergerakan: Gerakan Bulat. Dipulihkan dari: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fizikal. Jilid 1. Edisi ke-3 Dalam Bahasa Sepanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Universiti Autonomi Negara Hidalgo. Daya empar. Dipulihkan dari: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Sentrifugal. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.