Dieser Artikel erklärt, was Zentripetalkraft in der Physik ist. So erfahren Sie die Bedeutung der Zentripetalkraft, wie man die Zentripetalkraft berechnet und zusätzlich eine Schritt für Schritt gelöste Übung.
Was ist Zentripetalkraft?
Die Zentripetalkraft ist eine auf einen Körper wirkende Kraft, die eine Kreisbewegung beschreibt. Genauer gesagt ist die Zentripetalkraft die Kraft, die den Körper dazu bringt, seine Richtung zu ändern und somit eine kreisförmige Bahn zu verfolgen. Die Zentripetalkraft tritt daher nur bei kreisförmigen Bewegungen auf.
Wenn wir beispielsweise eine Schnur an einem Ball befestigen und ihn mit konstanter Geschwindigkeit um eine Achse drehen, folgt der Ball einer Kreisbahn, da die Schnur eine Zentripetalkraft auf ihn ausübt. Ein weiteres Beispiel für die Zentripetalkraft ist die Kraft, die einen Satelliten in der Umlaufbahn hält.
Das Hauptmerkmal der Zentripetalkraft besteht darin, dass sie senkrecht zur Geschwindigkeit des Körpers ist, der die Kreisbewegung beschreibt, die tangential zur Kreisbahn verläuft. Die Zentripetalkraft zeigt also immer auf den Mittelpunkt der Kreisbewegung.
Wie Sie im vorherigen Bild sehen können, ist die Richtung der Zentripetalkraft (F c ) radial und zeigt zum Mittelpunkt der Kreisbahn. Andererseits steht die Tangentialkraft (F t ) senkrecht zur Zentripetalkraft und tritt auch bei bestimmten Arten von Kreisbewegungen auf. Im Folgenden werden wir sehen, was die Unterschiede zwischen Zentripetalkraft und Tangentialkraft sind.
Zentripetalkraftformel
Die Zentripetalkraft ist gleich der Masse des Körpers mal der Zentripetalbeschleunigung . Die Zentripetalkraft ist daher gleich der Masse des Körpers multipliziert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit dividiert durch den Radius. Die Zentripetalkraft wird ebenfalls berechnet, indem die Masse mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit und dem Radius multipliziert wird.
Kurz gesagt lautet die Formel zur Berechnung der Zentripetalkraft :
Gold:
-
ist die Zentripetalbeschleunigung.
-
ist die Masse des bewegten Körpers, der die Kreisbewegung ausführt.
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ist die Zentripetalbeschleunigung (oder Normalbeschleunigung).
-
ist die Tangentialgeschwindigkeit (oder Lineargeschwindigkeit).
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ist der Radius der Bahn der Kreisbewegung.
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ist die Winkelgeschwindigkeit.
Beachten Sie, dass die Zentripetalkraft immer auf den Mittelpunkt der Kreisbahn zeigt. Das Vorzeichen der Zentripetalkraft ist daher je nach gewähltem Bezugssystem positiv oder negativ.
Beispiel für die Berechnung der Zentripetalkraft
Nachdem wir nun die Definition der Zentripetalkraft und ihre Formel kennen, sehen wir uns ein konkretes Beispiel für die Berechnung dieser Art von Kraft an.
- Ein bewegter Körper mit der Masse m=8 kg beschreibt eine gleichmäßige Kreisbewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit von 2 rad/s und einem Krümmungsradius von 3 m. Welche Zentripetalkraft wirkt auf den sich bewegenden Körper?
Da uns das Problem den Wert der Winkelgeschwindigkeit des Körpers liefert, müssen wir zur Ermittlung der Zentripetalkraft die folgende Formel verwenden:
Also setzen wir die Daten in die Formel ein und berechnen die Zentripetalkraft, die auf den rotierenden Körper wirkt, der eine gleichmäßige Kreisbewegung ausführt:
Zentripetalkraft und Tangentialkraft
In diesem Abschnitt werden wir sehen, was der Unterschied zwischen Zentripetalkraft und Tangentialkraft ist, da dies die beiden Haupttypen von Kräften sind, die bei unterschiedlichen Kreisbewegungen auftreten.
Die Tangentialkraft ist eine auf einen Körper wirkende Kraft, die eine ungleichmäßige Kreisbewegung beschreibt und tangential zur Flugbahn des Körpers verläuft. Tangentialkraft ist die Kraft, die dazu führt, dass sich der Körper schneller oder langsamer dreht.
Der Unterschied zwischen Zentripetalkraft und Tangentialkraft besteht darin, dass die Zentripetalkraft eine Änderung der Richtung der Flugbahn des sich bewegenden Körpers verursacht, während die Tangentialkraft eine Änderung der Größe der Geschwindigkeit des Körpers verursacht.
Darüber hinaus zeigt die Zentripetalkraft zum Mittelpunkt der Kreisbahn, während die Tangentialkraft tangential zur Bahn verläuft. Die Zentripetalkraft und die Tangentialkraft stehen also senkrecht zueinander.
Bedenken Sie, dass bei jeder Kreisbewegung eine Zentripetalkraft vorhanden ist, andernfalls würde der sich bewegende Körper einer geraden Bahn folgen. Bei gleichförmiger Kreisbewegung ist die Tangentialkraft jedoch Null, da die Tangentialgeschwindigkeit konstant ist.
Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft
Abschließend werden wir sehen, was der Unterschied zwischen Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft ist, da es sich um zwei verschiedene Arten von Kräften handelt, die oft verwechselt werden.
Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive Kraft, die bei der Untersuchung der Bewegung eines Körpers aus einem rotierenden Bezugssystem auftritt.
Daher besteht der Unterschied zwischen Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft darin, dass die Zentripetalkraft eine reale Kraft ist, die auftritt, wenn ein Körper eine Kreisbewegung ausführt, während die Zentrifugalkraft eine fiktive Kraft ist, die auftritt, wenn sich das Bezugssystem um eine Achse dreht.