▷ Что такое центростремительная сила? (формула и примеры)

В этой статье объясняется, что такое центростремительная сила в физике. Так вы узнаете, что такое центростремительная сила, как рассчитать центростремительную силу и, кроме того, пошагово решаемое упражнение.

Что такое центростремительная сила?

Центростремительная сила – это сила, действующая на тело, описывающая круговое движение . Более конкретно, центростремительная сила — это сила, которая заставляет тело менять направление и, следовательно, следовать по круговой траектории. Таким образом, центростремительная сила проявляется только при круговых движениях.

Например, если мы прикрепим к шару веревку и вращаем ее вокруг оси с постоянной скоростью, шар будет следовать по круговой траектории, поскольку веревка оказывает на него центростремительную силу. Другим примером центростремительной силы является сила, удерживающая спутник на орбите.

Основная характеристика центростремительной силы состоит в том, что она перпендикулярна скорости тела, описывающей круговое движение, касательное к круговой траектории. Таким образом, центростремительная сила всегда направлена к центру кругового движения.

центростремительная сила и касательная сила

Как вы можете видеть на предыдущем изображении, направление центростремительной силы (F _c ) является радиальным и направлено к центру круговой траектории. С другой стороны, тангенциальная сила (F _t ) перпендикулярна центростремительной силе и также возникает при некоторых видах круговых движений. Ниже мы увидим, в чем разница между центростремительной силой и тангенциальной силой.

Формула центростремительной силы

Центростремительная сила равна произведению массы тела на центростремительное ускорение . Таким образом, центростремительная сила равна массе тела, умноженной на квадрат скорости, разделенной на радиус. Центростремительная сила также рассчитывается путем умножения массы на квадрат угловой скорости на радиус.

Вкратце, формула расчета центростремительной силы такова:

Золото:

$F_c$

это центростремительное ускорение.
$m$

– масса движущегося тела, совершающего круговое движение.
$a_c$

– центростремительное ускорение (или нормальное ускорение).
$v$

— тангенциальная скорость (или линейная скорость).
$r$

– радиус траектории кругового движения.
$\omega$

— угловая скорость.

Обратите внимание, что центростремительная сила всегда направлена к центру круговой траектории. Поэтому знак центростремительной силы будет положительным или отрицательным в зависимости от выбранной системы отсчета.

Пример расчета центростремительной силы

Теперь, когда мы знаем определение центростремительной силы и ее формулу, давайте посмотрим на конкретный пример того, как рассчитывается этот тип силы.

Движущееся тело массой m=8 кг совершает равномерное круговое движение с угловой скоростью 2 рад/с и радиусом кривизны 3 м. Какая центростремительная сила действует на движущееся тело?

Поскольку задача дает нам значение угловой скорости тела, для нахождения центростремительной силы необходимо воспользоваться следующей формулой:

$F_c=m\cdot \omega^2 \cdot r$

Итак, подставляем данные в формулу и вычисляем центростремительную силу, действующую на вращающееся тело, совершающее равномерное круговое движение:

$F_c=8\cdot 2^2 \cdot 3= 96\ N$

Центростремительная сила и касательная сила

В этом разделе мы увидим, в чем разница между центростремительной силой и тангенциальной силой, поскольку это два основных типа сил, которые возникают при различном круговом движении.

Тангенциальная сила — это сила, действующая на тело, описывающее неоднородное круговое движение и касательная к траектории, по которой движется тело. Тангенциальная сила – это сила, которая заставляет тело вращаться быстрее или медленнее.

Разница между центростремительной силой и касательной силой состоит в том, что центростремительная сила вызывает изменение направления траектории движущегося тела, а касательная сила вызывает изменение величины скорости тела.

Кроме того, центростремительная сила направлена к центру круговой траектории, а касательная сила направлена по касательной к траектории. Следовательно, центростремительная сила и касательная сила перпендикулярны.

Имейте в виду, что центростремительная сила существует при любом типе кругового движения, иначе движущееся тело двигалось бы по прямой траектории. Однако тангенциальная сила равна нулю при равномерном круговом движении, поскольку тангенциальная скорость постоянна.

➤ См.: Что такое касательная сила?

Центростремительная сила и центробежная сила

Наконец, мы увидим, в чем разница между центростремительной силой и центробежной силой, поскольку это два разных типа сил, которые часто путают.

Центробежная сила – это фиктивная сила, возникающая при изучении движения тела из вращающейся системы отсчета.

Следовательно, разница между центростремительной силой и центробежной силой заключается в том, что центростремительная сила — это реальная сила, возникающая при совершении тела кругового движения, а центробежная сила — это фиктивная сила, возникающая при вращении системы отсчета вокруг оси.