5.16: Zentrifugalkraft

Pseudokräfte, auch bekannt als Scheinkräfte, erscheinen in einem rotierenden Bezugssystem, wenn ein Objekt Diese Kräfte sind keine echten Kräfte, sondern mathematische Konstrukte, die eingeführt werden, um Berechnungen in einem nicht-trägen Bezugssystem zu vereinfachen, während Newtons Bewegungsgesetze verwendet werden. Gängige Beispiele für Pseudokräfte sind Zentrifugal-, Coriolis- und Euler-Kräfte.Diese Kräfte sind in Bereichen wie Mechanik, Astrophysik und Strömungsmechanik unverzichtbar, in denen die Bewegung von Objekten in nicht-trägen Bezugssystemen häufig vorkommt.

Betrachten Sie eine an einem Seil befestigte Kugel, die sich in einer horizontalen Ebene dreht. Gemäß dem ersten newtonschen Gesetz würde die Kugel, wenn sie aus einem trägen Bezugssystem beobachtet wird, eine gerade Linie entlangfahren. Die Spannung im Seil jedoch bietet der Kugel kontinuierlich die erforderliche Zentripetalkraft, damit sie sich auf einem Kreisweg bewegt. In diesem trägen Bezugssystem ist keine Zentrifugalkraft erforderlich, da sich alle Bewegungen ausreichend mit echtete Kräften und Newtons Bewegungsgesetzen beschreben lassen.

Betrachten Sie nun ein Bezugssystem, das sich zusammen mit der Kugel um dieselbe Achse wie die Kugel dreht. Aus dieser Perspektive betracint die Kugel stationär. Die Deh wirken die Zugkraft im Seil oder die Zentripetalkraft wirkenrhin auf die Kugel und sind auf die Rotationsachse gerichtet.

Dies widerspricht den newtonschen Bewegungsgesetzen, gemäß denen die Kugel in Richtung der resultierenden angewandten Kraft beschleunigen muss, also in Richtung der Rotationsachse. Die Einführung einer gleichwertigen und entgegengerichteten Zentrifugalkraft zur Zentripetalkraft löst das Problem. Die resultierende Kraft auf die Kugel ist null, was sie im rotierenden Bezugssystem stationär hält.

Scheinkräfte sind erforderlich, um korrekte Bewegungsgleichungen unter Verwendung der ersten beiden newtonschen Gesetze aufzustellen. Scheinkräfte gehorchen jedoch nicht dem dritten newtonschen Gesetz, das besagt, dass die gleichwertigen und entgegengerichteten Kräfte im selben Bezugssystem existieren müssen. Dies bedeutet, dass Zentrifugal- und Zentripetalkräfte keine Aktions- und Reaktionskräfte sind.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum ein Ball in einem rotierenden Karussell nach außen fliegt?

Während sich das Karussell dreht, zieht die Kugel eine kreisförmige Bahn. Die Komponente der Zugkraft in der Saite stellt die notwendige Zentripetalkraft für die Kreisbewegung der Kugel bereit.

Die Zentripetalkraft ist auf den Mittelpunkt des Kreises gerichtet und wird durch das Produkt aus der Masse des Objekts, dem Quadrat seiner Winkelgeschwindigkeit und seinem Abstand von der Rotationsachse bezeichnet.

Da die Kugel nach außen fliegt, folgt aus dem dritten Newtonschen Gesetz, dass die nach innen gerichtete Zentripetalkraft eine gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft nach außen haben sollte. Diese nach außen gerichtete Kraft, die vom Rotationszentrum weg gerichtet ist, wird als Zentrifugalkraft bezeichnet.

Die rotierende Kugel im Karussell erfährt eine Zentrifugalkraft, die sie vom Rotationszentrum weg nach außen drückt.

Die Zentrifugalkraft ist eine Pseudokraft. Er wird nur berücksichtigt, wenn der Beobachtungsrahmen nicht inertial ist.