5.16: 원심력

유사 힘 또는 가상의 힘은 관성 기준계를 기준으로 회전하는 기준계에서 움직이는 물체에 작용하는 것처럼 보입니다. 이러한 힘은 실제 힘이 아니라 수학적 구성이며 뉴턴의 운동 법칙을 사용하면서 비관성 프레임에서 계산을 단순화하기 위해 도입되었습니다. 의사 힘의 일반적인 예로는 원심력, 코리올리 힘, 오일러 힘 등이 있습니다. 이러한 힘은 비관성 기준계에서 물체의 움직임이 흔히 발생하는 역학, 천체 물리학, 유체 역학과 같은 분야에서 필수적입니다.

수평면에서 회전하는 끈에 묶인 공을 생각해 보세요. 뉴턴의 운동 제1법칙에 따르면 관성 기준계에서 관찰하면 공은 직선으로 움직입니다. 그러나 줄의 장력은 공이 원형 경로로 계속 움직일 수 있도록 구심력을 지속적으로 제공합니다. 실제 힘과 뉴턴의 운동 법칙만을 사용하여 모든 운동을 적절하게 설명할 수 있으므로 이 관성계에는 원심력이 필요하지 않습니다.

이제 공과 동일한 축을 중심으로 공이 회전하는 기준틀을 생각해 보세요. 이 프레임에서 보면 공은 정지되어 있습니다. 그러나 줄의 장력이나 구심력은 여전히 회전축을 향하는 공에 작용합니다.

이는 공이 가해진 순 힘의 방향, 즉 회전축 방향으로 가속되어야 한다는 뉴턴의 운동 법칙과 모순됩니다. 구심력과 같거나 반대인 원심력을 도입하면 문제가 해결됩니다. 공에 가해지는 알짜 힘은 0이므로 회전하는 기준계에서 공이 정지 상태로 유지됩니다.

뉴턴의 처음 두 법칙을 사용하여 올바른 운동 방정식을 공식화하려면 가상의 힘이 필요합니다. 그러나 가상의 힘은 동일한 기준틀에 동등한 힘과 반대되는 힘이 존재해야 한다는 뉴턴의 제3법칙을 따르지 않습니다. 이는 원심력과 구심력이 작용력과 반작용력이 아님을 의미합니다.

회전목마에서 공이 바깥쪽으로 날아가는 이유가 궁금했던 적이 있습니까?

회전목마가 회전하면서 공은 원형 경로를 따라갑니다. 스트링의 장력 구성 요소는 볼의 원형 운동에 필요한 구심력을 제공합니다.

구심력은 원의 중심을 향하며 물체의 질량, 각속도의 제곱 및 회전축으로부터의 거리의 곱으로 표시됩니다.

공이 바깥쪽으로 날아가기 때문에 뉴턴의 제3법칙에 따르면 안쪽을 향한 구심력은 동일하고 반대되는 바깥쪽 반력을 가져야 합니다. 회전 중심에서 멀어지는 이 바깥쪽 힘을 원심력이라고 합니다.

회전목마에서 회전하는 공은 회전 중심에서 바깥쪽으로 밀어내는 원심력을 경험합니다.

원심력은 유사 힘입니다. 관찰 프레임이 비관성인 경우에만 고려됩니다.