5.16: Siła odśrodkowa

Wydaje się, że pseudosiły lub siły fikcyjne działają na obiekt będący w ruchu w obracającym się układzie odniesienia względem inercjalnego układu odniesienia. Siły te nie są siłami rzeczywistymi, ale raczej konstrukcjami matematycznymi i zostały wprowadzone w celu uproszczenia obliczeń w układzie nieinercjalnym przy zastosowaniu praw ruchu Newtona. Typowe przykłady sił pseudo obejmują siły odśrodkowe, siły Coriolisa i Eulera. Siły te są niezbędne w takich dziedzinach jak mechanika, astrofizyka i dynamika płynów, gdzie powszechnie spotyka się ruch obiektów w nieinercjalnych układach odniesienia.

Rozważmy kulkę przywiązaną do sznurka wirującą w płaszczyźnie poziomej. Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona, kulka obserwowana z inercjalnego układu odniesienia będzie poruszać się po linii prostej. Jednakże napięcie sznurka zapewnia ciągłą siłę dośrodkową, która utrzymuje piłkę w ruchu po okręgu. W tym układzie inercjalnym nie jest wymagana siła odśrodkowa, ponieważ cały ruch można odpowiednio opisać, używając jedynie sił rzeczywistych i praw ruchu Newtona.

Teraz rozważmy układ odniesienia obracający się z piłką wokół tej samej osi co piłka. Patrząc z tej ramki, piłka jest nieruchoma. Jednak siła naciągu struny lub siła dośrodkowa nadal działa na kulkę skierowaną w stronę osi obrotu.

Jest to sprzeczne z prawami ruchu Newtona, zgodnie z którymi piłka musi przyspieszać w kierunku przyłożonej siły wypadkowej, czyli w kierunku osi obrotu. Wprowadzenie siły odśrodkowej równej i przeciwnej do siły dośrodkowej rozwiązuje problem. Siła wypadkowa działająca na kulę wynosi zero, co utrzymuje ją nieruchomą w obracającym się układzie odniesienia.

Fikcyjne siły są niezbędne do formułowania poprawnych równań ruchu przy użyciu dwóch pierwszych praw Newtona. Jednakże fikcyjne siły nie podlegają trzeciemu prawu Newtona, które wymaga, aby w tym samym układzie odniesienia istniały równe i przeciwne siły. Oznacza to, że siły odśrodkowe i dośrodkowe nie są siłami akcji i reakcji.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego piłka wylatuje na zewnątrz w obracającej się karuzeli?

Gdy karuzela się obraca, kulka porusza się po okrężnej ścieżce. Składowa siły naciągu w strunie zapewnia niezbędną siłę dośrodkową do ruchu kołowego piłki.

Siła dośrodkowa jest skierowana w stronę środka okręgu i jest oznaczona iloczynem masy obiektu, kwadratu jego prędkości kątowej i odległości od osi obrotu.

Ponieważ kula leci na zewnątrz, z trzeciego prawa Newtona wynika, że wewnętrzna siła dośrodkowa powinna mieć równą i przeciwną siłę reakcji na zewnątrz. Ta siła zewnętrzna skierowana z dala od środka obrotu nazywana jest siłą odśrodkową.

Obracająca się kula w karuzeli doświadcza siły odśrodkowej, która wypycha ją na zewnątrz z dala od środka obrotu.

Siła odśrodkowa to pseudosiła. Jest ona brana pod uwagę tylko wtedy, gdy układ obserwacji jest nieinercyjny