5.16: Santrifüj Kuvveti

Sahte kuvvetler veya hayali kuvvetler, eylemde olan bir nesne üzerinde etkili gibi görünen, bir ataletli başvuru çerçevesine göre dönen bir referans çerçevesinde hareket eden bir nesne üzerinde etkili gibi görünen kuvvetlerdir. Bu kuvvetler gerçek değil, matematiksel yapıların ürünüdür ve Newton'un hareket yasaları kullanılırken ataletli olmayan bir çerçevede hesaplamaları basitleştirmek için tanıtılırlar. Yaygın sahte kuvvet örnekleri arasında santrifüj, Coriolis ve Euler kuvvetleri bulunur. Bu kuvvetler, mekanik, astrofizik ve akışkanlar dinamiği gibi alanlarda nesnelerin ataletli olmayan referans çerçevelerindeki hareketinin sıkça karşılaşıldığı yerlerde önemlidir.

Düşünelim ki bir ip ile bağlı bir top yatay bir düzlemde dönüyor. Newton'un hareketin birinci yasasına göre, ataletli bir başvuru çerçevesinden gözlemlendiğinde top düz bir çizgide hareket eder. Ancak, ipin gerilmesi topun dairesel bir yol üzerinde hareket etmeye devam etmesini sağlayan sürekli merkezcil bir kuvvet sağlar. Santrifüj kuvveti, bu ataletli çerçevede gerekli değildir çünkü tüm hareket gerçek kuvvetler ve Newton'un hareket yasaları kullanılarak yeterince açıklanabilir.

Şimdi, topun etrafında aynı eksende dönen bir referans çerçevesini düşünelim. Bu çerçeveden görüldüğünde top hareketsizdir. Ancak, ip veya merkezcil kuvvet hala top üzerinde dönme ekseni doğrultusunda etki eder.

Bu, Newton'un hareket yasalarına aykırıdır, çünkü topun net uygulanan kuvvetin yönünde ivmesi gerekmektedir, yani dönme ekseni doğrultusunda. Merkezcil kuvvete eşit ve zıt bir santrifüj kuvveti tanıtılması sorunu çözer. Top üzerindeki net kuvvet sıfırdır, bu da onu dönen referans çerçevesinde hareketsiz tutar.

Sahte kuvvetler, Newton'un ilk iki yasasını kullanarak doğru hareket denklemlerini oluşturmak için gereklidir. Bununla birlikte, sahte kuvvetler, eşit ve zıt kuvvetlerin aynı referans çerçevesinde mevcut olmasını gerektiren Newton'un üçüncü hareket yasasına uymaz. Bu, santrifüj ve merkezcil kuvvetlerin eylem ve tepki kuvvetleri olmadığı anlamına gelir.

Bir topun dönen bir atlıkarıncada neden dışarı doğru uçtuğunu hiç merak ettiniz mi?

Atlıkarınca dönerken, top dairesel bir yol izler. İpteki çekme kuvvetinin bileşeni, topun dairesel hareketi için gerekli merkezcil kuvveti sağlar.

Merkezcil kuvvet dairenin merkezine doğru yönlendirilir ve cismin kütlesinin çarpımı, açısal hızının karesi ve dönme ekseninden uzaklığı ile gösterilir.

Top dışa doğru uçtuğu için, Newton'un üçüncü yasasından, içe doğru merkezcil kuvvetin eşit ve zıt bir dışa doğru tepki kuvvetine sahip olması gerektiği sonucu çıkar. Dönme merkezinden uzağa yönlendirilen bu dışa doğru kuvvete merkezkaç kuvveti denir.

Atlıkarıncada dönen top, onu dönme merkezinden dışarıya doğru iten bir merkezkaç kuvvetine maruz kalır.

Merkezkaç kuvveti sahte bir kuvvettir. Sadece gözlem çerçevesi eylemsiz olduğunda dikkate alınır.