Реактивная центробежная сила - Reactive centrifugal force
| Часть серии по |
| Классическая механика |
|---|
Основные темы |
Категории ► Классическая механика |
В классическая механика, а реактивная центробежная сила является частью пары действие-противодействие с центростремительная сила.
В соответствии с Первый закон движения Ньютона, объект движется по прямой в отсутствие каких-либо внешних сил, действующих на объект. Однако изогнутый путь может возникнуть, когда на него действует сила; эту силу часто называют центростремительная сила, так как он направлен к центру кривизны пути. Тогда в соответствии с Третий закон движения Ньютона, также будет равная и противоположная сила, действующая со стороны объекта на другой объект,[1][2] например, ограничение, которое заставляет путь изгибаться, и эту силу реакции, являющуюся предметом данной статьи, иногда называют реактивная центробежная сила, так как она направлена в противоположном направлении центростремительной силе.
в отличие от инерционная сила или же фиктивная сила известный как центробежная сила, которая всегда существует в дополнение к реактивной силе во вращающейся системе отсчета, реактивная сила является реальной ньютоновской сила что наблюдается в любой системе отсчета. Две силы будут иметь одинаковую величину только в тех особых случаях, когда возникает круговое движение и когда ось вращения является источником вращающейся системы отсчета. Именно реактивная сила и является предметом данной статьи.[3][4][5][6]
Парные силы
На рисунке справа показан мяч в равномерное круговое движение удерживается на своем пути веревкой, привязанной к неподвижному столбу. В этой системе центростремительная сила на шаре, обеспечиваемом струной, поддерживает круговое движение и реакцию на него, которую некоторые называют реактивная центробежная сила, действует на строку и столб.
Первый закон Ньютона требует, чтобы любое тело, не движущееся по прямой линии, подвергалось действию силы, и диаграмма свободного тела показывает силу, действующую на мяч (центральная панель), со стороны струны, чтобы поддерживать круговое движение мяча.
Третий закон Ньютона действия и противодействия гласит, что если струна оказывает на мяч центростремительную силу, направленную внутрь, то мяч будет оказывать равную, но направленную наружу реакцию на струну, что показано на схеме свободного тела струны (нижняя панель) как реактивная центробежная сила.
Струна передает реактивную центробежную силу от шара на неподвижный столб, натягивая его. Опять же, согласно третьему закону Ньютона, столб оказывает на струну реакцию, обозначенную как пост реакция, натягивая на веревочку. Две силы, действующие на струну, равны и противоположны, не оказывая никакого воздействия. сеть приложить силу к струне (при условии, что струна безмассовая), но натянуть струну.
Причина, по которой столб кажется «неподвижным», заключается в том, что он прикреплен к земле. Если вращающийся шар был привязан, например, к мачте лодки, то и мачта, и шар лодки могли бы вращаться вокруг центральной точки.
Приложения
Хотя реактивный центробежный двигатель редко используется при анализе в физической литературе, эта концепция применяется в некоторых концепциях машиностроения. Примером такой инженерной концепции является анализ напряжений внутри быстро вращающейся лопатки турбины.[1] Лезвие можно рассматривать как набор слоев, идущих от оси к краю лезвия. Каждый слой оказывает внешнюю (центробежную) силу на непосредственно соседний радиально внутренний слой и внутреннюю (центростремительную) силу на непосредственно прилегающий радиально наружный слой. В то же время внутренний слой оказывает на средний слой упругую центростремительную силу, а внешний слой - упругую центробежную силу, которая приводит к внутреннему напряжению. Именно напряжения в лезвии и их причины в этой ситуации в основном интересуют инженеров-механиков.
Другим примером вращающегося устройства, в котором может быть идентифицирована реактивная центробежная сила, используемого для описания поведения системы, является центробежная муфта. Центробежная муфта используется в устройствах с малым двигателем, таких как цепные пилы, картинги и модели вертолетов. Он позволяет двигателю запускаться и работать на холостом ходу, не приводя в движение устройство, но автоматически и плавно включает привод по мере увеличения частоты вращения двигателя. Пружина используется для ограничения вращающихся башмаков сцепления. На низких скоростях пружина обеспечивает центростремительную силу башмакам, которые перемещаются на больший радиус по мере увеличения скорости и растяжения пружины под действием напряжения. На более высоких скоростях, когда башмаки не могут двигаться дальше, чтобы увеличить натяжение пружины из-за внешнего барабана, барабан обеспечивает некоторую центростремительную силу, которая поддерживает движение башмаков по круговой траектории. Сила натяжения, приложенная к пружине, и внешняя сила, приложенная к барабану вращающимися башмаками, являются соответствующими реактивными центробежными силами. Взаимная сила между барабаном и башмаками обеспечивает трение, необходимое для зацепления выходного приводного вала, который соединен с барабаном.[7] Таким образом центробежная муфта иллюстрирует как фиктивную центробежную силу, так и реактивную центробежную силу.
Отличие от центробежной псевдо-силы
«Реактивная центробежная сила», обсуждаемая в этой статье, - это не то же самое, что центробежная псевдосила, что обычно подразумевается под термином «центробежная сила».
Реактивная центробежная сила, составляющая половину пары реакции вместе с центростремительной силой, - это концепция, которая применима в любой системе отсчета. Это отличает его от инерционной или фиктивной центробежной силы, которая проявляется только во вращающихся рамах.
| Реактивная центробежная сила | Инерционная центробежная сила | |
|---|---|---|
| Ссылка Рамка | Любой | Только вращающиеся рамки |
| Проявил к | Тела в процессе вращения | Действует так, как будто исходит от оси вращения, это так называемый фиктивная сила |
| Проявил на | Ограничение, вызывающее центростремительную силу внутрь | Все тела, движущиеся или неподвижные; если двигаться, сила Кориолиса также присутствует |
| Направление | Напротив центростремительная сила | Вдали от оси вращения, независимо от пути тела |
| Кинетический анализ | Часть пары действие-противодействие с центростремительной силой согласно Третий закон Ньютона | Включено как фиктивная сила в Второй закон Ньютона и никогда не является частью пары действие-противодействие с центростремительной силой |
Гравитационный двухчастичный корпус
При вращении двух тел, например, планеты и луны, вращающихся вокруг их общего центра масс или барицентр, силы на обоих телах центростремительны. В этом случае реакцией на центростремительную силу планеты на Луне будет центростремительная сила Луны на планете.[6]
Рекомендации
- ^ а б Рош, Джон (2001). «Вводим движение по кругу». Физическое образование. 36: 399–405. Bibcode:2001PhyEd..36..399R. Дои:10.1088/0031-9120/36/5/305.
- ^ Кобаяши, Юкио (2008). «Замечания по просмотру ситуации во вращающейся рамке». Европейский журнал физики. 29: 599–606. Bibcode:2008EJPh ... 29..599K. Дои:10.1088/0143-0807/29/3/019.
- ^ Дело Э. Мук и Томас Варгиш (1987). Внутри теории относительности. Принстон, штат Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 47. ISBN 0-691-02520-7.
- ^ Дж. С. Брар и Р. К. Бансал (2004). Учебник теории машин (3-е изд.). Брандмауэр Media. п. 39. ISBN 9788170084181.
- ^ Де Волсон Вуд (1884). Элементы аналитической механики: твердые тела и жидкости (4-е изд.). J. Wiley & sons. п.310.
- ^ а б Г. Дэвид Скотт (1957). «Центробежные силы и законы движения Ньютона». 25. Американский журнал физики. п. 325.
- ^ Энтони Г. Аткинс, Тони Аткинс и Марсель Эскудье (2013). Словарь по машиностроению. Издательство Оксфордского университета. п. 53. ISBN 9780199587438. Получено 5 июн 2014.