Merkezkaç kuvvet günlük yaşamımızda her yerde bulunur, ama öyle olduğunu düşünüyor muyuz?
Bir arabada bir köşeyi döndüğümüzde veya bir uçak sırayla döndüğünde bunu deneyimliyoruz. Bunu bir çamaşır makinesinin sıkma döngüsünde veya çocuklar atlıkarıncaya binerken görüyoruz. Bir gün uzay gemileri ve uzay istasyonları için yapay yerçekimi bile sağlayabilir.
Ancak merkezkaç kuvveti genellikle muadili merkezcil kuvveti ile karıştırılır, çünkü çok yakından ilişkilidirler - esasen aynı madalyonun iki yüzü.
Merkezcil kuvvet, "bir nesneyi kavisli bir yolda hareket ettirmek için gerekli olan ve dönme merkezine doğru yönlendirilen kuvvet", merkezkaç kuvveti ise "hareket eden bir nesne tarafından hissedilen görünür kuvvet" olarak tanımlanır. "Merriam Webster Sözlüğü'ne göre dışa doğru dönme merkezinden uzakta hareket eden kavisli bir yolda.
Merkezcil kuvvet gerçek bir kuvvet olsa da, merkezkaç kuvvetin görünür bir kuvvet olarak tanımlandığını unutmayın. Başka bir deyişle, bir ip üzerinde bir kütleyi döndürürken, ip kütle üzerinde içe doğru merkezcil bir kuvvet uygularken, kütle ip üzerinde dışa doğru merkezkaç bir kuvvet uygulamaktadır.
Washington Üniversitesi'nden bir araştırma fizikçisi Andrew A. Ganse, "Merkezcil ve merkezkaç kuvveti arasındaki farkın farklı" referans çerçeveleri "ile, yani bir şeyi ölçtüğünüz farklı bakış açılarıyla ilgisi vardır." Dedi. "Merkezcil kuvvet ve merkezkaç kuvveti, tam tersi yönde, tam olarak aynı kuvvettir çünkü farklı referans çerçevelerinden deneyimlidirler."
Dışarıdan dönen bir sistem gözlemliyorsanız, dönen gövdeyi dairesel bir yola sınırlayan bir içe merkezcil kuvvet görürsünüz. Bununla birlikte, dönen sistemin bir parçasıysanız, sizi gerçekte bir teğete gitmekten koruyan içe doğru merkezcil kuvvet olsa da, sizi dairenin merkezinden uzağa iten görünür bir merkezkaç kuvveti yaşarsınız. .
Kuvvetler Newton'un Hareket Yasalarına uyarlar
Bu görünen dış kuvvet Newton'un Hareket Yasaları ile tanımlanır. Newton'un Birinci Yasası, "dinlenmekte olan bir organın hareketsiz kalacağını ve hareket halindeki bir organın, dış bir güç tarafından hareket edilmedikçe hareket halinde kalacağını" belirtir.
Büyük bir vücut uzayda düz bir çizgide hareket ediyorsa, atalet, dış kuvvetin hızlanmasına, yavaşlamasına veya yön değiştirmesine neden olmadıkça düz bir çizgide devam etmesine neden olacaktır. Hızı değiştirmeden dairesel bir yolu takip edebilmesi için, yoluna dik bir açıyla sürekli bir merkezcil kuvvet uygulanmalıdır. Bu dairenin yarıçapı (r), hızın (v) karesinin merkezcil kuvveti (F) veya r = mv ^ 2 / F'ye bölünen kütle (m) katına eşittir. Kuvvet, F = mv ^ 2 / r denklemini yeniden düzenleyerek hesaplanabilir.
Newton'un Üçüncü Kanunu, "her eylem için eşit ve zıt bir tepki olduğunu" belirtir. Yerçekimi, zemine bir kuvvet uygulamanıza neden olduğu gibi, zeminin de ayaklarınıza eşit ve zıt bir kuvvet uyguladığı görülür. Hızlanan bir otomobildeyken, koltukta geriye doğru bir kuvvet uyguladığınız gibi, koltuk size ileri bir kuvvet uygular.
Dönen bir sistem söz konusu olduğunda, merkezcil kuvvet kütleyi ataletinden dolayı dışarıya doğru iterken, kavisli bir yolu izlemek için kütleyi içeri doğru çeker. Bununla birlikte, bu vakaların her birinde, uygulanan bir gerçek kuvvet vardır, diğeri ise sadece görünür bir kuvvettir.
Hareket halinde merkezcil kuvvet örnekleri
Merkezcil kuvveti kullanan birçok uygulama vardır. Birincisi, astronot eğitimi için bir alan lansmanının hızlanmasını simüle etmektir. Bir roket ilk fırlatıldığında, zar zor hareket edebileceği yakıt ve oksitleyici ile yüklüdür. Bununla birlikte, yükseldikçe yakıtı muazzam bir oranda yakar ve sürekli kütle kaybeder. Newton'un İkinci Yasası, kuvvetin kütle çarpım ivmesine eşit olduğunu veya F = ma olduğunu belirtir.
Çoğu durumda, kütle sabit kalır. Bununla birlikte, bir roketle kütlesi büyük ölçüde değişirken, bu durumda roket motorlarının itme kuvveti neredeyse sabit kalır. Bu, takviye fazının sonuna doğru ivmenin normal yerçekimininkinden birkaç kat artmasına neden olur. NASA, bu aşırı hızlanma için astronotları hazırlamak için büyük santrifüjler kullanıyor. Bu uygulamada, merkezcil kuvvet, koltuk arkalığını astronotun içine doğru iterek sağlanır.
Merkezcil kuvvet uygulamasının bir başka örneği, sıvı içinde süspansiyon haline getirilmiş parçacıkların çökelmesini hızlandırmak için kullanılan laboratuvar santrifüjüdür. Bu teknolojinin yaygın kullanımlarından biri kan örneklerini analize hazırlamaktır. Rice Üniversitesi'nin Deneysel Biyobilimler web sitesine göre, "Kanın benzersiz yapısı, kırmızı kan hücrelerini plazma ve diğer oluşan elementlerden diferansiyel santrifüj ile ayırmayı çok kolaylaştırır."
Normal yerçekimi kuvveti altında termal hareket, kan hücrelerinin bir tam kan örneğinden çıkmasını önleyen sürekli karışmaya neden olur. Bununla birlikte, tipik bir santrifüj normal yerçekiminin 600 ila 2.000 katı hızlanmalara ulaşabilir. Bu, ağır kırmızı kan hücrelerini tabana yerleşmeye zorlar ve çözeltinin çeşitli bileşenlerini yoğunluklarına göre katmanlar halinde tabakalar.
Bu makale 10 Mayıs 2019 tarihinde Live Science Katılımcı, Jennifer Leman tarafından güncellenmiştir.
