Реактивная центробежная сила - Reactive centrifugal force

В классической механике , А реактивная центробежная сила образует часть действия реакции пары с центростремительной силой .

В соответствии с первым законом движения Ньютона , объект движется по прямой линии в отсутствие общей силы, действующей на объект. Однако изогнутый путь может возникнуть, когда на него действует такая сила; эту силу часто называют центростремительной силой , поскольку она направлена ​​к центру кривизны траектории. Тогда, в соответствии с третьим законом движения Ньютона , также будет равная и противоположная сила, действующая со стороны объекта на какой-либо другой объект, например, ограничение, которое заставляет путь искривляться, и эта сила реакции, являющаяся предметом данной статьи. , иногда называют реактивной центробежной силой , поскольку она направлена ​​в направлении, противоположном центростремительной силе.

В отличие от силы инерции или фиктивной силы, известной как центробежная сила , которая всегда существует в дополнение к реактивной силе во вращающейся системе отсчета, реактивная сила - это реальная ньютоновская сила, которая наблюдается в любой системе отсчета. Две силы будут иметь одинаковую величину только в особых случаях, когда возникает круговое движение и когда ось вращения является источником вращающейся системы отсчета. Именно реактивная сила является предметом данной статьи.

Парные силы

Мяч, совершающий круговое движение, удерживается веревкой, привязанной к неподвижной стойке.

На рисунке справа изображен шар, который равномерно движется по кругу и удерживается на своем пути веревкой, привязанной к неподвижной стойке. В этой системе центростремительная сила, действующая на шар, создаваемая струной, поддерживает круговое движение, и реакция на него, которую некоторые называют реактивной центробежной силой , действует на струну и столб.

Первый закон Ньютона требует, чтобы любое тело, не движущееся по прямой линии, подвергалось действию силы, а диаграмма свободного тела показывает силу, действующую на шар (центральная панель) со стороны струны, чтобы поддерживать шар в его круговом движении.

Третий закон действия и противодействия Ньютона гласит, что если струна оказывает на мяч центростремительную силу, направленную внутрь, то мяч будет оказывать на струну равную, но направленную наружу реакцию, что показано на диаграмме свободного тела струны (нижняя панель) как реактивная сила. центробежная сила .

Струна передает реактивную центробежную силу от шара к неподвижной стойке, натягивая ее. Опять же, согласно третьему закону Ньютона, столб оказывает на струну реакцию, называемую реакцией столба , натягивая струну. Две силы, действующие на струну, равны и противоположны, они не оказывают на струну результирующей силы (при условии, что струна безмассовая), но создают натяжение струны.

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

Несмотря на то, что 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. 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, что приводит к внутреннему напряжению. Именно напряжения в лопасти и их причины в этой ситуации в основном интересуют инженеров-механиков.

Центробежная муфта двухступенчатая . Двигатель вращает входной вал, заставляя башмаки вращаться, а внешний барабан (снятый) вращает выходной вал отбора мощности.

Другим примером вращающегося устройства, в котором может быть определена реактивная центробежная сила, используемого для описания поведения системы, является центробежная муфта . Центробежная муфта используется в небольших устройствах с 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 при увеличении частоты вращения двигателя. Пружина используется для удержания вращающихся башмаков сцепления. На низких скоростях пружина передает центростремительную силу на башмаки, 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 ведущего вала, который соединен с барабаном. Таким образом, центробежная муфта демонстрирует как фиктивную центробежную силу, так и реактивную центробежную силу.

Отличие от центробежной псевдосилы

«Реактивная центробежная сила», обсуждаемая в этой статье, - это не то же самое, что центробежная псевдосила , которая 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
Справочная
рамка
Любой Только вращающиеся рамки
Оказываются
по
Тела, претерпевающие вращение Действует так, как будто исходит от оси вращения,
это так называемая фиктивная сила.
Оказано
на
Ограничение, которое вызывает центростремительную силу внутрь Все тела, движущиеся или неподвижные;
при движении также присутствует сила Кориолиса
Направление Напротив
центростремительной силы
Вдали от оси вращения,
независимо от траектории тела
Кинетический анализ Часть пары действие-противодействие с центростремительной силой согласно
третьему закону Ньютона
Включена как фиктивная сила во
второй закон Ньютона
и никогда не является частью пары действие-противодействие с центростремительной силой.

Гравитационный двухчастичный корпус

В вращении двух тел, такие , как планета и луна , вращающаяся вокруг их общего центра масс или барицентра , силы , действующие на оба телах центростремительные. В этом случае реакцией на центростремительную силу планеты на Луне будет центростремительная сила Луны на планете.

использованная литература