إن قوة الطرد المركزي موجودة في كل مكان في حياتنا اليومية ، ولكن هل هذا ما نعتقده؟
نحن نختبر ذلك عندما ندير زاوية في سيارة أو عندما تتحول طائرة إلى منعطف. نراه في دورة دوران الغسالة أو عندما يركب الأطفال في جولة ممتعة. في يوم من الأيام قد يوفر الجاذبية الاصطناعية للسفن الفضائية والمحطات الفضائية.
لكن غالبًا ما يتم الخلط بين قوة الطرد المركزي ونظيرتها ، قوة الطرد المركزي ، لأنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا - بشكل أساسي وجهان لعملة واحدة.
تُعرَّف القوة المركزية بأنها "القوة اللازمة لإبقاء الجسم يتحرك في مسار منحني وموجهة نحو الداخل باتجاه مركز الدوران" ، بينما تُعرَّف قوة الطرد المركزي بأنها "القوة الظاهرة التي يشعر بها الجسم المتحرك في مسار منحني يعمل ظاهريًا بعيدًا عن مركز الدوران "، وفقًا لقاموس ميريام وبستر.
لاحظ أنه في حين أن القوة المركزية هي قوة فعلية ، يتم تعريف قوة الطرد المركزي على أنها قوة ظاهرة. بعبارة أخرى ، عند تدوير كتلة على سلسلة ، تمارس السلسلة قوة مركزية داخلية على الكتلة ، في حين يبدو أن الكتلة تمارس قوة طرد مركزية خارجية على السلسلة.
قال أندرو أ. جانسي ، فيزيائي أبحاث في جامعة واشنطن: "إن الفرق بين قوة الطرد المركزي وقوة الطرد المركزي له علاقة بـ" أطر مرجعية "مختلفة ، أي وجهات نظر مختلفة يمكنك من خلالها قياس شيء ما. "قوة الطرد المركزي وقوة الطرد المركزي هي في الواقع نفس القوة بالضبط ، فقط في اتجاهات متعاكسة لأنهم من ذوي الخبرة من أطر مرجعية مختلفة."
إذا كنت تراقب نظامًا دوارًا من الخارج ، فسترى قوة مركزية داخلية تعمل على تقييد الجسم الدوار إلى مسار دائري. ومع ذلك ، إذا كنت جزءًا من النظام الدوار ، فأنت تواجه قوة طرد مركزي واضحة تدفعك بعيدًا عن مركز الدائرة ، على الرغم من أن ما تشعر به في الواقع هو قوة الجاذبية الداخلية التي تمنعك من الانطلاق حرفياً في الظل. .
تمتثل القوى لقوانين الحركة لنيوتن
تم وصف هذه القوة الظاهرة من خلال قوانين الحركة لنيوتن. ينص قانون نيوتن الأول على أن "الجسد في حالة السكون سيبقى في السكون ، والجسد في حالة الحركة سيظل في حالة حركة ما لم يتم التصرف من قبل قوة خارجية."
إذا كان الجسم الضخم يتحرك عبر الفضاء في خط مستقيم ، فإن القصور الذاتي الخاص به سيتسبب في استمراره في خط مستقيم ما لم تتسبب قوة خارجية في تسريعه أو إبطائه أو تغيير اتجاهه. من أجل اتباع مسار دائري دون تغيير السرعة ، يجب تطبيق قوة مركزية مستمرة بزاوية قائمة على مسارها. نصف القطر (r) لهذه الدائرة يساوي الكتلة (م) ضرب مربع السرعة (v) مقسومًا على قوة الجاذبية (F) ، أو r = mv ^ 2 / F. يمكن حساب القوة بمجرد إعادة ترتيب المعادلة ، F = mv ^ 2 / r.
ينص قانون نيوتن الثالث على أنه "لكل فعل رد فعل متساو ومعاكس." تمامًا مثلما تسبب لك الجاذبية في ممارسة قوة على الأرض ، يبدو أن الأرض تمارس قوة متساوية ومعاكسة على قدميك. عندما تكون في سيارة متسرعة ، يمارس المقعد قوة أمامية عليك تمامًا كما يبدو أنك تمارس قوة رجعية على المقعد.
في حالة النظام الدوار ، تسحب القوة المركزية الكتلة إلى الداخل لتتبع مسارًا منحنيًا ، بينما يبدو أن الكتلة تدفع للخارج بسبب القصور الذاتي. في كل من هذه الحالات ، على الرغم من ذلك ، هناك قوة حقيقية واحدة يتم تطبيقها ، في حين أن الأخرى ليست سوى قوة واضحة.
أمثلة على قوة الجاذبية في العمل
هناك العديد من التطبيقات التي تستغل القوة المركزية. الأول هو محاكاة تسريع الإطلاق الفضائي لتدريب رواد الفضاء. عندما يتم إطلاق صاروخ لأول مرة ، فإنه محمّل بالوقود والأكسدة لدرجة أنه بالكاد يتحرك. ومع ذلك ، عندما تصعد ، فإنها تحرق الوقود بمعدل هائل ، تفقد الكتلة باستمرار. ينص قانون نيوتن الثاني على أن القوة تساوي تسارع كتلة الكتلة ، أو F = ma.
في معظم الحالات ، تظل الكتلة ثابتة. مع الصاروخ ، على الرغم من ذلك ، تتغير كتلته بشكل جذري ، في حين أن القوة ، في هذه الحالة ، فحوى محركات الصواريخ ، تظل ثابتة تقريبًا. يؤدي هذا إلى زيادة التسارع في نهاية مرحلة التعزيز إلى عدة أضعاف سرعة الجاذبية العادية. تستخدم وكالة ناسا أجهزة طرد مركزي كبيرة لإعداد رواد فضاء لهذا التسارع الشديد. في هذا التطبيق ، يتم توفير قوة الجاذبية بواسطة المقعد الخلفي إلى الداخل على رائد الفضاء.
مثال آخر على تطبيق قوة الجاذبية هو جهاز الطرد المركزي المختبري ، والذي يستخدم لتسريع ترسيب الجسيمات العالقة في السائل. أحد الاستخدامات الشائعة لهذه التقنية هو تحضير عينات الدم للتحليل. وفقًا لموقع العلوم الحيوية التجريبية بجامعة رايس ، "إن البنية الفريدة للدم تجعل من السهل جدًا فصل خلايا الدم الحمراء عن البلازما والعناصر المشكلة الأخرى عن طريق الطرد المركزي التفاضلي".
تحت قوة الجاذبية الطبيعية ، تسبب الحركة الحرارية الخلط المستمر الذي يمنع خلايا الدم من الاستقرار من عينة الدم بأكملها. ومع ذلك ، يمكن لجهاز الطرد المركزي النموذجي تحقيق تسارع من 600 إلى 2000 مرة من الجاذبية العادية. هذا يجبر خلايا الدم الحمراء الثقيلة على الاستقرار في القاع وطبقات المكونات المختلفة من المحلول إلى طبقات وفقًا لكثافتها.
تم تحديث هذه المقالة في 10 مايو 2019 بواسطة المساهم المباشر في العلوم ، جينيفر ليمان.
