Таинственная сила — центробежная сила

Явления, происходящие во Вселенной, и свойства объектов в ней описываются количественно с помощью измеримых признаков, называемых физическими величинами. Одной из таких величин является сила. В предложенном ниже очень простом эксперименте мы увидим, насколько эффективным может быть действие определенного вида силы, называемой центробежной силой.

Центробежная сила заметна в системе отсчета, которая движется по криволинейной траектории. Центробежная сила в некоторых случаях может быть очень необычной и неожиданной.

Одним из опытов, подтверждающих это, является установка бумажного диска на ось, приводимую в движение со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. Если деревянную планку положить перпендикулярно краю диска, то ее можно будет резать диском, как если бы диск был циркулярной пилой!

Это происходит по двум причинам. Во-первых, край бумажного диска тонкий и имеет небольшие неровности. Однако этого недостаточно, чтобы разрезать полосу, потому что бумага натянута. Должна быть вторая причина. Большое спасибо центробежная силаработая в радиальном направлении и обращенный наружу, диск становится жестким, что позволяет разрезать пластину. Аналогичный эффект возникает при использовании кусторезов и триммеров с триммерной головкой. Стационарная леска провисла и не подходит для стрижки даже тонкой травы. Только при скорости около 11 тысяч. RPM становится жестким и режет траву, как бритва.

Описанный выше опыт достаточно опасен, поэтому стоит предложить провести еще один эксперимент, в котором центробежная сила проявляется еще более удивительным образом.

«Прыгающая» цепочка

Слово «алкоголь» обычно ассоциируется с определенным видом напитка с соответствующим содержанием этилового спирта. Наш опыт, однако, не будет иметь ничего общего с этим хорошо известным химическим соединением. Для его завершения вам понадобится всего два предмета. Они так называемые шариковая цепь Ораз стакан.

Шариковая цепь используется, в том числе, для перемещения оконных жалюзи и штор. Он состоит из металлических или пластиковых шариков с отверстием, через которое проходит прочная нить или леска (рыс. 1). Купить его можно в техническом гипермаркете или магазине бытовой техники. Цены на пластиковые цепи начинаются всего от нескольких злотых. Металлические цепи немного дороже. Нам понадобится образец длиной примерно 1,5 м или больше, с минимально возможным расстоянием между шариками. Небольшое расстояние обеспечит плавное движение цепи.

Рис. 1. Конструкция шариковой цепи: 1 — шарик, 2 — нить.

Стакан, наверное, найдется в каждом доме. Вместо стеклянной можно использовать пластиковую для дозирования лекарств, например, сиропов. Стакан также можно заменить очень маленькой мензуркой вместимостью 20-50 мл.

Рис. 2. Расположение цепочки в стакане: 1 — стакан, 2 — цепь.

Проведение эксперимента также предельно просто. Цепочка должна быть вставлена ​​в стакан таким образом, чтобы ее соседние участки находились один непосредственно над другим — часть внутри стакана не может запутаться или переплестись. Последующие секции должны свободно лежать одна над другой (рыс. 2). Затем нужно взяться за верхний конец цепочки пальцами и переместить ее через обод стакана наружу на несколько см вниз. Другими словами, отсоедините несколько дюймов верхней части цепочки от стекла и дайте ей свисать (ФОТ. 1). Вырванный кусок цепи начнет падать вниз и потянет за собой другой кусок, лежащий наверху в стакане. Затем более длинная часть цепочки, висящая снаружи стекла, вытянет другую верхнюю часть и т. д.

1. Исходное положение цепи.

Вначале это неудивительно, ведь цепь или лента, частично свисающие с края стола, тоже соскальзывают, если только свисающая часть достаточно длинная или трение достаточно мало. Этот случай известен из учебников механики как пример движения тела под действием переменной силы. Однако при соответствующем увеличении скорости спуска цепи возникает поразительный эффект. Он заключается в том, что фрагмент цепочки, проходящий по краю стакана Плавает, даже несколько см (ФОТ. 2).

2. Фрагмент цепочки, плавающий на краю стакана в начальной стадии эксперимента.

Почему это всплывает?

Рис. 3. Силы, действующие на плавающий фрагмент цепи: W — вес, F — центробежная сила, 1 — ободок стекла, 2 — цепь, r — радиус обода стекла, R — радиус дуги, по которой движется цепь, v — скорость цепи .

Попробуем хотя бы качественно объяснить наблюдаемый эффект.

Конечно, на часть цепи, которая изначально висит снаружи стекла, влияет его вес. Под действием нагрузки провисший участок начинает двигаться вниз. Во время этого движения из стакана, лежащего наверху, вынимается еще один фрагмент цепи. В результате длина самой внешней секции увеличивается, а вместе с ней и ее вес. движущая сила для следующих осколков цепочки в стакане. Если цепочка в стакане не переплетена, то можно предположить, что в данный момент движется только верхний осколок. Длина этого фрагмента ограничена внутренними размерами стакана, а его масса остается примерно постоянной. Если движущая сила увеличивается, то увеличивается и ускорение движущаяся цепь и его скорость.

Заметим далее, что фрагмент цепочки с массой, проходящей через верхний край стакана, движется по дуге с малым радиусом. В этой ситуации этот фрагмент работает центробежная сила значительной ценности, указывая вверх. С увеличением скорости цепи центробежная сила также увеличивается прямо пропорционально квадрату этой скорости (рыс. 3). В какой-то момент центробежная сила превысит вес фрагмента цепи, движущегося по краю стакана, т.е.

и тогда этот осколок оторвется от края стакана, выскочив вверх. С этого момента наблюдается эффективное движение фрагмента цепи в воздухе по дуге радиуса.

Хорошие и плохие эффекты

Как упоминалось во введении, центробежная сила возникает всякий раз, когда тело движется по криволинейной траектории. Поскольку законы физики универсальны, мы можем наблюдать действие центробежной силы как в уединении своей квартиры, так и на большом промышленном предприятии, в средствах связи или даже в космических масштабах.

В каждой квартире, оборудованной стиральной машиной-автоматом, центробежная сила после стирки позволяет удалять воду с мокрых тканей во время их отжима. Центрифуги также используются на молочных заводах, сахарных заводах и заводах по обогащению урана. Благодаря центробежной силе пилотажный самолет может делать вертикальную петлю.

3. Фрагмент цепочки, плавающий на краю стекла в конце эксперимента (размытость изображения цепочки вызвана слишком большой ее скоростью по отношению к скорости записи одного кадра пленки, которая копировалась и использовано в качестве фотографии, размещенной здесь).

Центробежная сила однако это может привести к тому, что автомобиль упадет за поворот дороги и столкнется с деревом или встречным транспортным средством. Это происходит, когда дорожное покрытие скользкое, угол наклона дороги слишком мал, и вы управляете рулем. Чрезмерная скорость вращения также может привести к поломке шлифовальных дисков, роторов, моторов, или — в результате их так называемого убегать.

В космическом масштабе центробежная сила препятствует падению планет, притягиваемых гравитацией, на Солнце. Также благодаря этой силе искусственные спутники не падают на Землю, по крайней мере, до тех пор, пока не теряют свою скорость из-за трения с остатками атмосферы или столкновения с другими космическими объектами. В масштабах Вселенной центробежная сила влияет на форму рукавов галактик и способствует обнаружению темной материи.