Небесные тела вращаются вокруг общего центра масс. Что удерживает их на орбитах и не дает улететь в космическое пространство? Ответ кроется в природе центростремительной силы. Давайте разберемся в ее сути и роли в движении планет.
1. Определение центростремительной силы
Центростремительная сила - это сила, заставляющая тело двигаться по дуге окружности. Она направлена к центру вращения тела по радиусу этой окружности. Впервые это понятие ввел И. Ньютон, описывая движение небесных тел.
Современное определение центростремительной силы гласит: это составляющая силы, действующей на тело, которая определяет кривизну траектории движения тела. Она направлена перпендикулярно вектору мгновенной скорости тела.
Центростремительная сила не является самостоятельной силой, а представляет результат разложения суммы всех сил на составляющие.
Под действием центростремительной силы возникает центростремительное ускорение. Оно направлено по радиусу к центру окружности, вдоль действия центростремительной силы. Также его называют нормальным ускорением, поскольку оно перпендикулярно вектору мгновенной скорости.
Величина центростремительной силы и центростремительного ускорения связаны по второму закону Ньютона:
Фцс = m*ацс
Где Фцс - центростремительная сила, m - масса тела, ацс - центростремительное ускорение.
2. Центростремительная сила при движении по окружности
При равномерном движении тела по окружности центростремительная сила играет ключевую роль. Она постоянно меняет направление скорости тела, заставляя его двигаться по кривой траектории.
Наглядные примеры проявления центростремительной силы:
- Ведро на веревке при вращении
- Пассажир в автомобиле на повороте
Если внезапно убрать центростремительную силу, тело продолжит движение по касательной к траектории с той же скоростью, но уже прямолинейно, согласно 1 закону Ньютона.
Чем больше скорость вращения тела и меньше радиус орбиты, тем сильнее проявляется центростремительная сила. Например, для Луны она обеспечивается силой притяжения Земли.
3. Разница центростремительной и центробежной сил
В отличие от центростремительной, центробежная сила не имеет четкого определения. Исторически это понятие возникло для объяснения видимого отбрасывания тел от оси вращения.
Существует несколько трактовок центробежной силы:
- Сила, с которой вращающееся тело действует на ограничивающий его объект
- Составляющая силы инерции тела, направленная от центра
- Компонента переносной силы инерции в неинерциальной системе отсчета
В отличие от центростремительной, направленной к центру, центробежная сила стремится "разбросать" тела из центра вращения.
Центробежная сила может проявляться, например, при отрыве брызг от вращающегося колеса или вылете камней из-под колес автомобиля.
Однако в современной физике центробежную силу относят к мнимым или фиктивным силам, поскольку у нее нет реального источника.
4. Центростремительное ускорение небесных тел
Движение планет по эллиптическим орбитам вокруг Солнца обеспечивается центростремительным ускорением, создаваемым силой гравитации.
При движении по орбите планеты ускоряются и замедляются под действием центростремительной силы. Максимальна она в перигелии, минимальна - в афелии.
Центростремительное ускорение Луны и Солнца вызывает приливы на Земле. Аналогичные эффекты наблюдаются и в других системах планет с спутниками.
В большом масштабе центростремительная сила удерживает галактики и скопления галактик от распада при вращении.
5. Центростремительная сила и эволюция Вселенной
Согласно современным представлениям, на ранних этапах эволюции после Большого взрыва Вселенная расширялась, сохраняя при этом вращение. Центростремительная сила, возникшая при таком движении, сыграла важную роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
6. Применение центростремительной силы на практике
Центростремительная сила используется в различных технических устройствах - центрифугах, центробежных насосах, турбинах. Она позволяет разделять вещества, измерять перегрузки, вырабатывать энергию вращения.
Тренировки космонавтов на центрифугах моделируют ускорения при взлете и посадке с помощью центростремительной силы.
Знание законов действия центростремительной силы помогает предотвратить опасные ситуации в быту.
