Центростремительная и центробежная силы

При равномерном движении тела по окружности величина скорости все время остается постоянной, но направление скорости все время меняется. Очевидно, что это- непрерывное изменение направления скорости может про исходить лишь под действием какой-то постоянной силы.

В самом деле, предположим, что эта сила перестала действовать на тело; в таком случае, согласно первому закону Ньютона, тело тотчас же станет двигаться по инерции прямолинейно, т. е. по касательной к окружности. Отсюда ясно, что, для того чтобы тело могло двигаться по окружности, на него непрерывно должна действовать какая-то сила, которая все время изменяла бы направление скорости. Какая же это сила?

Если привязать к нитке камень и быстро вращать его, то нитка натянется и камень будет описывать круги (рис. 36). Очевидно, что камень будет двигаться по окружности под действием силы нашей руки, передаваемой к камню посредством нитки. Если нитку пережечь (или она оборвется), то передача силы от руки к камню прекратится, и мы увидим, что камень по инерции полетит прямолинейно, по направлению касательной к окружности.

Рис. 36. Вращение камня по окружности под действием центростремительной силы Р

Сила F, с которой рука действует на камень и заставляет его вращаться, направлена, как видим, по радиусу от окружности к центру; поэтому эта сила и называется центростремительной.

Итак, центростремительной силой называется сила, с которой тело, вызывающее вращение, действует на вращающееся тело.

Без наличия центростремительной силы движение по окружности (вообще по кривой) невозможно.

Роль центростремительной силы могут выполнять различные силы. Так, если шар катится по кривому жолобу, то центростремительной силой будет давление стенки жолоба на шар; если поезд движется по закруглению, то центростремительной силой может быть давление рельсов на реборды (закраины) колес; если вращается маховое колесо, то центростремительной силой будут силы сцепления; если самолет движется по кривой, то центростремительной силой будет давление воздуха на крылья, и т. д.

Центростремительная сила прямо пропорциональна массе вращающегося тела, прямо пропорциональна квадрату окружной скорости тела и обратно пропорциональна радиусу вращения.

Таким образом, если обозначить массу тела через т, окружную скорость тела через v, радиус окружности, по которой тело движется, через г и центростремительную силу через F, то F = mv²/r.

При вычислении центростремительной силы массу следует выражать в технических единицах массы, скорость в м/с и радиус в м; тогда центростремительная сила будет выражена в кг.

Итак, без наличия центростремительной силы никакое вращательное движение невозможно. Но мы знаем, что односторонних сил не бывает и, согласно третьему закону Ньютона, действие всегда вызывает равное противодействие. Силу, противодействующую центростремительной силе, называют центробежной силой. Центробежная сила направлена по радиусу от центра к окружности.

Центробежная сила является силой инерции. Так как центробежная сила численно равна центростремительной, то для вычисления ее величины служит та же приведенная выше формула.