Центробежная сила: определение, принцип действия и практическое применение в сепараторах

Если взвесить железный куб со стороной 1 сантиметр, его масса составит примерно 7,5 грамма. Для удвоения веса потребуется два таких кубика, то есть необходимо удвоить массу. Увеличить вес без увеличения массы кажется невыполнимой задачей. Однако существует физический принцип, позволяющий добиться этого эффекта.

Если привести тело, подвешенное на нити, во вращательное движение, нить натянется под действием силы. Эта сила, с которой тело, движущееся по окружности, действует на связь, называется центробежной силой. При одинаковой скорости вращения она прямо пропорциональна массе движущегося объекта. Сила возрастает с уменьшением радиуса окружности и, что особенно важно, с увеличением скорости движения.

Мощь центробежной силы демонстрирует пример разрыва точильных кругов при чрезмерно быстром вращении. Если связь оборвется, тело перестанет двигаться по кругу и полетит по прямой, по направлению касательной к своей траектории (рис. 31).

Рис. 31. При прекращении центростремительного удержания тело движется по касательной к своей круговой траектории.

Этот принцип объясняет, почему искры от точильного камня разлетаются по прямым линиям. Данное явление показывает, что тело по инерции стремится к прямолинейному движению, а его удержание на окружности требует действия центростремительной силы. Согласно третьему закону Ньютона, тело при этом с равной силой давит на связь от центра, что и является центробежной силой.

Для создания центробежной силы не обязательно использовать нить. Объект можно удерживать на круговой траектории другими способами, например, заставив его двигаться по внутренней поверхности кольцевого пути. Яркой иллюстрацией служит трюк велосипедиста на «центробежной дороге» (см. рис. 32).

Рис. 32. Велосипедист на центробежной дороге, удерживаемый силой инерции в перевернутом положении.

Необходимую скорость спортсмен набирает на крутом спуске, а затем влетает в петлю. Центробежная сила прижимает его к сиденью даже в верхней точке, где он оказывается вниз головой. Это наглядный пример возникновения силы при любом криволинейном движении.

Поскольку величина этой силы зависит от массы, а массу можно определить через вес, центробежную силу можно рассматривать как своеобразное проявление веса. Однако в данном случае «вес» направлен не к центру Земли, а вдоль радиуса вращения. Ключевой момент: сила растет с увеличением скорости. Следовательно, повышая скорость вращения тела, можно усилить действие его «веса», не изменяя реальной массы.

Это свойство находит практическое применение для быстрого разделения смесей, компоненты которых имеют разную плотность. Например, центрифугирование позволяет химику быстро отделить осадок или кристаллы от раствора. В молочной промышленности с его помощью отделяют сливки от обрата, хотя разница в их удельном весе невелика (примерно 9:10).

При отстаивании молока разница в плотности создает небольшую выталкивающую силу (архимедову силу), и процесс занимает часы. Если же искусственно увеличить «вес» компонентов с помощью центробежной силы, разделение происходит в тысячи раз быстрее. Этот принцип реализован в устройстве под названием центробежный сепаратор (центрифуга).

Простая лабораторная модель такого прибора показана на рис. 33. Рама с несколькими плечами вращается горизонтально с высокой скоростью. На концах плеч закреплены пробирки с разделяемой смесью.

Рис. 33. Схема лабораторной центрифуги. При вращении пробирки отклоняются от вертикального положения А в положение В под действием центробежной силы.

Под действием центробежной силы пробирки отклоняются из положения А в положение В. Когда они занимают угол в 45°, горизонтальная составляющая центробежной силы сравнивается по величине с силой тяжести. Таким образом, каждый грамм вещества в пробирке приобретает дополнительный «горизонтальный вес».

Поскольку центробежная сила пропорциональна квадрату скорости вращения, увеличение скорости в 10 раз увеличивает эту силу и, соответственно, «горизонтальный вес» в 100 раз. Даже незначительная разница в плотности компонентов при быстром вращении приводит к их резкому разделению: более тяжелые частицы собираются на дне пробирки (у ее внешнего края).

В промышленных сепараторах для молока этот процесс происходит непрерывно: тяжелый обрат отбрасывается к периферии барабана, а легкие сливки концентрируются ближе к центру. По аналогичному принципу работают устройства для отжима воды из белья в прачечных и медогонки на пасеках, которые извлекают мед из сотов, не разрушая их, в отличие от старых механических методов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.