Zentrifugalkraft ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig, aber ist es das, was wir denken?
Wir erleben es, wenn wir in einem Auto um eine Ecke biegen oder wenn ein Flugzeug in eine Kurve fährt. Wir sehen es im Schleudergang einer Waschmaschine oder wenn Kinder auf einem Karussell fahren. Eines Tages könnte es sogar Raumschiffen und Raumstationen künstliche Schwerkraft verleihen.
Die Zentrifugalkraft wird jedoch oft mit ihrem Gegenstück, der Zentripetalkraft, verwechselt, weil sie so eng miteinander verbunden sind - im Wesentlichen zwei Seiten derselben Medaille.
Die Zentripetalkraft ist definiert als "die Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt in einem gekrümmten Pfad in Bewegung zu halten, und die nach innen zum Rotationszentrum gerichtet ist", während die Zentrifugalkraft definiert ist als "die scheinbare Kraft, die von einem sich bewegenden Objekt gefühlt wird in einem gekrümmten Pfad, der vom Rotationszentrum nach außen wirkt ", so Merriam Webster Dictionary.
Beachten Sie, dass während die Zentripetalkraft eine tatsächliche Kraft ist, die Zentrifugalkraft als scheinbare Kraft definiert wird. Mit anderen Worten, wenn eine Masse auf eine Saite gedreht wird, übt die Saite eine nach innen gerichtete Zentripetalkraft auf die Masse aus, während die Masse eine nach außen gerichtete Zentrifugalkraft auf die Saite auszuüben scheint.
"Der Unterschied zwischen zentripetaler und zentrifugaler Kraft hat mit unterschiedlichen 'Referenzrahmen' zu tun, dh mit unterschiedlichen Blickwinkeln, unter denen Sie etwas messen", sagte Andrew A. Ganse, ein Forschungsphysiker an der University of Washington. "Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft sind wirklich genau die gleiche Kraft, nur in entgegengesetzte Richtungen, weil sie aus verschiedenen Bezugssystemen stammen."
Wenn Sie ein rotierendes System von außen beobachten, sehen Sie eine nach innen gerichtete Zentripetalkraft, die den rotierenden Körper auf eine Kreisbahn beschränkt. Wenn Sie jedoch Teil des rotierenden Systems sind, spüren Sie eine scheinbare Zentrifugalkraft, die Sie vom Mittelpunkt des Kreises wegdrückt, obwohl Sie tatsächlich die nach innen gerichtete Zentripetalkraft fühlen, die Sie davon abhält, buchstäblich auf einer Tangente loszugehen .
Die Kräfte gehorchen Newtons Bewegungsgesetzen
Diese scheinbare äußere Kraft wird durch Newtons Bewegungsgesetze beschrieben. Newtons erstes Gesetz besagt, dass "ein Körper in Ruhe in Ruhe bleibt und ein Körper in Bewegung in Bewegung bleibt, es sei denn, er wird von einer äußeren Kraft beaufschlagt."
Wenn sich ein massiver Körper in einer geraden Linie durch den Raum bewegt, führt seine Trägheit dazu, dass er in einer geraden Linie weitergeht, es sei denn, eine äußere Kraft bewirkt, dass er beschleunigt, verlangsamt oder die Richtung ändert. Damit es einer Kreisbahn folgen kann, ohne die Geschwindigkeit zu ändern, muss eine kontinuierliche Zentripetalkraft im rechten Winkel zu seiner Bahn ausgeübt werden. Der Radius (r) dieses Kreises ist gleich der Masse (m) mal dem Quadrat der Geschwindigkeit (v) geteilt durch die Zentripetalkraft (F) oder r = mv ^ 2 / F. Die Kraft kann durch einfaches Umordnen der Gleichung F = mv ^ 2 / r berechnet werden.
Newtons drittes Gesetz besagt, dass "für jede Handlung eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion vorliegt". So wie die Schwerkraft Sie veranlasst, eine Kraft auf den Boden auszuüben, scheint der Boden eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf Ihre Füße auszuüben. Wenn Sie sich in einem beschleunigenden Auto befinden, übt der Sitz eine Vorwärtskraft auf Sie aus, so wie Sie eine Rückwärtskraft auf den Sitz auszuüben scheinen.
Im Fall eines rotierenden Systems zieht die Zentripetalkraft die Masse nach innen, um einem gekrümmten Pfad zu folgen, während die Masse aufgrund ihrer Trägheit nach außen zu drücken scheint. In jedem dieser Fälle wird jedoch nur eine reale Kraft ausgeübt, während die andere nur eine scheinbare Kraft ist.
Beispiele für zentripetale Kraft in Aktion
Es gibt viele Anwendungen, die die Zentripetalkraft ausnutzen. Eine besteht darin, die Beschleunigung eines Weltraumstarts für das Astronautentraining zu simulieren. Wenn eine Rakete zum ersten Mal abgefeuert wird, ist sie so mit Treibstoff und Oxidationsmittel beladen, dass sie sich kaum bewegen kann. Beim Aufstieg verbrennt es jedoch Kraftstoff mit enormer Geschwindigkeit und verliert kontinuierlich an Masse. Das zweite Newtonsche Gesetz besagt, dass Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist oder F = ma.
In den meisten Situationen bleibt die Masse konstant. Bei einer Rakete ändert sich ihre Masse jedoch drastisch, während die Kraft, in diesem Fall der Schub der Raketenmotoren, nahezu konstant bleibt. Dies bewirkt, dass die Beschleunigung gegen Ende der Boost-Phase auf ein Mehrfaches der normalen Schwerkraft ansteigt. Die NASA verwendet große Zentrifugen, um Astronauten auf diese extreme Beschleunigung vorzubereiten. Bei dieser Anwendung wird die Zentripetalkraft dadurch bereitgestellt, dass die Rückenlehne den Astronauten nach innen drückt.
Ein weiteres Beispiel für die Anwendung von Zentripetalkraft ist die Laborzentrifuge, mit der die Ausfällung von in Flüssigkeit suspendierten Partikeln beschleunigt wird. Eine häufige Verwendung dieser Technologie ist die Vorbereitung von Blutproben für die Analyse. Laut der Experimental Biosciences-Website der Rice University "macht es die einzigartige Struktur des Blutes sehr einfach, rote Blutkörperchen durch Differentialzentrifugation vom Plasma und den anderen gebildeten Elementen zu trennen."
Unter der normalen Schwerkraft bewirkt die thermische Bewegung eine kontinuierliche Vermischung, die verhindert, dass sich Blutzellen aus einer Vollblutprobe absetzen. Eine typische Zentrifuge kann jedoch Beschleunigungen erzielen, die das 600- bis 2.000-fache der normalen Schwerkraft betragen. Dies zwingt die schweren roten Blutkörperchen, sich am Boden abzusetzen, und schichtet die verschiedenen Bestandteile der Lösung entsprechend ihrer Dichte in Schichten.
Dieser Artikel wurde am 10. Mai 2019 von Jennifer Leman, einer Mitarbeiterin von Live Science, aktualisiert.
