Middelpuntvliedende kracht
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Middelpuntvliedende kracht of ook centrifugale kracht is een schijnbare kracht die voorwerpen ervaren als ze een bocht maken.
Inhoud |
[bewerk] Voorbeelden
- Een voorbeeld is wasgoed dat in een centrifuge wordt gedroogd: de trommel met natte was wordt snel rondgedraaid, het wasgoed wordt door de trommel tegengehouden, maar het water wordt door de gaatjes naar buiten geslingerd. Het lijkt zo net of er een kracht is die het water dat in de rondte draait uit het midden weg laat vluchten. Vandaar de termen middelpunt-vliedend ('vlieden' = vluchten) en centrifugaal (Latijn: centrum = midden en fugere = vluchten).
- Een ander veel voorkomend voorbeeld is een passagier achterin een auto. Als de auto snel de bocht omgaat, wordt deze passagier schijnbaar naar de zijkant geduwd. De bestuurder ervaart hetzelfde, maar is erop voorbereid omdat hij zelf stuurt.
[bewerk] Natuurkundige omschrijving
Volgens de natuurkunde sinds Newton is het eigenlijk andersom. Als er geen krachten werken, dus ook geen versnelling optreedt, blijven voorwerpen met de zelfde snelheid rechtdoor bewegen (Eerste wet van Newton). Om een voorwerp een bocht te laten maken, is er juist een kracht nodig die het voorwerp 'naar het midden toe duwt of trekt (Tweede wet van Newton). En die noemen we dan ook de middelpuntzoekende kracht. Als die kracht plotseling ophoudt dan schiet het voorwerp 'uit de bocht' en volgt vanaf dat punt een kogelbaan. Bijvoorbeeld zoals bij een discuswerper die een discus loslaat. Eigenlijk gaan ze gewoon rechtdoor volgens de Eerste wet van Newton, maar als de waarnemer meebeweegt met de ronddraaiende beweging lijkt het net of er een kracht van binnen naar buiten is.
Bij een planeet die om een zon draait, speelt hetzelfde. Zonder afbuigende kracht zou de planeet rechtuit gaan. De zwaartekracht van de zon doet de planeet afbuigen. Omdat de planeet veel snelheid heeft stort hij niet op de zon. De kracht die zorgt voor de kromme baanbeweging is de middelpuntzoekende of centripetale kracht. In dit voorbeeld is dat de zwaartekracht tussen zon en planeet. Bij een steen die ronddraait aan een touwtje zorgt de spankracht in het touw voor de benodigde centripetale kracht.
[bewerk] Berekeningen met de middelpuntvliedende kracht
Berekeningen aan draaiende voorwerpen kunnen opgezet worden zowel met middelpuntzoekende of middelpuntvliedende kracht, afhankelijk van welk referentiestelsel gebruikt wordt.
Bijvoorbeeld om de trekkrachten die optreden in de roterende bladen van een helikopter te berekenen is het makkelijker om de rotorbladen in een rekenmodel niet te laten draaien maar om met een middelpuntvliedende kracht te rekenen die wijst in de richting van het uiteinde van het rotorblad. Deze kracht is dan aan het uiteinde van het rotorblad groter dan dicht bij de plaats waar het rotorblad aan de hoofdas is verbonden.
De naar buiten gerichte kracht, die samenhangt met een hoeveelheid massa m op een afstand r van het middelpunt, wordt volgens Christiaan Huygens gegeven door:
wat overeen komt met
(waarbij m staat voor de hoeveelheid massa, v voor de snelheid, r voor de straal, ω = v / r voor de hoeksnelheid, en r voor de vector die van het midden naar het uiteinde van de wiek wijst).
Het "laten stilstaan" van het rotorblad is een denkbeeldige situatie (in werkelijkheid draait het rotorblad) en om uit de berekening toch nog een antwoord te krijgen dat geldig is in de werkelijkheid, wordt precies de daarvoor nodige denkbeeldige kracht geïntroduceerd in de berekening. Dit is de reden dat middelpuntvliedende kracht een denkbeeldige kracht of schijnkracht wordt genoemd.
[bewerk] De kracht in het dagelijks leven
In het dagelijks leven zijn er veel voorbeelden cirkelbewegingen die naar keuze als middelpuntvliedende of als middelpuntzoekende kracht behandeld kunnen worden. Meestal is het het eenvoudigste om alles te bekijken vanuit een stilstaand, niet-versneld gezichtspunt, een zgn. inertiaalstelsel. Dan bestaat middelpuntvliedende kracht gewoon niet.
Als een auto een bocht maakt, moeten de banden de grip leveren om de auto te doen afwijken van een rechte lijn; hoe scherper de bocht of hoe groter de snelheid, hoe meer grip er nodig is. De stoelen en gordels van de auto moeten tegen de passagiers drukken om de passagiers door de bocht te laten gaan.
Bij het fietsen gebeurt hetzelfde: de banden van de fiets moeten grip (of wrijvingskracht) leveren om de fiets met berijder in de bocht te houden. Het massamiddelpunt van berijder van de fiets is ruim boven het scharnierpunt. Indien de fietser bij het nemen van een bocht rechtop zou blijven fietsen, zou er geen centrumgerichte kracht werken op zijn massamiddelpunt en zou de fiets wél de bocht omgaan, maar de berijder niet. Door te hellen in de bocht zorgt de fietser ervoor dat de grip van de banden op de weg in de gelegenheid is hem de bocht om te duwen. Autowegen met een bocht erin worden scheef gelegd zodat het leveren van de centrumgerichte kracht niet door de wrijving van de banden alleen geleverd hoeft te worden.
In een huishoudcentrifuge brengt de wand van de trommel de enorme middelpuntgerichte kracht over aan de kleren erin die nodig is om in zo'n snelle en krappe cirkelbeweging te draaien. Als de zijwand van de trommel van de centrifuge dicht zou zijn zou ook het water dat in de kleren zit in de trommel blijven, maar de wanden zijn geperforeerd. Doordat er onvoldoende middelpuntgerichte kracht is om het water in zo'n snelle en kleine cirkelbeweging te duwen wordt het water van de kleren gescheiden en verlaat het de centrifugetrommel. Vanaf het moment dat de waterdruppels loskomen van de trommel vliegen ze in een rechte lijn.
Een bekend strandspel is het ronddraaien van een emmer. Hier blijft het water in de emmer juist in de emmer zitten door de centrifugale kracht, ook al heeft de emmer vrijwel een horizontale stand.
Een praktische toepassing van de middelpuntvliedende kracht is de centrifugaalregelaar die het toerental van een stoommachine regelt.
Voor wie wat meer praktische ervaring met de middelpuntvliedende krachten wil opdoen, is een bezoek aan de pretpark de échte aanrader. Hierbij zijn vooral de achtbanen de "didactisch middelen" bij uitstek.
[bewerk] Inertie
Wanneer een voorwerp volgens een cirkelvorm beweegt merken we dat voorwerpen "traag" of "inert" zijn. Dat betekent niet dat ze niet bewegen, maar dat het moeite kost om ze van snelheid te veranderen..
Een voorwerp dat in een cirkelbaan beweegt verandert ook continu van snelheid. Naar het noorden rijden met 20 km/u is immers een andere snelheid dan naar het noordoosten rijden met 20 km/u...: snelheid is een vector.
Om een bewegend voorwerp een bocht te laten maken moet er een kracht haaks op de bewegingsrichting worden uitgeoefend. De resulterende versnelling in die richting is dezelfde als zou zijn opgetreden als er vanuit stilstand zou zijn geaccelereerd. Net zoals in een optrekkende auto de passagiers zich naar achteren getrokken voelen worden, zo voelen ze zich naar links geduwd op het moment dat de auto een bocht naar rechts maakt.
Je kunt dus zeggen dat - in een normale, Newtoniaanse, stilstaande wereld - 'middelpuntvliedende kracht' niet bestaat: er wordt door trage voorwerpen weerstand geboden aan de middelpuntzoekende kracht. Maar vrijwel geen enkel stelsel staat echt stil, zéker de aarde niet.
