Ruch i siły · Siła dośrodkowa
Siła dośrodkowa — kompletne opracowanie teoretyczne
1. Definicja i maturalny charakter siły dośrodkowej
W ruchu po okręgu ciało ma przyspieszenie skierowane do środka toru. Z II zasady dynamiki wynika, że również **wypadkowa składowa sił w kierunku środka okręgu** musi być skierowana do środka.
### Najważniejsza zasada maturalna
**Siła dośrodkowa nie jest osobnym rodzajem oddziaływania.** Jest nazwą roli, jaką pełni jedna z sił rzeczywistych albo ich wypadkowa w kierunku promieniowym.
Dla ruchu po okręgu o promieniu :
Jeżeli ruch po okręgu jest jednostajny, możemy również zapisać:
### Warunki stosowania wzorów
Wzór opisuje chwilową składową wypadkowej siły skierowaną do środka okręgu. Wzory z , i w tej postaci odnoszą się do ruchu jednostajnego po okręgu.
### Kierunek wektorów
Wektor prędkości jest styczny do toru, a składowa dośrodkowa wypadkowej siły jest skierowana promieniowo do środka okręgu:
Dlatego sama składowa dośrodkowa nie wykonuje pracy — zmienia kierunek prędkości, a nie jej wartość. Jeżeli szybkość ciała się zmienia, wypadkowa siła ma dodatkowo składową styczną.
2. Fizyczne źródła siły dośrodkowej w różnych układach
W zależności od sytuacji rolę dośrodkową może pełnić jedna siła rzeczywista albo odpowiednia składowa wypadkowej sił.
### Samochód lub rowerzysta na płaskim zakręcie
Przy toczeniu bez poślizgu potrzebną siłę skierowaną do środka zakrętu zapewnia tarcie statyczne:
Nie wolno od razu pisać . Ogólnie
a równość zachodzi dopiero na granicy przyczepności. Stąd maksymalna prędkość bez poślizgu:
W tym modelu masa pojazdu skraca się z równania.
### Ciało na nici
Jeżeli ciało porusza się po okręgu w poziomej płaszczyźnie, a jedyną siłą mającą składową promieniową jest napięcie nici , to
W innych układach, np. w ruchu po okręgu w płaszczyźnie pionowej, napięcie nici nie musi być równe całej sile dośrodkowej, ponieważ składową promieniową ma również ciężar.
### Satelita na orbicie kołowej
Dla orbity kołowej rolę siły dośrodkowej pełni siła grawitacji:
stąd
### Wahadło stożkowe
Jeżeli nić tworzy z pionem kąt , napięcie nici ma składową pionową równoważącą ciężar i składową poziomą zapewniającą ruch po okręgu:
Po podzieleniu stronami:
3. Pętla i ruch po okręgu w płaszczyźnie pionowej
W ruchu po okręgu w płaszczyźnie pionowej kierunek do środka zmienia się wraz z położeniem ciała. Dlatego najwygodniej w każdym punkcie zapisywać II zasadę dynamiki wzdłuż promienia, przyjmując zwrot **do środka okręgu** jako dodatni.
### Najniższy punkt toru
W dole pętli środek okręgu znajduje się nad wózkiem. Siła reakcji toru działa do góry, a ciężar w dół:
Stąd
Zatem , więc pasażer odczuwa zwiększony nacisk na siedzenie.
### Najwyższy punkt toru
Na szczycie pętli środek okręgu znajduje się pod wózkiem. Zarówno ciężar, jak i — dopóki wózek pozostaje w kontakcie z wewnętrzną stroną toru — siła reakcji toru są skierowane do środka:
Stąd
### Warunek zachowania kontaktu
Tor może jedynie naciskać na wózek, dlatego siła reakcji toru nie może mieć ujemnej wartości:
W najwyższym punkcie daje to
czyli
Dla prędkości granicznej mamy i całą wymaganą składową dośrodkową zapewnia ciężar. W idealnym modelu bez strat energii szczyt pętli jest punktem krytycznym dla utrzymania kontaktu.
4. Pułapki i najczęstsze błędy maturalne
### 1. Rysowanie „siły dośrodkowej” jako dodatkowej siły
To najczęstszy błąd. Na diagramie sił rysujemy wyłącznie **rzeczywiste oddziaływania**, np. ciężar, siłę reakcji podłoża lub toru, tarcie albo napięcie nici. Dopiero w równaniu wskazujemy, która z tych sił albo jaka ich wypadkowa zapewnia składową dośrodkową.
### 2. Automatyczne podstawianie maksymalnego tarcia
Na płaskim zakręcie podczas jazdy bez poślizgu:
ale ogólnie
Równość zachodzi dopiero na granicy przyczepności i prowadzi do
### 3. Mylenie siły dośrodkowej z siłą odśrodkową
W inercjalnym układzie odniesienia składowa dośrodkowa wypadkowej sił jest skierowana **do środka okręgu**. Siła odśrodkowa bezwładności pojawia się dopiero w obracającym się, nieinercjalnym układzie odniesienia.
### 4. Błędne znaki w pętli pionowej
Najpierw zaznacz kierunek do środka okręgu, a potem rzutuj na niego wszystkie rzeczywiste siły. Dla siły reakcji toru oznaczonej w szczycie pętli:
a w dole:
### 5. Używanie wzoru bez sprawdzenia warunków
Wzór dotyczy składowej promieniowej w ruchu po okręgu. Wzory z , i okresem w standardowej postaci należy stosować do ruchu jednostajnego po okręgu. Przy ruchu niejednostajnym trzeba pamiętać, że może występować również składowa styczna wypadkowej siły.