Keskipakoisvoima

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Keskipakoisvoima eli keskipakovoima on näennäisvoima, joka vaikuttaa vetävän esimerkiksi ympyräliikettä tekevää kappaletta kauemmaksi liikkeen keskipisteestä. Vaikutelma voimasta johtuu kappaleen hitaudesta eli sen kyvystä vastustaa liiketilan muutosta. Ympyräliikkeessä liikkeen suunta muuttuu kaiken aikaa. Jotta tasaista ympyräliikettä tekevä kappale pysyisi ympyräradalla, tarvitaan liikkeen ylläpitämiseen keskihakuvoima, joka suuntautuu kohti ympyräradan keskipistettä. Jos tällainen voima on liian heikko, on seurauksena kappaleen etääntyminen ympyräliikkeen keskipisteestä eli ympyräradan säde kasvaa. Tämä ilmiö näyttää siltä kuin kappaleeseen vaikuttaisi jokin voima, joka vetää kappaletta ulospäin. Todelliset voimat ovat aina seurausta jostain vuorovaikutuksesta. Koska ilmiön syynä ei ole mikään vuorovaikutus, vaan kappaleen oma hitaus, on kyseessä näennäisvoima.

Vastaava ilmiö esiintyy myös pyörimisliikkeessä, jossa kappaleen rakenneosat tekevät ympyräliikettä. Pyörivän kappaleen rakenneosien välillä vaikuttaa jännitysvoimia, jotka aiheuttavat ympyräradan ylläpitämiseen tarvittavan keskihakuvoiman. Jos jännitysvoimat ovat heikompia kuin mitä ympyräliikkeen ylläpitämiseen tarvitaan, alkaa kappaleen muoto venyä pyörimisakselista ulospäin. Tästä esimerkkejä ovat esimerkiksi pyörivien taivaankappaleiden litistyminen[1].

Klassisen mekaniikan matemaattisessa muotoilussa keskipakovoiman voidaan selittää johtuvan kappaleeseen kiinnitetyn pyörimisliikettä tekevän koordinaatiston kiihtyvyydestä. Tällaista kiihtyvää koordinaatistoa kutsutaan epäinertiaaliseksi koordinaatistoksi tarkoittaen, että havaitsija tai mittaaja on kiihtyvässä liiketilassa. Vastaavasti vapaan putoamisen liiketilaa, jossa kiihtyvyyksiä ei kappaleeseen kohdistu, kutsutaan inertiaalikoordinaatistoksi.

Esimerkkejä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nopeasti pyörivässä karusellissa ihmiset kokevat painuvansa karusellin ulkokehää kohti. Tällöin harhaanjohtavasti ajatellaan voiman kohdistuvan ympyräliikkeen keskipisteestä poispäin. Todellisuudessa aistittava paine johtuu Newtonin jatkuvuuden laista sekä karusellin tuolin, seinän tai muun vastaavan tukevan pinnan tukivoimasta.

Tämä johtuu siitä, että karusellissa istuva henkilö pyrkii klassisen mekaniikan lakien mukaisesti jatkamaan matkaa suoraan eteenpäin karusellin poikkeuttaessa henkilön kulkurataa. Nopeuden suunnan muuttaminen vaatii voiman samalla tavalla kuin työntäminen, vetäminen tai kiihtyvyys. Itse asiassa karusellissa istuva ihminen kokee voiman vaikutuksen siksi, koska karuselli kääntää henkilöä jatkuvasti tiettyyn suuntaan, jolloin siis istujan keskeiskiihtyvyysvektori osoittaa ympyräradan keskipisteeseen. Esimerkkihenkilön lopullinen liikerata kaartuu näin ollen ympyräradaksi, ellei tilanteessa vaikuta muita voimia.

Laskeminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Keskipakoisvoiman Fc suuruus voidaan laskea yhtälöllä

F_c=mv^2/r\ ,

missä m on kappaleen massa, v on kehänopeus ja r on kiertoradan säde.

Keskipakoisvoima voidaan esittää myös muodossa

F_c=m \omega^2r\ ,

missä ω on pyörimisliikkeen kulmanopeus.

Sijoittamalla edelliseen yhtälöön maan pyörähdysaika 23,9 tuntia ja maan säde 6378 km voidaan laskea, että päiväntasaajalla koetaan 0,03 m/s2 verran heikennystä maan painovoiman aiheuttamassa kiihtyvyydessä.

Keskipakoisvoima on verrannollinen kulmanopeuden (ja vastaavasti kehänopeuden) neliöön, minkä voi havaita esimerkiksi karusellissa: Jos karuselli pyörii kaksinkertaisella nopeudella, tuntuu ulospäin vetävä voima nelinkertaisena (olettaen, että massa tai etäisyys karusellin keskiöstä ei muutu). Kolminkertaisella nopeudella voima tuntuu vastaavasti yhdeksänkertaisena.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Lavonen, Jari & Kurki-Suonio Kaarle & Hakulinen, Harri: Galilei 4: Mekaniikka 2. Weilin+Göös, 1995
Tämä fysiikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.