Keskipakoisvoima

Keskipakoisvoima eli keskipakovoima on näennäisvoima, joka vaikuttaa vetävän esimerkiksi ympyräliikettä tekevää kappaletta kauemmaksi liikkeen keskipisteestä. Näennäinen vaikutelma 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 kappale muoto venyä pyörimisakselista ulospäin. Tästä esimerkkejä ovat esimerkiksi pyörivien taivaankappaleiden litistyminen.

Klassisen mekaniikan matemaattisessa muotoilussa keskipakovoiman voidaan selittää johtuvan kappaleeseen kiinnitetyn pyörimisliikettä tekevän koordinaatiston kiihtyvyydestä. Tällaista kiihtyvää koordinaatistoa kutsutaan epäinertiaaliseksi koordinaatistoksi.^{selvennälähde?}

Esimerkkejä

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.

Kappaleeseen kohdistuva keskipakoisvoima F_c on suuruudeltaan

$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 ^{2}r\$,

missä ω on pyörimisliikkeen kulmanopeus.

Edellisen yhtälön avulla voidaan laskea, sijoittamalla siihen maan pyörähdysaika 23,9 tuntia, ja maan säde 6378 km, että keskipakoisvoima heikentää päiväntasaajalla 0,03 m/s² maan painovoiman aiheuttamaa kiihtyvyyttä.

Keskipakoisvoiman $F_{c}=m\omega ^{2}r$ voi arjessa tuntea esim. karusellissa, tai vaikkapa ajoneuvolla kurvissa ajattaessa: Jos jokin tietty karusellin tai ajoneuvon nopeus aiheuttaa sinulle keskipakoisvoiman (eli karusellista tai tieltä ulos kurvista ulos vetävän voiman) arvoltaan 1, niin 2 kertaa suurempi karusellin tai ajoneuvon vauhti samassa karusellissa tai kurvissa (r on vakio) aiheuttaa 4 kertaa suuremman keskipakoisvoiman (sillä 2·2 = 4), 3 kertaa suurempi vauhti samassa kaaressa aiheuttaa 9 kertaa suuremman keskipakoisvoiman (sillä 3·3 = 9), jne.

Katso myös

• Sentrifugi
• Keskihakuvoima
• Keskeisvoima