На вираже дороги
При движении на автомобиль действуют всевозможные силы, различные по величине и направлению – сила тяжести и сила реакции грунта, сила тяги и сопротивления качению колес, сила инерции, сила сопротивления воздуха и т.д.
На вираже дороги к существующим силам добавляется еще и центробежная сила. Именно она заставляет машины опрокидываться и «вылетать» на обочину.
Центробежная сила
Если взять теннисный мячик, привязать к нему резинку и раскручивать над головой, то по мере увеличения скорости вращения резинка будет растягиваться все больше и больше. Это работает центробежная сила. Она стремится порвать резинку и отбросить мячик подальше от Вас (от центра поворота).
С автомобилем происходит то же самое. Центробежная сила на вираже дороги пытается «отбросить» автомобиль от центра поворота на обочину. И зачастую это ей удается!
К счастью, вестибулярный аппарат человека прекрасно воспринимает радиальные ускорения. Прислушиваясь к своим ощущениям, водитель в состоянии определить критическую скорость движения на повороте, превышение которой может привести к боковому скольжению или опрокидыванию автомобиля.
Вместе с тем, Вы должны знать и учитывать то, что центробежная сила находится в квадратичной зависимости от скорости движения! Увеличение скорости в 2 раза приводит к увеличению центробежной силы в 4 раза!
Следовательно, если Вы хотите существенно уменьшить центробежную силу, то во время прохождения поворота Вам следует хотя бы немного снизить скорость движения. И наоборот, чтобы перевернуться, достаточно лишь немного прибавить «газу», и центробежная сила быстро вырастает до той величины, которая позволяет ей «выбросить» машину на обочину.
Экспериментируя с критической скоростью на вираже дороги, нельзя забывать о траектории движения. Выбирать траекторию прохождения поворота следует с учетом возможного смещения, то есть немного ближе к центру поворота, чтобы у Вас оставался некоторый запас расстояния до обочины (рис. 61). Если центробежная сила достигнет опасной величины и Вам не захочется переворачиваться, то Вы всегда сможете ослабить эту силу, сместившись чуть дальше от центра поворота.
Рис. 61. Смещение автомобиля на повороте
Центр тяжести
Как Вы думаете, какой автомобиль будет более устойчивым против опрокидывания на повороте – груженый или порожний?
Сомневаетесь в ответе? Тогда представьте себе такую картину. В крутой поворот на большой скорости входят две машины – одна с огромным холодильником на крыше (рис. 62 б), другая вообще без верхнего багажника (рис. 62 а). В какой машине Вам будет легче перевернуться?
Правильно, в той, что с холодильником. Вот видите, даже не находясь за рулем, Вы уже можете находить правильные решения. Для этого надо лишь представить себе ситуацию и прислушаться к своим ощущениям.
Рис. 62. Центр тяжести легкового автомобиля: а) без груза; б) с грузом
А как доказать, что груженый автомобиль менее устойчив против опрокидывания по сравнению с порожним?
Да очень просто. Центробежная сила всегда имеет точку приложения, и точкой этой является центр тяжести автомобиля.
У порожнего легкового автомобиля центр тяжести находится где-то между передними сиденьями на уровне пола салона (рис. 62 а). В машине с пассажирами суммарный центр тяжести хоть и немного, но все же будет выше.
А если на крышу машины и в правду водрузить нечто типа холодильника? Тогда центр тяжести переместится вверх от днища кузова на значительное расстояние и окажется намного выше, чем у порожнего автомобиля (рис. 62 б).
Дальше остается вспомнить школьные опыты на уроках начальной физики либо просто поиграть со спичечным коробком. Попробуйте уронить вертикально стоящий коробок, толкая его спичкой в узкое ребро внизу, по центру и в самом верху. Очень быстро Вы убедитесь в том, что: Чем выше точка приложения усилия, тем легче уронить предмет.
Поскольку точкой приложения центробежной силы является центр тяжести предмета, то, применительно к машине на вираже дороги, приходим к следующему выводу: Чем выше расположен центр тяжести автомобиля, тем легче его опрокинуть.
Физическая сущность центробежных и центростремительных сил
Центробежные и центростремительные силы встречаются в нашей обыденной жизни повсеместно и почти ежедневно.
При резком повороте автомобиля центробежная сила прижимает нас к стенке автомобиля. При выходе автомобиля из поворота, стенка автомобиля, выполняющая роль центростремительной силы, возвращают нас в прежнее положение. Попавший в нас камешек из-под колеса грузовика напоминает нам, что есть некоторая сила, которая привела этот камешек в движение. Обычно это мы относим на счет центробежных сил. При вращении ведерка с водой на веревочке в вертикальной плоскости мы видим, что вода не выливается из ведра даже тогда, когда оно находится вверх дном. Ведь что-то ее держит в ведерке, несмотря на то, что на ее действует сила гравитации. Мы полагаем, что это центробежная сила. Знаем, что Луну притягивает гравитация Земли, но Луна все никак не приближается к Земле и никак не упадет на нее. По-видимому, в этом повинна центробежная сила. Расплавленные кусочки металла отрываются от заточного вращающегося камня в виде красивой струи под действием тех же сил. Как видим явлений, в которых наблюдается действие центробежных сил великое множество.
Точно также мы наблюдаем множество центростремительных сил. Веревочка, которая удерживает ведерко с водой при вращении, внешнее кольцо шарикоподшипника удерживает от разлета шарики или ролики, удержание планет и звезд на орбитах – все это примеры действия центростремительных сил.
Считается что центробежная и центростремительная силы антиподы, если одна сила пытается двигать тело в одном направлении, то другая будет обязательно действовать в противоположном направлении, стремясь компенсировать действия первой. Но на данном этапе понимания этих сил мы видим между ними огромную разницу.
Дело в том, что при наблюдении центростремительной силы мы всегда можем указать физический носитель данной силы. Например, если видим какое-нибудь тело, лежащее на вращающемся круге, и оно никуда не движется, то говорим, что силы трения компенсируют центробежную силу. Силы трения и представляют центростремительную силу. Как только скорость вращения увеличится центробежная сила, по нашим представлениям, превысит силу трения, то есть центростремительную силу, и тело соскользнет с вращающегося круга. В данном случае сцепление между атомами круга и тела и является физическим носителем данной силы.
Между вращающимся ведерком и рукой центростремительную силу представляет цепочка атомов в виде веревки. Физическим представителем, представляющим центростремительную силу для шарика в шарикоподшипнике, является внешнее кольцо. Гравитация удерживает на орбитах планеты.
А что является носителем центробежной силы, если таковой существует? В БСЭ даются такие определения этой силы.
“Центробежная сила, сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее её двигаться криволинейно.
При применении к решению задач динамики Д’Аламбера принципа термину «Ц. с.» придают иногда др. смысл и называют Ц. с. составляющую силы инерции материальной точки, направленную по главной нормали к траектории. Изредка Ц. с. называют также нормальную составляющую переносной силы инерции при составлении уравнений относительного движения”.
Как видим, есть попытки связать центробежную силу с силами инерции и это абсолютно верно. Но поскольку в современной науке нет четкого понятия, что представляют силы инерции , что является физическим носителем инерции, то и формулировка центробежной силы туманна и расплывчата.
Действительно, мы силу инерции всегда представляем, как пассивную силу. Когда на тело действует некоторая сила, то тело благодаря инерции сопротивляется этой силе, никогда не превышая своих полномочий. Какая сила на тело воздействует, ровно с такой силой тело отвечает на данное воздействие. Ни больше, ни меньше.
Сила инерции может сохранять импульс движения при движении тела по инерции. Конечно, видя камень, летящий из-под колеса автомобиля, можно сказать, что он летит по инерции, как пуля, выпущенная из винтовки. Пуля получила импульс движения от пороха, сжатого воздуха или чего-нибудь другого. А камень от чего получил импульс? Можно сказать, что от колеса, но это не совсем верно.
Положите на плоскость без трения (лед) шарик и попытайтесь его двигать вращающейся палочкой, как стрелкой часов. Если между палочкой и шариком будет минимальное трение, то мы увидим, что шарик начнет двигаться не только в сторону, но и вдоль палочки. Повернув палочку на 360 0 , при определенной длине палочки, можно будет увидеть смещение шарика по палочке. С другой стороны, мы видим, что сила воздействия палочки на шарик проходит все время через его центр, и поэтому никак не может двигать шарик от центра вращения палочки. Напротив, нам кажется, что мы шарик “подгребаем” к центру вращения палочки. Так мы пытаемся подкатить к себе мячик, яблоко или какой-нибудь другой круглый предмет палкой. Но какая-то сила все время стремится отодвинуть эти предметы от нас. Как мы увидим ниже это и есть центробежная сила.
Казалось бы в этом случае можно было бы построить центробежуную силу в классическом виде. Вот палочка нажимает на шарик. Чтобы шарик двигался а не вращался сила приложенная к шарику должна проходить через его центр. Эту силу можно разложить на две составляющие: одну вдоль палочки, а другую перпендикулярно палочке. Сила вдоль палочки и будет центробежной силой. Рис. 1a.
Так то оно так. Но откуда у палочки взялась эта сила F? Если бы наш шарик не имел массы, то палочке не нужно прикладывать никакой силы. Это было бы нечто пустого кузова, некчему прикладывать силу. А без массовый шарик двигался бы за палочкой, как приклеенный. Но как только появляется масса, она сразу излучит инерционный фотон, который будет тормозить шарик и, как реакция согласно третьго закона Ньютона, появится сила со стороны палочки, которую мы и разложили на две составляющие. Можно сказать, что без инерционного фотона никакая центробежная сила не возможна.
Конечно, можно построить центробежную силу в том понятии, какое мы интуитивно вкладываем в это явление – “силу двигающую тело от центра”. Например, такая модель показана на рисунке 1.
Рассмотрим колесо, в котором вместо спицы расположена конструкция из двух пружин А и Б с телом С, прикрепленном между пружинами. Пружина Б закреплена в центре колеса, а пружина А шарнирно прикреплена к ободу. Пружины изначально напряжены на сжатие, то есть растянуты. Точкой равновесия напряжений пружин является точка 1, в которой покоится наше тело, пока колесо не вращается. Если отсоединим тело от пружины А, то тело начнет двигаться под действием пружины Б к центру колеса. Данная сила выступает в роли центростремительной силы. Если тело отсоединим от пружины Б, то тело под действием пружины А будет двигаться от центра колеса, причем строго от центра колеса. Такая сила нам представляется как центробежная сила.
Закрутим колесо с некоторой скоростью. Когда скорость установится, тело выйдет из точки 1 и остановится, например, в точке 2 и будет двигаться по траектории с. Если оборвать связь тела с пружиной Б, то опыт покажет, что тело будет двигаться по вектору 2i. При увеличении скорости вращения напряжение в пружине А будет становиться все меньше и меньше. Составляющая скорости тела от напряжения пружины А (направление 2к) будет становиться все меньше и вектор 2i будет все больше прижиматься к вектору 2j. И когда напряжение в пружине А станет равным нулю, данные векторы будут совпадать.
Когда пружина А тянула тело к ободу нам было понятно, что в растянутой пружине как-то напряглись ковалентные связи между атомами металла и затем при сжатии пружина тянула тело к краю колеса. Но какие физические процессы создали некоторый добавок силы к силе пружины, что совместно они передвинули тело из точки 1 в точку 2 при вращении колеса? В пределах молекулярной или атомарной точек зрения на этот вопрос ответа нет. А с точки зрения квантовой физики этот вопрос решаем.
Рассмотрим тело в виде электрона на нити в отсутствии всяких сил, в том числе и гравитации (Рис. 2 а)).
Такое деление сил является достопримечательным процессом. Спрашивается – а в какой пропорции делится возбуждающая сила между кинетической энергией электрона и излучаемого им фотона? По существу, это деление энергии приложенной силы на кинетическую и потенциальную энергии электрона. Об этом рассказано в статье «Воздействие силы на электрон» .
Если тело будет содержать не один электрон, а два, то один и тот же импульс Fн телу придаст скорость равную v/2. Чем больше масса тела, тем меньшую скорость оно получит от одного и того же импульса (Рис. 2 б)).
Пусть тело в виде электрона движется со скоростью V по траектории b (Рис. 2 в)). В точке а оно подцепляется к нити. Если бы нити не было, то тело так бы и двигалось по траектории b , по прямой траектории. В точке a нить на тело никакого воздействия не производит. Дальше нить будет натягиваться.
В какой-то момент натяжение веревки изменит скорость электрона с величины V на V1, из-за добавки скорости v. Изменение скорости электрона приведет к излучению им инерционного фотона Fи, из-за центростремительного ускорения. Импульс этого фотона своими составляющими Fт погасит скорость V1 до скорости V, а центробежная сила, составляющая Fц , возвратит электрон на прежнюю орбиту (Рис. 2 г)).
Центробежная сила будет двигать тело от точки крепления нити, нить снова натянется и опять создаст центростремительный импульс. Процесс повторится вновь, и тело будет двигаться по круговой орбите, колеблясь вокруг некоторой средней окружности. Сила натяжения нити будет то усиливаться, то уменьшаться. Соответственно будет изменяться и центробежная сила. Эти величины будут зависеть от скорости V , от массы тела и длины нити. В установившемся режиме центростремительная сила в виде натяжения нити будет переливаться через инерционный фотон в центробежную силу, а центробежная сила будет переходить в натяжение нити, провоцируя генерацию фотона.
Средняя величина этих сил одинакова по модулю и противоположна по знаку. Ее величина определяется формулой:
где, m – масса тела, v – скорость тела, r – длина нити.
Внимательный читатель сразу может найти изъян в этой модели. Электрон в каждом цикле излучает фотон и, в конце концов, должен будет испариться полностью. Это так. Один электрон так двигаться не сможет. Он может двигаться так только в составе атома. Атом погасит инерционный импульс, затормозит электрон, и электрон будет обязан поглотить соответствующий фотон, чтобы занять прежний уровень в атоме. Надо никогда не забывать, что мы живем в мире фотонов, намного более плотном, нежели мир воздуха вокруг нас.
Из сказанного можно сделать вывод, что центробежную силу представляют инерционные фотоны, которые генерируются телом при его ускорении.
Мы рассмотрели движение одного электрона на веревочке. Если на веревочке будет вращаться тело, то в нем будет множество электронов, которые будут вести себя так, как описано выше. Но остальная часть электронов может не участвовать в формировании центробежной силы. Хотя может быть так, что не участвующие электроны в этом процессе при данной орбитальной скорости, начнут действовать при другой скорости, а участвовавшие в процессе ранее электроны могут выйти из игры. Так получается потому, что в любом теле имеется множество электронов с различными абсолютными скоростями.
А что происходит, если центростремительной силой выступает не натяжение нити, а гравитация?
Почти такие же процессы происходят, если роль нити исполняет гравитация. Просто близкодействие нити и тела заменено дальнодействием тела, излучающего фотоны гравитации, на притягиваемое тело. Здесь важно только то, чтобы были резонансные пары (фотон — электрон). В этом случае тело притягивается гравитационно и другие электроны генерируют инерционные фотоны, чем и создают центробежную силу.
Из сказанного можно сделать такой вывод:
Физическим носителем центробежной силы являются инерционные фотоны.
Центробежная сила и смещение на повороте
При движении на любом повороте возникает центробежная сила, стремящаяся занести автомобиль или опрокинуть его (см.рисунок 1).
m – масса автомобиля; V – скорость движения автомобиля; R – радиус поворота автомобиля
Рисунок 1 – Возникновение центробежной силы на повороте
Как видно из рисунка величина центробежной силы, Fтр, увеличивается пропорционально квадрату скорости, V, поэтому на повороте в первую очередь нужно снижать скорость. Выполнять поворот необходимо таким образом, чтобы траектория движения снижала вероятность смещения автомобиля на полосу, предназначенную для встречного движения под действием центробежной силы. Поэтому необходимо начинать поворот с внешней границы полосы движения (чем больше радиус прохождения поворота, тем меньше центробежная сила).
На величину центробежной силы влияет и масса транспортного средства, поэтому наиболее устойчив автомобиль против опрокидывания без груза и пассажиров (с меньшей массой). При меньшей массе центр тяжести автомобиля будет ниже, поэтому будет и меньше опрокидывающий момент от центробежной силы.
Водителям необходимо помнить, что при маневрировании (при поворотах, разворотах, перестроениях) передние и задние колеса (тем более колеса прицепа автопоезда относительно тягача или автобуса с гармошкой) имеют разные траектории движения. Смещение будет тем сильнее, чем дальше задние колёса автомобиля (колеса прицепа или гармошки автобуса) от передних колес (рисунок 2). Смещение всегда будет происходить к центру поворота.
Рисунок 2 – Смещение колес на повороте
Автошкола «Профессионал» желает безаварийной езды. Успехов в изучении ПДД.
что значит центробежная сила?нафик википедию
Значит, она заставляет вращающееся тело убегать от центра вращения.
Вводится математически для уравновешивания центростремительной силы, которая притягивает тело к центру.
Центробе́жная си́ла — сила инерции, которую вводят во вращающейся (неинерциальной) системе отсчёта (чтобы применять законы Ньютона, рассчитанные только на инерциальные СО) и которая направлена от оси вращения (отсюда и название) .
Также центробежной силой, особенно в технической литературе, называют силу, действующую со стороны испытывающего поворот тела на вызывающие этот поворот связи, равная по модулю центростремительной силе и всегда направленная в противоположную ей сторону.
Причина появления центробежной силы — в центростремительном (поворотном) ускорении. В инерциальных системах отсчёта действует закон инерции, то есть, каждое тело стремится двигаться по прямой и с постоянной скоростью. Если рассмотреть вращение тела вокруг некоего центра, то станет ясно, что чтобы оно осуществилось, требуется придавать телу ускорение, постоянно изменяющее направление движения тела. Это значит, что с точки зрения вращающейся системы отсчёта, некая сила будет пытаться сорвать тело с траектории.
Для того, чтобы тело двигалось с центростремительным ускорением, необходимо приложение силы к телу, равной F = mac, где ac — центростремительное ускорение. Соответственно, тело действует по третьему закону Ньютона с силой противоположной направленности. Fc = − mac. Сила, которая действует со стороны тела, и будет называться центробежной силой. Не следует путать центробежную силу с другой силой инерции — кориолисовой силой, которая появляется при движении тела во вращающейся (неинерциальной) системе отсчёта.