نیروی جانب مركز
در تصویر مقابل ماشینی را مشاهده می‌كنید كه با سرعت ثابت بر مسیر دایروی حركت میكند.
جهت سرعت در این حركت دایم تغییر میكند. بنابراین حركت آن شتابدار است.
قانون دوّم نیوتن بر این موضوع تأكید دارد كه اگر جسمی در حال حركت شتابدار باشد آن گاه حتماً به آن نیرویی وارد می‌شود.
بنابراین در حركت مدور یكنواخت می‌بایست یك نیروی برآیند (FC) برای تأمین شتاب جانب مركز وجود داشته باشد.
طبق قانون دوّم نیوتن، نیروی FC برابر با حاصل ضرب جرم در شتاب وارد بر جسم است.
به این نیرو كه تأمین كننده حركت یكنواخت دورانی است نیروی جانب مركز می‌گویند.
نیروی جانب مركز
اندازه:
نیروی جانب مركز نیرویی است كه به جسمی به جرم m وارد می‌شود و باعث می‌گردد تا آن جسم با تندی ثابت v بر روی دایره‌ای به شعاع r حركت كند. اندازه این نیرو از رابطه زیر به دست می‌آید:
جهت:
نیروی جانب مركز همیشه در جهت مركز مسیر مدور در حركت بوده بنابراین در حین حركت جهتش دایم در حال تغییر می‌باشد.
تمرین:
اگر ماشینی در حال دور زدن باشد و بر اثر یخبندان اصطكاك جاده كم باشد، چه روی می‌دهد؟
اگر سرعت دوران چرخ زیاد باشد و ماشین از نواحی خیس و بارانی عبور كند، آیا قطرات آب باز هم به چرخ می‌چسبند؟
گاهی مناسب است كه نیروی جانب مركز را همانند نیروی وارد بر هواپیما مدل (كه آن را مقید به مسیر دایروی می‌كرد) تصوّر كنید.
تنها نیروی وارد بر هواپیما عبارتست از نیروی كشش كابل متصل به آن می‌باشد. به مثال زیر توجّه كنید.
هواپیمای مدل در شكل مقابل با تندی ثابت ٣٨m/s بر مسیر دایروی در حال حركت است. جرم هواپیما 0/9 kg و كابل آن ١٧m طول دارد و در وسط كابل نیرو سنجی تعبیه شده است. كشش كابل كه توسط نیروسنج نشان داده می‌شود را محاسبه كنید. اگر تندی به 19 m/s كاهش یابد كشش آن چه تغییری میكند؟
راهنمایی:
برای سادگی فرض می‌كنیم كه كابل هواپیما در مسیر افقی قرار دارد. (از شیب آن صرفه نظر می‌كنیم). به كمك رابطه زیر می توان نیروی مركزگرا را به دست آورد.
حل:
همانطور كه ملاحظه می‌كنید با دو برابر شدن تندی هواپیما نیروی جانب مركز لازم برای حركت دورانی آن 4 برابر شده است. اكنون نیروی جانب مركز را در راستای قائم بررسی می‌كنیم. به تمرین زیر توجّه كنید.
در عملیات نمایشی در سیرك‌ها، گاهی یك فرد (a) بر روی بند می‌تواند فرد دیگری b را به چرخش درآورد.
نیروی جانب مركز لازم برای دوران b توسط بازوان فرد a تأمین می‌شود. در كدام حالت زیر نیروی بیشتری توسط فرد a تأمین شود:
الف) شخص b در پایین ترین محل از مسیر دورانی قرار دارد.
ب) شخص b در بالاترین محل از مسیر دورانی قرار دارد.
راهنمایی و حل:
وقتی فرد a و شریكش b در حال سكون هستند آن گاه نفر a فقط كافی است وزن b را تحمل و تأمین كند. اما وقتی آن دو در حال چرخیدن هستند بازوان فرد a بایستی نیروی دیگری را نیز اعمال كند و آن تأمین نیروی جانب مركز برای حركت دورانی b می‌باشد.
الف) در هنگامی كه فرد b در پایین مسیر قرار دارد همكار وی (a) بایستی هم به اندازه وزن وی نیرو به سمت بالا به وی اعمال كند و هم برای قرار دادن وی در مسیر دایروی نیرو جانب مركزی به سمت بالا به وی وارد نماید. پس در پایین مسیر لازم است دو نیرو به آن اعمال كند. (FC + WB)
ب) ولی در بالاترین نقطه مسیر فرد b، بازوان فرد a بایستی نیروی جانب مركزی رو به پایین (مركز دوران) به فرد b اعمال كند. ولی بخشی از این نیروی جانب مركز توسط وزن فرد b تأمین می‌شود. (Fc - Wb).
جا دارد نیروی جانب مركز را با دقت بیشتری بررسی كنیم. به فیلم زیر توجّه كنید.
مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی
تنظیم: مریم فروزان کیا
