Ympyräliike

Ympyrärataa liikkuvan kappaleen nopeusvektori muuttuu, vaikka vauhdin suuruus pysyisi vakiona. Siksi nettovoiman on taivutettava liikesuuntaa jatkuvasti kohti keskustaa.

Kulma- ja lineaarinen kuvaus

Tasainen ympyräliike

Säteellä r ja kulmanopeudella ω lineaarinen nopeus on v = rω. Täysi kierros on 2π radiaania, joten ω = 2π/T = 2πf. Jaksonaika T ja taajuus f ovat toistensa käänteislukuja.

Kun vauhti muuttuu

Jos ω muuttuu, mukana on tangentiaalinen kiihtyvyys at = rα = dv/dt. Se muuttaa vauhdin suuruutta; keskeiskiihtyvyys muuttaa suuntaa.

Keskeiskiihtyvyys

va₍c₎r
Nopeus on radan tangentti; keskeiskiihtyvyys osoittaa kohti ympyrän keskustaa.

Ympyräliikkeessä kiihtyvyys osoittaa kohti keskustaa: ac = v²/r = rω² = 4π²r/T². Kun nopeus kaksinkertaistuu samalla säteellä, keskeiskiihtyvyys nelinkertaistuu.

Todelliset voimat tuottavat sisäänpäin suuntautuvan nettovoiman

Keskeisvoima ei ole uusi voimalaji. Se tarkoittaa tilanteessa vaikuttavien todellisten voimien säteittäistä resultanttia.

Satelliitti

Satelliitin ympyräradalla gravitaatio voi yksin olla sisäänpäin suuntautuva nettovoima. Vapaakappalekuvaan ei lisätä erillistä keskeisvoimanuolta.

Auto tasaisessa kaarteessa

Tasaisella tiellä renkaan ja tien välinen lepokitka voi antaa tarvittavan säteittäisen voiman. Jos mv²/r ylittää käytettävissä olevan kitkan, auto alkaa luistaa ulospäin.

Naruun kiinnitetty massa

Naru voi välittää sisäänpäin suuntautuvaa jännitysvoimaa. Pystysuorassa ympyrässä painon säteittäinen osuus ja narun jännitys vaihtelevat paikan mukana.

NmgΣFᵣ
Säteittäiseen suuntaan summataan todelliset voimat, ei lisätä uutta voimalajia.

Laskuesimerkki: auto kaarteessa

1200 kg:n auto kulkee nopeudella 15 m s⁻¹ kaarteessa, jonka säde on 50 m. ac = 15²/50 = 4,5 m s⁻² ja nettovoima F = ma = 5,4 × 10³ N. Jos lepokitkakerroin on μs, luistamaton raja on v ≤ √(μsgr).

Kallistetut kaarteet

Kallistuksessa normaalivoimalla on vaakasuora komponentti kohti keskustaa. Kitkattomalla suunnittelunopeudella tan θ = v²/(rg). Muilla nopeuksilla kitkaa voidaan tarvita.

Pystysuorat ympyrät ja muuttuva vauhti

Pystysuoralla radalla vauhti yleensä muuttuu, koska painovoima tekee työtä. Säteittäinen voimayhtälö kirjoitetaan erikseen eri kohdissa ja positiivinen suunta valitaan kohti keskustaa.

Harjoitukset

Pyörivä alusta

Piste on 0,40 m akselista ja pyörii kulmanopeudella 3,0 rad s⁻¹. Laske v ja ac.

Ratkaisu

v = rω = 1,2 m s⁻¹. ac = rω² = 3,6 m s⁻².

Nopeus kaksinkertaistuu

Miten tarvittava säteittäinen voima muuttuu, jos v kaksinkertaistuu mutta m ja r pysyvät samoina?

Ratkaisu

Koska Fc = mv²/r, tarvitaan nelinkertainen voima.

Satelliitin vapaakappalekuva

Piirretäänkö satelliitille sekä gravitaatiovoima että erillinen keskeisvoima?

Ratkaisu

Ei. Gravitaatio on tässä itse säteittäinen nettovoima. Erillinen lisänuoli laskisi saman vaikutuksen kahdesti.

Säteittäinen ja tangentiaalinen suunta kannattaa käsitellä erillisinä komponentteina. Säteittäinen nettovoima määrää radan kaarevuuden, tangentiaalinen nettovoima vauhdin muutoksen. Kappaleella voi siis olla yhtä aikaa sekä a_c että a_t.

Tehtävässä piirretään ensin vain todelliset voimat ja valitaan sitten säteittäiseksi positiiviseksi suunnaksi kohti keskustaa. Näin vältetään yleinen virhe, jossa kitkan, gravitaation tai jännityksen lisäksi lisätään kuvitteellinen erillinen keskeisvoima.

Tutki yhteyksiä: Kaikki kurssit · Alkuaineet