Middelpuntvliedende kracht

Middelpuntvliedende kracht of centrifugale kracht is een niet-bestaande kracht of schijnkracht. Deze kracht lijkt te bestaan als de beweging van een voorwerp wordt beschreven binnen een ronddraaiende omgeving. Bijvoorbeeld de beweging van een persoon in een auto die een bocht neemt, beschouwd ten opzichte van de auto, niet ten opzichte van de vaste grond. Als de beweging van deze persoon wordt beschreven ten opzichte van de vaste grond, dan moet er een middelpuntzoekende kracht zijn.

De naam verwijst naar de richting waarin de schijnkracht lijkt te werken: middelpuntvliedend ('vlieden' = vluchten) en centrifugaal (Latijn: centrum = midden en fugere = vluchten). De schijnkracht wordt voorgesteld als een vector met een richting weg van het rotatiecentrum.

Natuurkundige omschrijving volgens NewtonBewerken

Volgens de eerste wet van Newton blijft bij het ontbreken van een resulterende kracht op een voorwerp, dit voorwerp met dezelfde snelheid in een rechte lijn bewegen.

De tweede wet van Newton zegt dat als er een resulterende kracht op een voorwerp werkt, er een versnelling zal optreden. Als een voorwerp een bocht maakt, dan is er altijd sprake van een versnelling die haaks staat op de richting van de beweging. Anders gezegd: om een voorwerp een bocht te laten maken, is er een kracht nodig die het voorwerp naar het midden toe duwt of trekt. Als die kracht plotseling ophoudt, schiet het voorwerp 'uit de bocht' en volgt vanaf dat punt een rechte lijn.

Volgens de derde wet van Newton komen krachten steeds voor in paren tussen twee voorwerpen. Als voorwerp A een kracht uitoefent op voorwerp B, dan zal voorwerp B een even grote maar tegengestelde kracht uitoefenen op voorwerp A. Noemt men de kracht van A op B de actiekracht, dan is de kracht van B op A de reactiekracht. Wanneer men een middelpuntvliedende kracht invoert, dan is er geen tweede voorwerp dat die uitoefent. Het is geen kracht zoals Newton dat ziet en daarom noemt men het dikwijls een schijnkracht.

Een voorwerp beweegt in een cirkelvormig baan omdat er een (afbuigende) kracht op wordt uitgeoefend. Het is niet omdat een voorwerp in een cirkelvormig baan beweegt dat er een (middelpuntvliedende) kracht ontstaat.

Bij een planeet die om een zon draait, speelt hetzelfde. Zonder afbuigende kracht zou de planeet rechtuit gaan. De zwaartekracht die de zon en de planeet op elkaar uitoefenen doet de planeet afbuigen. Omdat de planeet veel snelheid heeft, stort hij niet op de zon. De zwaartekracht zorgt voor de kromme baanbeweging. Hier is de zwaartekracht de afbuigende kracht. Wanneer heel precies gekeken wordt naar de situatie van één zon en één planeet, dan draait niet de planeet om de zon, maar draaien zij beide om hun gemeenschappelijke zwaartepunt. Omdat een zon in het algemeen veel groter is dan de planeet ligt dat gemeenschappelijke zwaartepunt vlak bij het zwaartepunt van de zon, vaak diep in die zon. Op het moment dat de zwaartekracht weg zou vallen (wat onmogelijk is), dan zouden beide hemellichamen vanaf dat moment bewegen in een rechte lijn volgens de richting en met de snelheid die ze op het moment van het wegvallen hadden.

Bij een persoon die een steen ronddraait aan een touwtje, zorgt de spankracht in het touw voor de benodigde afbuigende kracht. De trekkracht in het touwtje zorgt voor de kromme baanbeweging van de steen. Tegelijkertijd wordt een tegengestelde kracht uitgeoefend op de persoon die het touwtje vasthoudt.

InertieBewerken

De eerste twee wetten van Newton kan men ook lezen als: een voorwerp verzet zich tegen een verandering van zijn bewegingstoestand. Die verandering kan een versnelling of vertraging zijn maar ook een richtingsverandering. Men zegt dat een voorwerp een zekere traagheid heeft, een 'inertie'. Men kan ook zeggen dat elke verandering een traagheidsreactie uitlokt, een tegenwerkende traagheidskracht. Als een auto versnelt, dan duwt de grond de wielen vooruit. Dat lokt een traagheidskracht uit, die naar achter gericht is en die in het massacentrum van de auto aangrijpt. Die traagheidskracht grijpt aan boven de krachten op de wielen, waardoor de auto een beetje gedraaid wordt: de neus gaat omhoog en de achterbumper omlaag. Dat is een zeer intuïtieve en visuele uitleg. In feite wordt hiermede een dynamische situatie, waarbij men moet stellen dat de som van de krachten gelijk is aan massa x versnelling, vervangen door een evenwicht van krachten, een situatie waarbij de som van alle krachten nul is. Dat is intuïtief veel duidelijker omdat er geen intuïtief zicht is op versnellingen. Er is niemand die spontaan aanvoelt dat een punt dat op een cirkel beweegt, een middelpuntzoekende versnelling heeft. Ook de middelpuntvliedende kracht is dan een traagheidskracht die optreedt als een voorwerp van richting verandert.

Wiskundig komt het erop neer dan men in de formule:
 
de term  , die de dimensie heeft van een kracht, naar het andere lid overbrengt en de die   dan interpreteert als een kracht in tegengestelde zin van de versnelling.

Dat een fietser naar binnen moet hellen in een bocht, verklaart men dan door vier krachten te beschouwen. In het zwaartepunt grijpt de zwaartekracht aan. Als men een middelpuntvliedende kracht invoert, dan grijpt die ook aan in het zwaartepunt een duwt de fietser naar buiten. De som van gewicht en middelpuntvliedende kracht is een kracht die schuin naar buiten wijst. De fietser moet nu naar binnen hellen zodat die resultante door het contact van zijn band met de grond passeert. Daar treden dan gelijke en tegengestelde krachten op, een kracht naar boven die het gewicht moet opvangen en een zijdelingse kracht naar binnen die de middelpuntvliedende kracht moet opvangen, zodat de som van alle krachten nul is. De eis dat die resultante door het contactpunt met de grond moet passeren houdt verband met de eis dat ook de som van de momenten van alle krachten nul moet zijn voor evenwicht.

BerekeningenBewerken

De afbuigende kracht die nodig is om een voorwerp met een snelheid   en een massa   op een afstand   van een middelpunt in een cirkelvormige baan rond dat middelpunt te laten bewegen wordt gegeven door:

 

Uitgedrukt in de hoeksnelheid   wordt dit:

 

Voor de hoeksnelheid geldt:

 

waarin   het aantal omwentelingen per tijdseenheid is en   de omwentelingstijd.

Werkt men met MKS-eenheden (meter, kilogram, seconde) dan zijn de eenheden voor deze formules: N(ewton) voor kracht, kg (kilogram) voor massa, m(eter) voor lengte, m/s (meter/seconde) voor de snelheid en rad/s (radialen/seconde) voor de hoeksnelheid.

VoorbeeldenBewerken

  • Een praktische toepassing van de massatraagheidkracht is de centrifugaalregelaar, die het toerental van een (stoom)machine regelt. Aan de buitenzijde van een as worden twee metalen bollen gemonteerd, die van deze as weg kunnen draaien, maar door veren naar de as worden gedrukt. Vanuit de draaiende as bekeken, lijkt een middelpuntvliedende kracht de bollen naar buiten te duwen. De bollen oefenen zo een kracht uit op stangen, die daardoor een kraan verder afsluiten om de stoom- of brandstoftoevoer te verminderen. Zie ook centrifugaalkoppeling.
  • Een ander voorbeeld is wasgoed dat in een centrifuge wordt gedroogd: de trommel met natte was wordt snel rondgedraaid. Het wasgoed wordt door de trommel in een cirkelbeweging gedwongen. Vanuit de draaiende trommel beschouwd, lijkt dan een middelpuntvliedende kracht het wasgoed tegen de trommel te drukken. Deze druk perst het water uit het wasgoed. Daar de trommel geperforeerd is verlaat het water de trommel op die plaats.
  • Het is mogelijk een emmer met water horizontaal of verticaal rond te draaien zonder dat het water uit de emmer loopt. Hier blijft het water juist in de emmer zitten door zijn traagheid, ook al is de stand van de emmer vrijwel horizontaal, of zelfs ondersteboven. Gezien vanuit de ronddraaiende emmer, lijkt het dat een middelpuntvliedende kracht het water naar de bodem van de emmer drukt.

Zie ookBewerken