Middelpuntvliedende kracht

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Naar zoeken springen

Middelpuntvliedende kracht of ook 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. Men ziet dan de beweging 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 is er geen sprake van een middelpuntvliedende kracht. Om deze reden wordt deze kracht wel een schijnkracht genoemd.

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

Natuurkundige omschrijving volgens Newton[bewerken]

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

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 ene kracht plotseling ophoudt, schiet het voorwerp 'uit de bocht' en volgt vanaf dat punt een rechte lijn.

Volgens de Derde wet van Newton is er bij een actiekracht (hier de kracht die het maken van de rotatie veroorzaakt) ook altijd een reactiekracht (de kracht die op het middelpunt wordt uitgeoefend). Bij het begrip middelpuntvliedende kracht worden oorzaak en gevolg verward, anders gezegd, actiekracht en reactiekracht worden verward. Een voorwerp beweegt namelijk in een cirkelvormig baan omdat er een (afbuigende) kracht op wordt uitgeoefend. Het is niet zo dat er een (middelpuntvliedende) kracht is omdat een voorwerp in een cirkelvormig baan beweegt.

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, die soms middelpuntvliedende kracht wordt genoemd. 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 bewegen beide hemellichamen vanaf dat moment in een rechte lijn in de richting en snelheid die ze op het moment van het wegvallen hebben.

Bij persoon die een steen die ronddraait aan een touwtje, zorgt de spankracht in het touw voor de benodigde afbuigende kracht. Deze afbuigende kracht die soms middelpuntvliedende kracht wordt genoemd. Het de trekkracht in het touwtje zorgt voor de kromme baanbeweging van de steen. Tegelijkertijd wordt die kracht ook uitgeoefend op de persoon die het touwtje vasthoudt.

Inertie[bewerken]

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.

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. Omdat de fiets helt ontleden we de zwaartekracht in een component die druk op de banden en dus op de weg geeft, en in een component die de afbuigende kracht vormt, wat de fietser in staat stelt de bocht te maken. Op de banden grijpen dan vanwege het gewicht van de fiets een kracht naar boven aan die het gewicht moet opvangen, en een zijdelingse kracht die de afbuigende kracht moet opvangen. Voor het evenwicht moeten afbuigende kracht en zijdelingse kracht even groot zijn. Dat bereikt de fietser door naar binnen te hellen op de fiets.

Berekeningen[bewerken]

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.

Voorbeelden[bewerken]

  1. Een praktische toepassing van de massatraagheid kracht is de centrifugaalregelaar die het toerental van een (stoom)machine regelt. Aan de buitenzijde van een as worden gewichten, vaak metalen bollen, gemonteerd. Door middel van veren worden deze bollen tegen de as gedrukt. Als de as te snel gaat draaien bieden de veren te weinig afbuigende kracht, waardoor de bollen niet langer tegen de as aan liggen, maar al roterend van de as af bewegen. Ze oefenen zo een kracht uit op de ophanging, die daardoor uitwijkt en zo een kraan meer afsluit om de stoomdruk of brandstoftoevoer te verminderen. Zie ook centrifugaalkoppeling.
  2. Een ander voorbeeld is wasgoed dat in een centrifuge wordt gedroogd: de trommel met natte was wordt snel rondgedraaid. Het wasgoed wordt door de afbuigende kracht tegen de trommel gedrukt. Deze druk perst het water uit het wasgoed. Daar de trommel geperforeerd is verlaat het water de trommel op die plaats, omdat het bij de gaatjes geen afbuigende kracht ondervind.
  3. 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 in de emmer juist in de emmer zitten door zijn traagheid, ook al heeft de emmer een vrijwel horizontale stand, of zelfs korte tijd omgekeerd is.
  4. Een passagier in een voertuig: als het voertuig door een bocht gaat wordt de afbuigende kracht ook op de passagier over gebracht, door wrijving tussen de stoel en de passagier, of in extremere gevallen door de zijkant van de auto. Hierdoor maakt de passagier de bocht van de auto mee.
  5. Als een auto een bocht maakt, moeten de banden de grip leveren om de auto te doen afwijken van een rechte lijn; hoe scherper de bocht of hoe groter de snelheid, hoe meer grip er nodig is. De formules boven leren ons dat de snelheid veel belangrijker is dan de straal van de bocht. De benodigde grip neemt kwadratisch toe met de snelheid en lineair met de kromtestraal van een bocht De stoelen en gordels van de auto moeten tegen de passagiers drukken om de passagiers door de bocht te laten gaan.
  6. Bij het nemen van een bocht met de fiets heeft de fietser een afbuigende kracht nodig die hem de bocht in duwt. Om die kracht op te wekken gaat hij naar binnen hellen met zijn fiets.

Zie ook[bewerken]