قاعدة قوة الطرد المركزي

ما هي قوة الطرد المركزي؟

تعرف قوة الطرد المركزي (بالإنجليزية: Centrifugal Force) بأنها قوة وهمية خاصة بالأجسام التي تتحرك في مسار دائري، وهي تمتلك نفس حجم وأبعاد قوة الجاذبية التي تحافظ على حركة الجسيم في مساره، ولكن باتجاهٍ معاكسٍ لها.^[١]

لتوضيح مفهوم قوة الطرد المركزي بمثال بسيط؛ يمكن ربط هذا الموضوع بحجر مربوط بعامود على الأرض بواسطة خيط، ويتحرك هذا الحجر أفقيًا ويتغير اتجاه سرعة هاذ الحجر باستمرار؛ وبالتالي فإن له تسارعًا باتجاه العامود، وتبلغ قيمة هذا التسارع مربع السرعة مقسومًا على طول الخيط، ووفقًا لقانون نيوتن الثاني فإن التسارع ينتج عن قوة، وفي هذه الحالة يكون التسارع ناتجًا عن الشد في الخيط، وإذا كان الحجر يتحرك بسرعة ثابتة وبإهمال الجاذبية؛ فإن قوة شد الخيط المتجه للداخل هي القوة الوحيدة المؤثرة على الحجر، وفي حال انقطاع الخيط فإن الحجر سيستمر في السير في خط مستقيم مماس لمساره الدائري السابق؛ وذلك بسبب القصور الذاتي ولن يتحرك في الاتجاه الخارجي أبدًا.^[١]

ما سبب الاهتمام بقوة الطرد المركزي على الرغم من كونها وهمية؟

يعود السبب في هذا الاهتمام إلى كون قوة الطرد المركزي يمكن أن تكون حقيقية جدًا وخاصة فيما يتعلق بإطار مرجعي دوار، حيث تتسبب هذه القوة في تسريع الجسيمات والمواد الموجودة في إطار مرجعي دوار بعيدًا عن مركز الدوران، فمثلاً الغسالات، وأجهزة الطرد المركزي المستخدمة في تخصيب اليورانيوم، وكذلك أجهزة الطرد المركزي المستخدمة في مختبرات الأحياء؛ تعتمد على حقيقة وجود هذه القوة، ومع ذلك فإن هذه القوة هي قوة قصور الذاتي؛ مما يعني أنها ناتجة عن حركة الإطار المرجعي نفسه وليس بسبب أي قوة خارجية.^[٢]

وتنشأ هذه الغرابة من الحقيقة المتعارفة بكون القوة تأخذ معناها المتوقع فقط في قوانين نيوتن عندما تكون في أُطر غير دوارة، أما في الأطر المرجعية الدوارة فإن قوانين نيوتن تتخذ شكلًا أكثر تعقيداً، ويمكن جعلها تبدو مثل قوانين نيوتن العادية إذا تم التعامل مع الأجزاء الإضافية في المعادلات كقوى قصور ذاتية.^[٢]

ما هي طريقة حساب قوة الطرد المركزي؟

لحساب مقدار قوة الطرد المركزي يجب تطبيق القانون الآتي؛ حيث تقاس قوة الطرد المركزي بوحدة نيوتن، وكتلة الجسم تقاس بوحدة الكيلوغرام، أما مربع السرعة فيقاس بوحدة ال المتر/ ثانية، ووحدة نصف القطر هي المتر:^[٣]

قوة الطرد المركزي (FC)= كتلة الجسيم () × مربع السرعة ()/ نصف قطر الحبل ()

مثال: يلعب شخص وزنه 70 رطلًا بإحدى الألعاب المرحة الدوارة، حيث يقف على حافة الركوب ممسكًا بالقضيب المعدني للعبة، ويبلغ قطر دوامة اللعبة 3 أمتار، وتكمل الرحلة دورة واحدة خلال مدة زمنية مقدارها 4 ثوانٍ، احسب قوة الطرد المركزي التي يجب على الشخص بذلها للبقاء في الطريق؟^[٣]

الحل:

لحساب قوة الطرد المركزي يجب أولاً تحويل كتلة الجسم من باوند إلى كغ وحساب السرعة أيضًا، وذلك كالآتي:

• كتلة الجسم بالكيلوغرام= 70 × 0.454 = 32 كيلو غرام
• محيط الركوب الدائري أو المسافة التي يقطعها الرجل هو قطر الدوامة مضروبًا في (π) = 3 × 3.14، وبهذا فإن المسافة تساوي 9.4 متر.
• السرعة= المسافة / الزمن = 9.4 /4= 2.35 م/ ث
• قوة الطرد المركزي (FC)= كتلة الجسيم () × مربع السرعة ()/ نصف قطر الحبل ()
• قوة الطرد المركزي (FC)= ( 2.35 × 32 )/ 1.5
• قوة الطرد المركزي (FC)= 118 نيوتن.