مفهوم القوة الطاردة المركزية

تُعرف القوة الطاردة المركزية (بالإنجليزية: Centrifugal Force) أيضًا باسم قوة الطرد المركزي، وهي عبارة عن قوة وهمية خاصة بالجسيم الذي يتحرك في مسار دائري، وهي تمتلك نفس مقدار وأبعاد القوة التي تحافظ على بقاء الجسيم في مساره الدائري، دون أن يحرف عنه، والتي تعرف باسم قوة الجذب المركزي (بالإنجليزية: Centripetal Force)، ولكنها تُشير في الاتجاه المعاكس لها، وهذا يعني أن قوة الطرد المركزي وقوة الجذب المركزي هما قوتان متساويتان في المقدار، ومتعاكستان في الاتجاه.[١][٢]


مثال لتوضيح مفهوم القوة الطاردة المركزية

عند ربط حجر بخيط له طول محدد في نهاية عمود مثبت على الأرض، وجعله يدور في مستوى أفقي بسرعة ثابتة، فإن الحجر سوف يغير باستمرار اتجاه سرعته، مما يؤدي إلى امتلاكه لتسارع باتجاه العمود أو باتجاه مركز الدائرة التي يدور فيها، ويكون مقدار هذا التسارع المركزي مساويًا لمربع سرعة الحجر مقسومًا على طول الخيط (طول الخيط يكون مساوياً لنصف قطر المسار الدائري للحجر).[١]


وفقًا لقانون نيوتن الثاني، ينتج التسارع عن قوة، والتي تكون في هذه الحالة هي قوة الشد في الخيط نحو العمود أو نحو مركز المسار الدائري، وإذا كان الحجر يتحرك بسرعة ثابتة، وتم إهمال تأثير الجاذبية، فإن قوة الشد في الحبل تكون القوة الوحيدة المؤثرة على الحجر، أما إذا انقطع الخيط، فإن الحجر سوف يستمر في الحركة في خط مستقيم يُشكل مماس لمساره الدائري السابق؛ بسبب قصوره الذاتي، ولا يتحرك في الاتجاه الخارجي لمساره الدائري، وكأن قوة الطرد المركزي هي قوة حقيقية تؤثر عليه بالفعل، وليست وهمية؛ على الرغم من أنها ليست قوة حقيقية بالطبع.[١]




يتم افتراض وجود قوة الطرد المركزي الوهمية عند حركة الجسميات في مسارات دائرية؛ للحصول على نظام قوة متوازن، وذلك لتوفير توازن بين قوة الطرد المركزي (التي تشير بعيدًا عن مركز الدائرة)، وقوة الجذب المركزي (التي تشير نحو مركز الدائرة)، وذلك حتى تكون قوانين نيوتن قابلة للتطبيق في مثل هذا الإطار المرجعي الدوار.




العوامل المؤثرة في مقدار القوة الطاردة المركزية

يوجد مجموعة من العوامل التي تؤثر في مقدار قوة الطرد المركزي، وهي كالآتي:[١][٢]

  • سرعة دوران الجسيم في مساره الدائري.
  • كتلة الجسيم الذي يدور في المسار الدائري.
  • نصف قطر المسار الدائري للجسيم، وهو عبارة عن المسافة الفاصلة بين موقع الجسيم ومركز المسار الدائري أو المنحنى.


تكون العلاقة بين قوة الطرد المركزي وسرعة الجسم وكتلته علاقة طردية، أما العلاقة بين قوة الطرد المركزي ونصف قطر المسار الدائري فهي علاقة عكسية، حيث تؤدي زيادة سرعة دوران الجسم، أو زيادة كتلته، أو تقليل نصف القطر؛ إلى زيادة قوة الطرد المركزي، والعكس صحيح أيضًا.[١][٢]


قانون حساب القوة الطاردة المركزية

يتم حساب القوة الطاردة المركزية بالاعتماد على قانون قوة الجذب المركزي، ولكن مع وضع إشارة سالبة للدلالة على أنها تعاكسها في الاتجاه، وذلك كالآتي:[٢][٣]


القوة الطاردة المركزية = - (مربع سرعة الجسم × كتلة الجسم) / نصف قطر المسار الدائري للجسم

بالرموز:

F = -mv2 / r


حيث إن:

  • F: القوة الطاردة المركزية، وتقاس بوحدة النيوتن.
  • m: كتلة الجسم وتقاس بوحدة الكيلو غرام.
  • v: سرعة دوران الجسم، وتقاس بوحدة المتر لكل ثانية تربيع.
  • r: نصف قطر المسار الدائري للجسم، ويقاس بوحدة المتر.



السؤال:

حجر كتلته 150 جراماً، يتم تدويره في مسار دائري بشكل أفقي، بسرعة مقدارها 10 أمتار/ثانية، وهو متصل بنهاية خيط طوله 1 متر، احسب مقدار قوة الطرد المركزي المؤثرة على الحجر؟



الحل:

F = -mv2 / r

F = -(0.15)(10)2 / (1)

F = -(0.15)(10)2 / (1)

F = -(0.15)(100)

F = -15


إذًا:

قوة الطرد المركزي = 15 نيوتن بالاتجاه الخارجي، أو بعيدًا عن مركز المسار الدائري للحجر.





المراجع

  1. ^ أ ب ت ث ج "centrifugal force", britannica, Retrieved 23/1/2023. Edited.
  2. ^ أ ب ت ث "What are centrifugal and centripetal forces?", livescience, Retrieved 23/1/2023. Edited.
  3. "Centripetal and Centrifugal Force Questions", byjus, Retrieved 23/1/2023. Edited.