Was ist der Unterschied zwischen Zentripetal- und Zentrifugalkraft?

Zwei der gegebenen Antworten – Wahlmöglichkeiten (2) und (3) – sind in unterschiedlichen Bezugssystemen richtig. Es hängt vom Bezugssystem des Beobachters ab :

• In einem unbeschleunigten Bezugssystem existieren keine Zentrifugalkräfte. Ein zunehmender Anstellwinkel erhöht die Zentripetalkraft , was die Wendegeschwindigkeit erhöht. Die Reaktionskraft der Zentripetalkraft ist die dem Flugzeug innewohnende Kraft.

• Ein Passagier im Flugzeug beobachtet das Szenario aus einem beschleunigten Referenzsystem . Das Flugzeug dreht sich ohne ersichtlichen Grund. Der Körper des Passagiers möchte sich geradeaus bewegen und scheint eine Kraft auf den Sitz auszuüben. Diese virtuelle Kraft wird Zentrifugalkraft genannt . Der Sitz scheint darauf zu reagieren, indem er den Körper mit der gleichen Kraft abstützt. Wenn der Pilot den Anstellwinkel der ausbalancierten Kurve erhöht, erhöht sich die Zentrifugalkraft. Der Beobachter innerhalb des rotierenden Systems ist sich der Zentripetalkraft nicht bewusst. Die Zentripetalkraft existiert für ihn nicht.

Zentripetal- und Zentrifugalkräfte koexistieren niemals im selben Bezugssystem! Auch wenn sie wie Gegenkräfte erscheinen mögen, sollten sie nicht so verstanden werden.

Fliehkraft ist ein Konstrukt zur Erklärung unserer Wahrnehmung und manchmal auch zur Vereinfachung von Berechnungen in rotierenden Bezugssystemen.

Zwischen den beiden ist die Zentripetalkraft der grundlegendere Begriff . Es beschreibt wirklich, was vor sich geht, daher ist (2) aus wissenschaftlicher Sicht die bessere Antwort. Dennoch ist (3) Zentrifugalkraft eine gültige Antwort, wenn der Bezug zu einem rotierenden System hergestellt wird. Das scheint in der Frage der Fall zu sein. Die Fliehkraft beschreibt, was ein Insasse empfindet, der die Rotation nicht wahrnimmt.

Das ist alles falsch. Bei einer Kreisbewegung kann es kein Kräftegleichgewicht geben, sonst gäbe es keine Kreisbewegung. Für Kreisbewegungen braucht man nur die Zentripetalkraft. Zentrifugal- und Zentripetalkraft koexistieren nicht im selben Referenzrahmen, sodass sie nicht im Gleichgewicht sein oder sich gegenseitig aufheben können. Im Flugzeugbezugssystem gibt es nur Zentrifugalkraft und Schwerkraft, die beide zur resultierenden G-Last beitragen.

2. und 3. sind beide wahr, weil Zentripetal- und Zentrifugalkraft durch das Prinzip von Aktion und Reaktion (auch bekannt als Newtons drittes Bewegungsgesetz) eng miteinander verbunden sind.

Wenn Sie jedoch nur eine Antwort ankreuzen sollen, ist der Prüfer wahrscheinlich im terminologischen Sumpf um diese beiden Begriffe ertrunken und möchte in diesem Fall wahrscheinlich 2 hören.

Was ist der Unterschied zwischen den beiden?

Die Zentripetalkraft ist eine Kraft, die eine Kreisbewegung verursacht. Bei drehenden Flugzeugen ist es die horizontale Komponente des Auftriebs.

Im Gegensatz dazu ist die Zentrifugalkraft eine Trägheitskraft im Bezugssystem des sich drehenden Objekts , die die Zentripetalkraft dort ausgleicht, sodass das sich drehende Objekt – das Flugzeug – in diesem Bezugssystem an seinem Platz bleibt . In diesem Bezugssystem sind Zentripetal- und Zentrifugalkraft Aktion und Reaktion und haben als solche immer die gleiche Größe und entgegengesetzte Richtung.

In der Newtonschen klassischen Mechanik werden Trägheitskräfte „fiktiv“ genannt, weil die Bewegungsgesetze für Trägheitsbezugssysteme postuliert werden und diese Kräfte nur als Artefakt betrachtet werden, um sie auch in nicht-trägheitsbezogenen Bezugssystemen verwenden zu können. In diesem Zusammenhang ist Antwort 2. allein sinnvoller als Antwort 3. allein.

Allerdings werden in der Allgemeinen Relativitätstheorie die Trägheitskräfte, zu denen in der Allgemeinen Relativitätstheorie auch die Gravitationskraft gehört¹, in der Regel als ebenso real und alle Bezugsrahmen betrachtet wie die im freien Fall (die die Rolle der Trägheitskräfte übernehmen), also die Zentrifugalkraft ist genauso real und beide Antworten sollten angekreuzt werden.

¹ Ich habe absichtlich nicht „Schwerkraft“ geschrieben, weil das in der üblichen englischen Terminologie für die Summe der Trägheitskräfte im Bezugssystem der Erdoberfläche verwendet wird, die die Schwerkraft der Erde, die Zentrifugalkraft aufgrund der Erdrotation und die Gezeitenkräfte umfasst aufgrund von Gravitationskräften anderer Himmelskörper und Orbitalbewegungen.

Hier gibt es eigentlich zwei verschiedene Fragen. Sie haben gefragt "Was ist der Unterschied zwischen Zentripetal- und Zentrifugalkraft", aber es gibt auch eine Implikation, dass Sie wissen möchten, was die beste Antwort auf das Hausaufgabenproblem ist. Diese Antwort wird versuchen, beide Fragen zu beantworten.

Wir könnten sagen, dass in einer koordinierten Kurve mit konstanter Geschwindigkeit die tatsächliche aerodynamische Kraft gleich dem Auftriebsvektor des Flügels ist, den wir, wenn wir es wünschen, in zentripetale und vertikale Komponenten zerlegen können. Es gibt auch eine nach unten gerichtete Kraftkomponente aufgrund der Schwerkraft. Die Nettokraftkomponenten einschließlich der Schwerkraft sind in der vertikalen Dimension im Gleichgewicht, aber NICHT in der horizontalen Dimension – sonst gäbe es keine Wende.

Die Kräfte, die der Pilot „fühlt“, sind nur die wirklichen aerodynamischen Kräfte, nicht die Schwerkraft – oder vielleicht ist es anschaulicher zu sagen, dass der Pilot eine „scheinbare Kraft“ „fühlt“, die gleich groß und entgegengesetzt zur Netto-Aerodynamik ist Gewalt. Wenn also die aerodynamische Nettokraft durch die Flugzeugstruktur auf den Pilotensitz auf den Körper des Piloten übertragen wird, „fühlt“ der Pilot eine „scheinbare Kraft“, die ihn nach unten in seinen Sitz zieht, die wir, wenn wir es wünschen, in Zentrifugalkraft und nach unten zerlegen können Komponenten. Die eigentliche Ursache dieser „gefühlten“ oder „scheinbaren“ Kraft ist die auf den Körper des Piloten wirkende Beschleunigung – mit Ausnahme der Beschleunigungskomponente aufgrund der Schwerkraft. Beachten Sie, dass die Schwerkraft nicht wirklich "verursacht" die nach unten gerichtete Komponente dieser scheinbaren Kraft - wenn die Schwerkraft sofort verschwinden würde, würden sich die Flugbahn des Flugzeugs und des Piloten sofort ändern, wenn sich die Flugbahn nach oben zu einer Schleife krümme, aber der Pilot würde keine Änderung in der "scheinbaren Kraft" spüren, die drückt ihn auf den Sitz. Der grundlegende Grund dafür ist, dass die Schwerkraft "von innen heraus wirkt" und auf jedes Molekül des Körpers und des Flugzeugs des Piloten eine gleiche Beschleunigung ausübt, ohne Spannungen oder Belastungen zu verursachen (wenn man die Gezeiteneffekte ignoriert), so dass es nicht als Versuch wahrgenommen wird, das zu zerquetschen Körper des Piloten nach unten in den Sitz. (Wir müssten diesen Standpunkt ändern, wenn wir einen Bezugssystem annehmen wollten, das auf das Flugzeug zentriert ist,

Bei einer koordinierten Kurve mit konstanter Geschwindigkeit sind Schub und Luftwiderstand gleich, und das Flugzeug darf nicht seitwärts durch die Luft fliegen, sodass der Luftstrom nicht auf die Seite des Rumpfes trifft und eine aerodynamische Seitenkraft erzeugt. Die aerodynamische Nettokraft ist also einfach gleich dem Auftriebsvektor des Flügels. Diese Kraft wirkt im Bezugsrahmen des Flugzeugs direkt „nach oben“ – dh in derselben Ebene wie die vertikale Flosse – und als Reaktion darauf zieht ihn die „scheinbare Kraft“, die vom Piloten „gefühlt“ wird, gerade „nach unten“. seinen Sitz - dh in der gleichen Ebene wie die vertikale Flosse.

Was passiert nun, wenn wir den Anstellwinkel erhöhen, was zumindest vorübergehend zu einer Erhöhung des Auftriebs führt?

Nehmen wir den Standpunkt ein, die wirklichen Kräfte zu betrachten, nicht die "scheinbaren Kräfte". Wenn wir den Anstellwinkel des Flügels erhöhen, erhöhen wir die Auftriebskraft, einschließlich der vertikalen und horizontalen (zentripetalen) Komponenten. Aber wir ändern nicht die Richtung der Auftriebskraft. Zu sagen, dass wir eine Änderung der Zentripetalkraft verursacht haben, ist wahr, aber unvollständig, weil wir die Änderung der vertikalen Kraft nicht erwähnen.

Nehmen wir nun den Standpunkt ein, die "scheinbaren Kräfte" zu betrachten, nicht die wirklichen Kräfte. Wenn wir den Anstellwinkel des Flügels erhöhen, erhöhen wir die Auftriebskraft, einschließlich der vertikalen und horizontalen (zentripetalen) Komponenten. Dies bedeutet, dass die "scheinbare Kraft", die den Piloten in seinen Sitz zieht, zunimmt, einschließlich der vertikalen und horizontalen (Zentrifugal-) Komponenten. Zu sagen, dass wir eine Änderung der scheinbaren Zentrifugalkraft verursacht haben, ist wahr, aber unvollständig, weil wir die Änderung der scheinbaren vertikalen Kraft nicht erwähnen.

Wenn wir nur die Zunahme der "scheinbaren" Zentrifugalkraft beachten, könnten wir denken, dass, wenn wir den Anstellwinkel und die Auftriebskraft erhöhen, die Rutschkugel (und der Körper des Piloten) dazu neigen, sich abzulenken (zu lehnen). die Außenwand des Cockpits. Dies ist nicht der Fall – auch wenn einige der sehr fehlerhaften Diagramme, die wir in Pilotenausbildungshandbüchern und FAA-Prüfungsmaterialien sehen, uns dazu bringen könnten, anders zu denken.

Die Wahl von 2) oder 3) zur ursprünglichen Frage hängt davon ab, ob wir an realen Kräften oder "scheinbaren Kräften" interessiert sind. Aber beides ist keine vollständige Antwort, da beide die vertikalen Kraftkomponenten im Spiel ignorieren. (Wenn es eher um eine Erhöhung des Querneigungswinkels als um eine Erhöhung des Anstellwinkels ginge, wäre dies eine andere Geschichte.)

2) ist wirklich eine bessere Antwort als 3), weil die Frage nur nach Kräften fragt, nicht nach "scheinbaren Kräften".

Im spezifischen Kontext einer koordinierten Wendung könnten wir sagen, dass die "zentripetale" Kraft eine Komponente der tatsächlich wirkenden Nettokraft ist, während die "zentrifugale" Kraft eine Komponente der wahrgenommenen Kraft oder der "scheinbaren Kraft" ist, die im Spiel ist gleich und entgegengesetzt zur realen Kraft ist.

Aber allgemeiner bedeutet "zentripetal", dass in Richtung der Mitte der Kurve wirkt, die durch die gekrümmte Flugbahn definiert ist (horizontale Kurve oder Schleife oder was auch immer), während "zentrifugal" bedeutet, von der Mitte der durch die Krümmung nachgezeichneten Kurve weg zu wirken Flugbahn (horizontale Kurve oder Schleife oder was auch immer).

Wir könnten eine Diskussion über das Ausführen von Schleifen führen, die der obigen Diskussion sehr ähnlich wäre. Auch hier hätte die tatsächliche Nettokraft eine "zentripetale" Komponente - ebenso wie der Teil der tatsächlichen Nettokraft, der auf die aerodynamische Kraft zurückzuführen ist - während die "gefühlte" Kraft oder "scheinbare Kraft" eine "zentrifugale" Komponente hätte .

Es gibt jedoch andere Fälle, in denen wir eine tatsächliche aerodynamische Zentrifugalkraftkomponente erzeugen können, die die gesamte aerodynamische Zentripetalkraft reduziert, die das Flugzeug erzeugt. Es ist also nicht so einfach zu sagen, dass sich "zentripetal" immer auf reale Kraft und "zentrifugal" immer auf "scheinbare Kraft" bezieht. Beispiel – beginnend mit einer koordinierten Wende – wenden Sie jetzt viel äußeres (oberes) Seitenruder an – die Nase giert nach oben/außen, der Luftstrom trifft auf die Seite des Rumpfs und erzeugt eine aerodynamische Kraft in Richtung der hohen Flügelspitze – das ist eine echte Kraft, und Es hat eine zentrifugale Komponente, sodass die Nettozentripetalkraft verringert und die Wendegeschwindigkeit verlangsamt wird. Beachten Sie auch, dass, wenn wir diese neue aerodynamische Kraft in das Bild einfügen, die aerodynamische Gesamtkraft nicht mehr in derselben Ebene wirkt wie der Auftriebsvektor des Flügels, dh nicht mehr mit der vertikalen Finne ausgerichtet ist. Daher gleitet der Rutsch-Rutsch-Ball außermittig zur niedrigen Seite des Cockpits, und der Körper des Piloten neigt dazu, sich ebenfalls in diese Richtung zu neigen.

Und um noch eine weitere Wendung hinzuzufügen, stellen Sie sich ein Flugzeug vor, das mehrere Loopings macht, ohne anzuhalten. Was passiert am Ende jeder Schleife? Die Schwerkraft trägt eine echte Zentrifugalkraftkomponente bei, die die Krümmungsrate und den Krümmungsradius der Flugbahn beeinflusst, aber die einzige „scheinbare Kraft“, die der Pilot „fühlt“, ist die scheinbare „Zentrifugalkraft“-Komponente, die genau gleich und entgegengesetzt zu der ist aerodynamische Zentripetalkraft, die vom Flügel erzeugt wird.

Ebenso können wir uns eine Situation vorstellen, in der die aerodynamische Kraft des NET eher zentrifugal als zentripetal ist. Beispiel: Flugzeug fliegt auf einer bogenförmigen Flugbahn, wie beispielsweise der wohlbekannte Schwerelosigkeitssimulator "Vomit Comet". Wir konzentrieren uns auf den Moment an der Spitze des gekrümmten Bogens, wo „zentripetal“ dasselbe wie „erdwärts“ und „zentrifugal“ dasselbe wie „himmelwärts“ ist. Die aerodynamische Nettokraft ist null, die "scheinbare Nettokraft" ist null, die Gesamtnettokraft einschließlich der Schwerkraft ist gleich dem Gewicht des Flugzeugs und des Inhalts, die in Abwärtsrichtung (zentripetal) wirken, und die Nettobeschleunigung beträgt 1 G nach unten. Wenn wir nun dasselbe Manöver wiederholen, aber mit einem sehr geringen Auftrieb des Flügels – sagen wir 1/10 des Gesamtgewichts von Flugzeug und Inhalt –, erhalten wir fast denselben Bogen. Die aerodynamische Nettokraft beträgt 1/10 des Gewichts des Flugzeugs und des Inhalts und wirkt in Richtung des Himmels (Zentrifugalkraft), sodass die auf das Flugzeug oder auf ein beliebiges Objekt im Flugzeug wirkende "scheinbare Kraft" gleich 1/ ist. 10 das Gewicht dieses Objekts, das in Richtung der Erde (zentripetal) wirkt. Mit anderen Worten, wir „fühlen“ 1/10 „G“ der Beschleunigung in Richtung Erde. Unser G-Meter zeigt positiv 1/10 "G". Aber die Gesamtnettokraft einschließlich der Schwerkraft beträgt 9/10 des Gewichts des Flugzeugs und des Inhalts und wirkt in erdwärts gerichteter (zentripetaler) Richtung. entspricht 1/10 des Gewichts dieses Objekts und wirkt in erdwärts gerichteter (zentripetaler) Richtung. Mit anderen Worten, wir „fühlen“ 1/10 „G“ der Beschleunigung in Richtung Erde. Unser G-Meter zeigt positiv 1/10 "G". Aber die Gesamtnettokraft einschließlich der Schwerkraft beträgt 9/10 des Gewichts des Flugzeugs und des Inhalts und wirkt in erdwärts gerichteter (zentripetaler) Richtung. entspricht 1/10 des Gewichts dieses Objekts und wirkt in erdwärts gerichteter (zentripetaler) Richtung. Mit anderen Worten, wir „fühlen“ 1/10 „G“ der Beschleunigung in Richtung Erde. Unser G-Meter zeigt positiv 1/10 "G". Aber die Gesamtnettokraft einschließlich der Schwerkraft beträgt 9/10 des Gewichts des Flugzeugs und des Inhalts und wirkt in erdwärts gerichteter (zentripetaler) Richtung.

Zentripetalkraft ist die Antwort. Hoffentlich können Sie sehen, dass die Optionen 1 und 4 falsch sind, ohne dass ich es erklären muss. Ich werde stattdessen auf den Unterschied zwischen Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft eingehen.

Erstens ist die Zentrifugalkraft überhaupt keine Kraft, sondern eine wahrgenommene Kraft aufgrund der Trägheit eines Objekts, um einer Drehtendenz zu widerstehen. Bei einer koordinierten/normalen 1G-Kurve sollten Sie keine Zentrifugalkraft spüren .

Die Zentripetalkraft ist eine Kraft, die einen Körper dazu bringt, einer gekrümmten Bahn zu folgen. Wenn der Anstellwinkel erhöht wird, wird mehr Auftrieb erzeugt und somit mehr Kraft, um die Kurve auszuführen. Da die Flügel geneigt sind, bewirkt die Erhöhung des Auftriebs, dass sich das Flugzeug stärker dreht, sodass die Zentripetalkraft die richtige Antwort wäre.

BEARBEITEN: Aufgrund einiger Kommentare zu meiner Antwort habe ich beschlossen, einige Dinge klarzustellen. Erstens gibt es dort, wo Zentripetalkraft ist, Zentrifugalkraft mit zentrifugaler entgegengesetzter Zentripetalkraft. In einem Flugzeug sind jedoch viele Kräfte im Spiel. Bei einer koordinierten 1G-Kurve entspricht die horizontale Auftriebskomponente der Zentrifugalkraft (jedoch in entgegengesetzter Richtung), wie im Diagramm unten gezeigt. Daher hebt der horizontale Auftrieb die Zentrifugalkraft auf, sodass Sie die Zentrifugalkraft nicht spüren , aber das bedeutet nicht, dass die Zentrifugalkraft nicht vorhanden ist. Kräfte in einem Flugzeug können trügerisch sein, weshalb Piloten manchmal die Orientierung verlieren, wenn es keinen Horizont für eine Referenz gibt.