Wie erklären wir das Trotzen der Schwerkraft durch Objekte an der Wand einer rotierenden Trommel?

Ich denke, Sie fragen nach der vertikalen Kraft, nicht nach der horizontalen Normalkraft.

Steht die Wand senkrecht, ist Haftreibung die einzige Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Durch die Fliehkraft werden die Reiter an die Wand gedrückt. Die normale Reaktionskraft ist gleich der Zentrifugalkraft. Die maximale Tangentialkraft$F$die Haftreibung liefern kann, nimmt bei normaler Reaktion zu$N$:$F \le \mu N$Wo$\mu$ist der Haftreibungskoeffizient. Wenn die Zentrifugalkraft hoch ist, ist die Haftreibung groß genug, um dem Gewicht des Fahrers zu entsprechen und verhindert, dass er nach unten rutscht.

Die Reiter starten mit den Füßen auf dem Boden. Wenn die Geschwindigkeit der Trommel zunimmt, nimmt die durch die Wand bereitgestellte Haftreibung zu. Sie können die Wand hochklettern und sich darauf legen. Wenn die Trommel aufhört sich zu drehen, gibt es keine Zentrifugalkraft und keine Normalkraft. Die Haftreibungskraft sinkt auf null und die Reiter rutschen die Wand hinunter.

Wenn die Wände dann nicht rau sind$\mu$ist klein. Dann ist die Haftreibung nicht groß genug, um das Gewicht der Fahrer zu tragen, sodass sie nicht die Wand hochklettern können und wieder nach unten rutschen, wenn sie es versuchen.

Dieser Stunt kann auch ausgeführt werden, wenn die Wände in einem kleinen Winkel nach außen geneigt sind$\theta$senkrecht, auch wenn sie glatt sind. Dies passiert auch bei überhöhten Straßen - siehe Wie ist eine kreisförmige Bewegung auf einer überhöhten Straße möglich, wenn es keine Reibung gibt? In diesem Fall gibt es keine Haftreibungskraft, sondern nur die Normalkraft. Es gibt eine Komponente der Normalkraft in vertikaler Richtung ($N\sin\theta$), die der Schwerkraft entgegenwirkt. Die Komponente der Normalkraft in horizontaler Richtung ($N\cos\theta$) liefert die Zentripetalkraft, die erforderlich ist, um die Fahrer im Kreis zu bewegen.

Ich verstehe, dass die zentripetale Beschleunigung (die Normalkraft und damit Reibung bereitstellt) durch eine Nettokraft in zentripetaler Richtung bereitgestellt werden muss. Was jedoch in diesem Problem diese Kraft bereitstellt.

Wird eine Kraft durch eine Beschleunigung verursacht? Denken Sie lieber umgekehrt: Wir sehen Beschleunigung um uns herum in dieser Welt, also werfen wir die Frage auf, was eine solche Beschleunigung verursacht. Diese „Ursache“ wird dann als Kraft bezeichnet (und folgt dem 2. Gesetz von Newton). Die Beschleunigung wird also durch eine Kraft verursacht. Die Zentripetalbeschleunigung wird hier durch die Normalkraft verursacht . Nicht umgekehrt.

Nun, wie kann das sein...

Stellen Sie sich vor, Sie fahren schnell und plötzlich dreht Ihr Auto. Ihr Körper "will" (aufgrund seiner Trägheit) weiter nach vorne, aber das Auto bewegt sich jetzt seitwärts. Es pusht dich also mit.

Mit anderen Worten, das Auto fährt in Sie hinein . Hier tritt die Normalkraft auf. Diese Normalkraft bewirkt, dass Sie sich mit dem Auto mitbewegen, dh Sie bekommen eine seitliche Beschleunigung. (Wäre das Auto nicht in der Lage, eine ausreichend große Normalkraft auszuüben, um die notwendige Beschleunigung zu bewirken, würden Sie die Seite des Autos durchbrechen.)

In der rotierenden Trommel in Ihrem Bild dreht sich die Wand ständig und schiebt die Menschen und Gegenstände mit. Sie „wollen“ mit ihrer erlernten Geschwindigkeit geradeaus weiterfahren, müssten dafür aber die Trommelwand „durchbrechen“. Diese Wand übt eine Normalkraft aus, um dies zu vermeiden, und diese Normalkraft bewirkt, dass sie beschleunigt werden. Die Tatsache, dass dies ständig und kontinuierlich um eine Kurve herum geschieht, ergibt die Kreisbewegung und lässt uns diese Beschleunigung als zentripetal bezeichnen .