Zentripetal- und Zentrifugalkraft

Bleibt Wasser in einem Wassereimer, der um eine Kreisbahn gewirbelt wird, bleibt das Wasser im Eimer. Aber liegt es an der Zentripetalkraft oder an der Trägheit? Ich bin verwirrt von all den unterschiedlichen Antworten, die ich aus verschiedenen Quellen bekomme.

Es sind nur zwei unterschiedliche Arten, dasselbe Phänomen zu beschreiben. „Zentrifugalkraft“ ist Teil einer mathematischen Beschreibung dessen, wie es sich anfühlen würde, wenn man in dem Eimer sitzen könnte. „Zentripetalbeschleunigung“ ist Teil einer mathematischen Erklärung dafür, was Sie sehen würden, wenn Sie etwas abseits stehen und zusehen würden, wie jemand anderes den Eimer über seinen Kopf schwingt.

Antworten (3)

Bewegt sich ein an einer Schnur aufgehängter Körper der Masse m, geschweige denn gleichförmig, auf einem relativ zum Boden fixierten Kreis, so wendet ein Beobachter G am Boden das 2. Newtonsche Gesetz an:

(01) F = M ⋅ A
und findet die Beziehung zwischen der Kraft F und die Beschleunigung A . Für den Beobachter G existiert eine "echte" Kraft, die Spannung der Saite. Diese Kraft ist die Zentripetalkraft , die den Körper kontinuierlich zur Mitte zieht. Natürlich A ist die Zentripetalbeschleunigung. Beobachter G ist berechtigt, das Gesetz zu verwenden, da er (oder sie) sich auf einem Inertialsystem (auch Newtonsches System genannt) befindet.

Für einen masselosen Beobachter B am Körper existiert auch die „wirkliche“ Kraft F ' = F , die Spannung der Saite. Der Körper ist also relativ zu ihm bewegungslos A ' = 0 . Beobachter B begegnet einem Widerspruch unter Verwendung des 2. Newtonschen Gesetzes:

(02) F ' = M ⋅ A ' = 0 , FALSCH
Dies liegt daran, dass das System des Beobachters B relativ zum Inertialsystem G beschleunigt wird, es also kein Inertialsystem ist und B nicht berechtigt ist, das 2. Newtonsche Gesetz anzuwenden. Um das Gesetz anzuwenden, ist es notwendig, eine "virtuelle" Kraft einzuführen A ' = − M ⋅ A und wende das Gesetz an:
(03) F ' + A ' = F − M ⋅ A = 0 , WAHR
Diese Kraft A ' ist eine sogenannte Trägheitskraft und in unserem Fall die Zentrifugalkraft , die Beobachter am Körper spüren, um sie vom Zentrum wegzudrücken. Im Allgemeinen treten Trägheitskräfte in Nicht-Trägheitssystemen auf und werden eingeführt, um die Newtonschen Gesetze in diesen Systemen korrekt anzuwenden.

Das bedeutet also, dass die Trägheitskraft A', die Zentrifugalkraft, das Wasser im Eimer hält? @Frobenius
@Al-: Was passiert, hängt davon ab, welcher Beobachter Sie sind: (a) Wenn Sie der Beobachter G am Boden sind, sehen Sie keine Zentrifugalkraft. Du hast eine Zentripetalkraft F (in unserem Fall die von den Wänden des Eimers auf das Wasser ausgeübte), die das Wasser dazu zwingt, sich auf einem Kreis zu bewegen. (b) Wenn Sie der Beobachter B auf dem Eimer sind, sehen Sie die Zentrifugalkraft A ' um die Zentripetalkraft aufzuheben, sodass Sie das Wasser und den Eimer in Ruhe relativ zu sich sehen.
Bedeutet dies, dass die Zentripetalkraft das Wasser im Eimer hält oder Trägheit?
@Al-: Bitte lesen Sie meine Antwort und den obigen Kommentar. „ .....; und die richtige Frage zu stellen ist oft mehr als der halbe Weg zur Lösung des Problems. “ W.HEISENBERG in PHYSIK UND PHILOSOPHIE, 1958.
Ich habe Ihre Antwort mehrmals gelesen, aber wie gesagt, all die verschiedenen Antworten sind verwirrend und Ihre ist auch nicht klar, da Sie mir keine klare Antwort geben.
Die Frage "was hält das Wasser im Eimer" ist vielleicht nicht so gut formuliert, wie sie könnte. Wenn Sie "was das Wasser im Kreis bewegt" meinen, beantwortet die Antwort von @Frobenius das vollständig. Wenn Sie meinen "was verhindert, dass das Wasser fällt, wenn der Eimer umgedreht wird?", ist das anders. Die Antwort auf diese Frage lautet, dass für eine gegebene Tangentialgeschwindigkeit des Eimers (und des nachfolgenden Wassers) die Schwerkraft kleiner oder gleich der Zentripetalkraft ist, die erforderlich ist, um eine Kreisbewegung aufrechtzuerhalten.

Beachten Sie, dass Sie den Eimer mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit schwingen müssen, damit das Wasser darin bleibt. Diese Mindestgeschwindigkeit ist so, dass, wenn sich der Eimer am oberen Ende des Bogens befindet, das Seil den Eimer schneller nach unten beschleunigt als die Schwerkraft das Wasser nach unten beschleunigt . Sonst tropft das Wasser heraus.

Wenn sich Wasserpartikel auf einer Kreisbahn bewegen, liegt dies an einer Nettokraft in Richtung Zentrum. Diese Nettokraft wird gewöhnlich als " Zentripetalkraft" bezeichnet .

Setzen Sie niemals Zentrifugalkraft in die Beschreibung. Es ist keine Kraft, sondern nur ein Name für das "Gefühl", dass Ihr Körper (oder in diesem Fall Wasserpartikel) sich aus der Kreisbewegung herausbewegen möchte, es aber nicht kann.

aber nehmen wir an, die Trägheit ist die Zentrifugalkraft, auch wenn die Zentrifugalkraft nicht existiert, aber sie wäre das Gegenteil der Zentripetalkraft, oder?
@Steeven: Siehe jedoch das "obligatorische xkcd" im 1. Kommentar des von Pentan geposteten Links.
Zentripetal- und Zentrifugalkraft
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