Ist die Kraft, die einen Körper auf einer rotierenden Scheibe nach außen schleudert, Fliehkraft?

Keine Kraft wirft es nach außen.

Es gibt auch keine Kraft, die es nach innen zieht . Daher folgt es nicht der Kreisbewegung. Eine solche Kraft wäre zum Beispiel Reibung gewesen. Stattdessen geht es einfach geradeaus weiter, weg von der Scheibe.

Alles in allem, wenn ein Objekt eine Geschwindigkeit hat, bewegt es sich mit dieser Geschwindigkeit weiter, bis es von einer Kraft angezogen wird. Wie ein Raumschiff, das mühelos mit konstanter Geschwindigkeit für immer dahintreibt. Wenn das Objekt in der Scheibe eine Anfangsgeschwindigkeit hat und die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe plötzlich zu hoch eingestellt wird, um dem Objekt zu folgen, dann wird das Objekt dazu neigen, mit dieser Geschwindigkeit geradeaus weiterzufahren. Und das bedeutet weg von der Platte.

Dadurch, dass es in einer Nut steckt, kann es von den Seiten darauf drücken. Dass er sich aber überhaupt nach außen bewegt, liegt an der oben beschriebenen Tendenz, mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus weiterzufahren.

"Zentrifugalkraft" existiert tatsächlich nicht.

Nehmen wir für die folgende Diskussion an, dass im System eine vernachlässigbare Reibung vorhanden ist.

Sie haben Recht, wenn Sie sagen, dass es keine Zentrifugalkraft gibt, wenn wir das Objekt aus einem Trägheitsrahmen betrachten (sagen wir, wir sind diejenigen, die begonnen haben, den Apparat zu drehen). Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber ich denke, der Kern Ihrer Frage liegt darin, wie wir in unserem Trägheitssystem erklären, warum sich das Objekt nach außen bewegt, wenn keine Radialkraft es nach außen drückt.

Beachten Sie, dass auf das Objekt eine Kraft wirkt . Dies ist die Kraft, die von der Rille aufgebracht wird, damit sich das Objekt mit der Rille mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit weiterbewegt. Diese Kraft wirkt immer senkrecht zur Rille, also ändert diese Kraft in unserem Inertialsystem immer ihre Richtung.

Betrachten wir nun eine kleine Änderung in der Zeit. Die Richtung der Rille ändert sich, aber unser Objekt hat Trägheit. Die Geschwindigkeit kann sich aufgrund der Trägheit (Masse) des Objekts nicht so ändern, dass sie perfekt senkrecht zur neuen Rillenposition ist. Daher nimmt die Geschwindigkeit eine Komponente auf, die parallel zur Rille ist. Das ist die „Fliehkraft“ im Trägheitsrahmen. Es ist die Trägheit des Objekts zusammen mit seiner Beschränkung, sich zusammen mit der Rille zu drehen. Es gibt keine Kraft, die diese Komponente dazu bringen kann, sich zu bewegen$0$In diesem System kann sich das Objekt nicht im Kreis bewegen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zentrifugalkraft selbst nur von der Trägheit des Objekts herrührt. Das Objekt möchte sich weiterhin tangential zum Kreis bewegen, was bedeuten würde, dass es sich vom Rotationszentrum wegbewegt. Auch wenn einige die von der Nut gelieferte Kraft auf das Objekt abtun mögen, ist dies letztendlich die einzige Kraft, die auf das Objekt in unserem Trägheitssystem wirkt, also muss diese Kraft für das Ganze verantwortlich sein Bewegung des Objekts.

Beiseite:

Was mich schon seit einiger Zeit stört, ist, dass dies nicht erklärt, warum die Geschwindigkeit des Objekts vom Rotationszentrum nach außen so stark zunimmt. Nachdem ich versucht habe, dieses System nur mit der von der Rille ausgeübten Kraft zu simulieren, habe ich festgestellt, dass die enorme Zunahme der Geschwindigkeit nach außen darauf zurückzuführen ist, dass die von der Rille auf das Objekt ausgeübte Kraft nicht konstant ist . Dies liegt daran, dass das Drehmoment, das das Objekt auf die Scheibe ausübt, zunimmt, wenn sich das Objekt nach außen bewegt (die Kraft ist die Normalkraft, und der Abstand von der Mitte der Scheibe nimmt daher zu$\tau=Fr$nimmt zu. Wenn Sie speziell das Training durchführen, muss das Drehmoment sein$\tau=2m\omega r \dot r$).

Dies bedeutet, dass das Mittel, das die Scheibe dazu bringt, sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit zu drehen, sein aufgebrachtes Drehmoment erhöhen muss, damit die Scheibe mit einem konstanten Drehimpuls rotiert. Daher erfährt das Objekt eine Kraft, die an Größe zunimmt, während es die Richtung um die Scheibe herum ändert. Hier kommt die zusätzliche Energie her, die es dem Objekt ermöglicht, seine Geschwindigkeit drastisch zu erhöhen. Im rotierenden Rahmen wird diese Kraft durch die Coriolis-Kraft genau aufgehoben. In unserem Inertialsystem ist es jedoch diese zunehmende Normalkraft, die bewirkt, dass das Objekt beim Herausbewegen an Geschwindigkeit zunimmt. Wenn die Scheibe tatsächlich mit einer anfänglichen Winkelgeschwindigkeit beginnt und sich selbst überlassen wird, nimmt die Winkelgeschwindigkeit in Richtung ab$0$und das Objekt bewegt sich aufgrund des Fehlens der "Zentrifugalkraft" mit konstanter Geschwindigkeit vom Rotationszentrum weg.

Auf den Gegenstand in der Nut wirkt tatsächlich eine Kraft. Diese Kraft kommt von der Drehung der Scheibe - sie drückt das Objekt in eine Richtung senkrecht zum Radius, auf dem das Objekt liegt (die Richtung ist tangential zur "erwarteten" Kreisbahn).

Ab da übernimmt der Coriolis-Effekt. Die Kraft wirkt in linearer Richtung. Die Tatsache, dass sich diese Richtung ständig ändert, löscht nicht die Tatsache aus, dass es zu jedem Zeitpunkt nur eine Richtung gibt. Diese Richtung ist nicht "um den Kreis herum", sondern auf die Außenkante der Scheibe gerichtet. Das Objekt bewegt sich "nach außen", weil jeder Kraftvektor, der senkrecht zu dem Radius steht, auf dem das Objekt liegt, notwendigerweise tangential zu dem Kreis ist, in dem sich das Objekt bewegen würde, wenn es an der Scheibe befestigt wäre. Tangente = weg von der Mitte und weg von dieser Kreisbahn. Dies ist der Coriolis-Effekt – Objekte, denen ein linearer Impuls über eine rotierende Oberfläche gegeben wird, scheinen einem gekrümmten Pfad zur Außenseite der Rotation zu folgen.

Coriolis ist eine Wirkung, keine Kraft, aber sie existiert nur dort, wo Kräfte existieren. Der Effekt ist, dass Kräfte scheinbar in nicht intuitive oder überraschende Richtungen wirken, obwohl der momentane Impuls immer streng linear ist.

Dies ist möglicherweise einfacher vorstellbar, wenn Sie sich diese Rille in radialer Richtung (wie die Strahlen eines Sonnendurchbruchs) und nicht in kreisförmiger Richtung (wie die Schallplatte) vorstellen. Wenn die Drehung beginnt, wirkt die Nut wie ein Hebelarm, der das Objekt in tangentialer Richtung drückt.

Wenn wir über kreisförmige Rillen sprechen und alles vollkommen reibungsfrei ist, wird die Rotationskraft nicht auf den Körper übertragen, der in der Rille ruht. Die Scheibe würde sich darunter drehen, aber nichts von dieser Bewegung würde auf den Körper übertragen, weil seine eigene Trägheit ihn an seinem ursprünglichen Ort in Ruhe halten würde. Wenn es überhaupt keine Kraft dazu bringt, sich zu bewegen, hat es keine Tendenz, sich zur Außenseite der Scheibe zu bewegen.

Es gibt keine Kraft, die es nach außen schleudert, als ob das Objekt von der Scheibe weg beschleunigen würde, anstatt sich um sie herum zu bewegen. Die Zentripetalkraft ist die tatsächliche Kraft auf das Objekt, und die Zentripetalkraft ist eine nach innen gerichtete Kraft, und wenn das Objekt die Scheibe mit konstanter Geschwindigkeit in einem perfekten Kreis umkreist, ist die Zentripetalkraft senkrecht zur Tangentengeschwindigkeit des Objekts. Ein Objekt, das sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wird dazu neigen, diese Geschwindigkeit beizubehalten, es sei denn, es wird von einer äußeren Kraft eingewirkt, und in diesem Fall bedeutet eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, dass man sich weiter vom Zentrum der Scheibe entfernt, wenn also die Zentripetalkraft nicht groß genug ist Objekt wird aus seiner eigenen Trägheit und nicht durch eine äußere Kraft entkommen und sich von der Scheibe entfernen.

Alles mit Geschwindigkeit will in seine gerade Linie gehen, alles, was es in eine Offline- oder Kreisbewegung versetzt, wird einen Widerstand oder eine Trägheit spüren, und technisch gesehen ist es keine Kraft, aber daher kommt der Begriff.

Dies hängt davon ab, welchen Referenzrahmen Sie betrachten.

Aus der Sicht von jemandem, der auf der Scheibe sitzt und mitfährt - dh wie ein Kind auf einem Karussell (obwohl es leider scheint, dass solche durch schleichenden Mullycuddle entfernt wurden, aber das ist weder hier noch dort) - dann ja, tatsächlich geht die Entfernungszunahme des Teilchens vom Scheibenmittelpunkt mit einer messbaren Beschleunigung einher und spiegelt somit nach Newtons zweitem Gesetz das Vorhandensein einer Kraft wider.

Aus der Sicht einer Person, die auf dem Boden sitzt oder sich zumindest nicht mit der Scheibe dreht , bewegt sich der Körper nach dem Loslassen in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit (dh ohne Berücksichtigung anderer Kräfte wie der Schwerkraft). In diesem Rahmen gibt es keine Kraft , nachdem der Körper losgelassen wurde, da bei einer geradlinigen, gleichförmigen Bewegung per Definition keine Kräfte wirken, sondern sein Abstand vom Zentrum zunimmt, einfach weil er sich wegbewegt . Aber bevor es losgelassen wurde und als es auf der Scheibe kreiste , gab es eine Kraft – nämlich die, die es auf seiner krummlinigen Bahn beschleunigte – und dann, als die Kugel losgelassen wurde, hörte diese Kraft auf.

Tatsächlich ist die letztere Kraft in beiden Szenarien vorhanden. Im ersten Szenario hätte die auf der Scheibe sitzende Person, wenn sie das Objekt halten würde, es darauf zurückgeführt, "versuchen zu müssen, es festzuziehen, damit es nicht 'wegfliegen will'". Da dies eine tatsächliche Anstrengung seiner eigenen Muskelkraft ist, müssen sich beide Beobachter darüber einig sein, dass so etwas nicht einfach durch eine einfache Koordinatentransformation zum Verschwinden gebracht werden kann, was eine komplexe Neuanordnung von Molekülen in Muskeln, Gehirn usw. erfordert. Es muss also eine reale Kraft sein, und diese Kraft ist die gleiche, die im zweiten Szenario ausgeübt wird – in die gleiche Richtung, dh zum Zentrum hin – um seine Geschwindigkeit um den Kreis abzulenken.

Der einzige Unterschied besteht darin, dass der eine es aufgrund des unterschiedlichen Blickwinkels als Versuch interpretiert , "den Ball an der Flucht zu hindern", während der andere glaubt, er sei angestrengt, "ihn von seiner geradlinigen Bewegung abzulenken".

Da in nur einer Beobachtung die nach außen gerichtete Kraft notiert wird, während in beiden die nach innen gerichtete Kraft notiert wird, sagen wir gerne, dass die nach innen gerichtete Kraft die „wirkliche“ Kraft ist, da sie eine tatsächliche Wechselwirkung darstellt, während die andere das Artefakt einer Koordinatentransformation darstellt .

Aber nichtsdestotrotz sind beide gleichermaßen gültige Sichtweisen auf dasselbe Szenario, und beide können miteinander in Einklang gebracht werden, indem festgestellt wird, dass für die Person, die auf der Scheibe sitzt, ihre Kräftesituation anders sein muss, weil sie stationär ist, während sie im Fall der externer Beobachter sie bewegt sich. Trotzdem müssen zwischen beiden die gleiche Bewegung, die gleichen Anstrengungen und andere Invarianten erhalten bleiben. Ich nehme an, dass hier einige philosophische Probleme im Spiel sind, wie es immer sein wird, wenn Sie sich damit beschäftigen, aber dies ist im Grunde die Begründung für eine gemeinsame philosophische Sichtweise und zumindest für die scheinbar unterschiedlichen Beobachtungen und ihre Beziehung, die Sie noch berücksichtigen müssen unabhängig von Ihrer Philosophie der "Realität" (dh Ontologie).

Und ja, für die Frage, diese äußere Kraft, die der auf der Scheibe stehende Beobachter sieht, ist die Zentrifugalkraft. Ob es eine "echte Kraft" ist oder nicht, ist dabei nicht relevant - das ist der Name, der sich auf diese bestimmte Sache bezieht.

Rotationsbewegung ist nur die Bewegung von Punkten, die eine Geschwindigkeit haben, die sie bindet (zentripetale Kraft). Weil Sie die Festplatte ausgewählt haben, wird es sehr einfach sein. Die Scheibe ist ein flaches Objekt mit vielen Symmetrieachsen und es spielt für Berechnungen keine Rolle, welche Symmetrieachse wir wählen. Ich habe den starren Körper zu einem zweidimensionalen Modell auf der Oberfläche XY mit fünf Massen vereinfacht, zwei symmetrisch auf jeder Achse und eine im Zentrum der Masse. Alle Massen sind gleich$m_1=m_2=m_3=m_4=m_5$. Die Winkelgeschwindigkeit steht senkrecht auf diesem Körper$\vec ω (0, 0, z)$. Da es sich um einen frei rotierenden starren Körper handelt, muss die Geschwindigkeit jedes Punktes (Masse) in einer kompatiblen Beziehung stehen