Co je to centrální síla?

Centrální síla je síla se směrem a velikostí, která závisí pouze na středu objektu a vzdálenost od jeho středu k jinému bodu. Směr, který musí působit centrální síla, musí být podél linie spojující střed objektu k druhému bodu, zatímco velikost síly závisí pouze na vzdálenosti nebo poloměru mezi nimi. Příklady centrálních sil jsou nalezeny v gravitační síle, elektrostatické síle a síle z jara. K orbitálnímu pohybu mohou vést pouze dva typy centrálních sil: gravitační síla a analogická síla.

Newtonův zákon univerzální gravitace uvádí, že gravitační síla mezi dvěma objekty je vždy směřována k sobě. Kromě toho je velikost síly nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti mezi objekty - jinými slovy, zdvojnásobení vzdálenosti mezi objekty povede k síle pouze o jednu čtvrtinu jako silnou. Když je jeden objekt mnohem masivnější než druhý, aRrangement splňuje kritéria centrální síly.

Analogická centrální síla je elektrostatická síla mezi částicemi s elektrickým nábojem. Stejně jako gravitační síla je elektrostatická síla nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti mezi dvěma částicemi. Na rozdíl od gravitace jsou však elektrostatické interakce úměrné produktu jejich poplatků, spíše než jejich masy. Mají také tendenci dominovat na velmi malých měřítcích. Matematicky řečeno, velikost gravitační síly a elektrostatická síla sledují zákon o inverzi-kvadrát .

jiný druh centrální síly může vyplynout z interakce pružiny s objektem. Síla vytvořená pružinou je úměrná vzdálenosti, která je pružina natažena od jeho rovnovážné délky. Protažení pružiny dvakrát vzdálenost od své rovnovážné délky se objevít v atraktivní síle dvakrát tak silné. Tento druh chování je známý jako Hookeův zákon a je vidět nejen v pramenech, ale v jakémkoli lineárně elastickém materiálu - včetně většiny pevných kovů. Když je jaro nebo vhodný materiál ukotven ve středu, může také splnit kritéria centrální síly.

Přestože zvyšování vzdálenosti mezi objekty nebo částicemi má velmi odlišný účinek v systémech, které se řídí zákonem o inverzi-kvadrát versus Hookeův zákon, obě tyto ústřední síly vytvoří uzavřený orbitální pohyb. Planety obíhají na slunci kvůli gravitaci, ústřední síle podléhající zákonu o inverzi-kvadrát. Podobně nabité částice mohou obíhat na obíhajícím protipodmíně nabitému centru kvůli elektrostatické síle. Poněkud méně známou skutečností je, že centrálně ukotvená jaro může, když jsou jiné síly zanedbatelné, způsobit předmět obíhající centrum. Jednoduchý harmonický pohyb je jedním z takových příkladů, který je nucen pohybovat pouze podél jedné dimenze.