O que é uma força central?

Uma força central é uma força com uma direção e magnitude que dependem apenas do centro de um objeto e da distância de seu centro para outro ponto. A direção de uma força central atende ao longo da linha que une o centro do objeto ao outro ponto, enquanto a magnitude da força depende apenas da distância, ou raio, entre os dois. Exemplos de forças centrais são encontrados na força gravitacional, na força eletrostática e na força de uma mola. Apenas dois tipos de forças centrais podem resultar em movimento orbital: força gravitacional e força análoga.

A lei de gravitação universal de Newton afirma que a força gravitacional entre dois objetos é sempre direcionada uma à outra. Além disso, a magnitude da força é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os objetos - em outras palavras, dobrar a distância entre os objetos resultará em uma força apenas um quarto tão forte. Quando um objeto é muito mais massivo que o outro, o aRrangement atende aos critérios da força central.

Uma força central análoga é a força eletrostática entre partículas com uma carga elétrica. Como a força gravitacional, a força eletrostática é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre duas partículas. Ao contrário da gravidade, no entanto, as interações eletrostáticas são proporcionais ao produto de suas cargas, em vez de suas massas. Eles também tendem a dominar em escalas muito pequenas. Matematicamente falando, porém, a magnitude da força gravitacional e da força eletrostática seguem a lei -quadrado inverso .

Um tipo diferente de força central pode resultar da interação de uma mola com um objeto. A força produzida por uma mola é proporcional à distância que a mola é esticada do seu comprimento de equilíbrio. Esticar uma mola o dobro da distância do seu comprimento de equilíbrio será retiradot em uma força atraente duas vezes mais forte. Esse tipo de comportamento é conhecido como Lei de Hooke e é visto não apenas em molas, mas em qualquer material elástico linear - incluindo a maioria dos metais sólidos. Quando uma mola ou material adequado é ancorado em um centro, ele também pode atender aos critérios de uma força central.

Embora o aumento da distância entre objetos ou partículas tenha um efeito muito diferente nos sistemas governados pela lei do quadrado inverso versus a lei de Hooke, essas duas forças centrais produzirão movimento orbital fechado. Os planetas orbitam o sol por causa da gravidade, uma força central sujeita à lei do quadrado inverso. Da mesma forma, as partículas carregadas podem orbitar um centro de carga oposta devido à força eletrostática. Um fato um pouco menos conhecido é que uma primavera de ancorada central pode, quando outras forças são insignificantes, causam um objeto para orbitar o centro. O movimento harmônico simples é um exemplo que é restrito a se mover apenas uma dimensão.