Что такое центральная сила?

Центральная сила - это сила, направление и величина которой зависят только от центра объекта и расстояния от его центра до другой точки. Направление действия центральной силы должно быть вдоль линии, соединяющей центр объекта с другой точкой, в то время как величина силы зависит только от расстояния или радиуса между ними. Примеры центральных сил можно найти в гравитационной силе, электростатической силе и силе пружины. Только два типа центральных сил могут привести к орбитальному движению: гравитационная сила и аналогичная сила.

Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что гравитационная сила между двумя объектами всегда направлена ​​друг на друга. Кроме того, величина силы обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами - другими словами, удвоение расстояния между объектами приведет к силе, равной только одной четвертой. Когда один объект намного массивнее другого, расположение соответствует критерию центральной силы.

Аналогичной центральной силой является электростатическая сила между частицами с электрическим зарядом. Подобно гравитационной силе, электростатическая сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя частицами. В отличие от гравитации, электростатические взаимодействия пропорциональны произведению их зарядов, а не их массам. Они также имеют тенденцию доминировать в очень небольших масштабах. Математически говоря, однако, величина гравитационной силы и электростатической силы следуют закону обратных квадратов .

Другой вид центральной силы может быть результатом взаимодействия пружины с объектом. Сила, создаваемая пружиной, пропорциональна расстоянию, на которое пружина вытянута от ее равновесной длины. Растяжение пружины вдвое больше ее равновесной длины приведет к увеличению силы притяжения в два раза. Такое поведение известно как закон Гука и наблюдается не только в пружинах, но и в любом линейно упругом материале, включая большинство твердых металлов. Когда пружина или подходящий материал закреплен в центре, он также может соответствовать критериям центральной силы.

Хотя увеличение расстояния между объектами или частицами имеет очень разный эффект в системах, регулируемых законом обратных квадратов и законом Гука, обе эти центральные силы будут создавать замкнутое орбитальное движение. Планеты вращаются вокруг Солнца из-за гравитации, центральной силы, подчиняющейся закону обратных квадратов. Точно так же заряженные частицы могут вращаться вокруг противоположно заряженного центра из-за электростатической силы. Несколько менее известный факт состоит в том, что центрально закрепленная пружина может, когда другие силы незначительны, заставить объект вращаться вокруг центра. Простое гармоническое движение является одним из таких примеров, который вынужден двигаться только по одному измерению.