Центрифугална сила

Центрифугална сила је инерцијална сила, која се јавља код криволинијских кретања. Њен вектор правца пролази кроз центар кривине путање, нормалан је на вектор правца брзине и усмерен је од центра кривине ка телу, што је супротно од смера вектора центрипеталне силе. У општем случају када се тело не креће по једној конвексној путањи, већ има компликованију орбиту, центара кривине има више, зависно на ком делу путање се тело налази.Машински факултет Универзитета у Нишу: , др. Катица Стевановић Хедрих, школска 2006-2007, стр. приступ 13.5.2013

Центрифугална сила је инерцијална сила која се јавља по принципу Трећег Њутновог закона, закона акције и реакције, у односу на центрипеталну силу. Наиме, на тело које се креће по кружној путањи, гледајући из стационарног односно инерцијалног референтног система, види се да на њега делује центрипетална сила усмерена од центра кривине путање ка телу. С друге стране, из покретног система везаног за тело који је у овом случају неинерцијални референтни систем, тело не види центрипеталну силу, али постојање центрифугалне силе може да објасни кретање које се види из његовог неинерцијалног система референције. Центрипетална и центрифугална сила делују свака у различитом референтном систему.

Спљоштеност Земље (њезино испупчење на екватору), а деломично и смањење убрзања земљине силе теже на екватору последица су деловања центрифугалне силе, коју узрокује вртња или ротација Земље. На начелу деловања центрифугалне силе раде центрифугални уређај, центрифугални сепаратор, центрифугална сисаљка, различите врсте центрифуга и низ других уређаја.Centrifugalan, , "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

Увод

Центрифугална сила је очигледна у ротирајућем референтном оквиру и делује ка спољашњости . Она не постоји када се систем описује у односу на инерцијски референтни оквир.

Сва мерења положаја и брзине морају се извршити у односу на неки референтни оквир. На пример, анализа кретања објекта у авиону у лету могла би се направити у односу на авион, на површину Земље, или чак на Сунце. Референтни оквир који мирује (или онај који се креће без ротације и константном брзином) у односу на „фиксне звезде“ се генерално сматра инерцијским оквиром. Сваки систем се може анализирати у инерцијалном оквиру (и тако без центрифугалне силе). Међутим, често је згодније описати ротирајући систем коришћењем ротирајућег оквира — прорачуни су једноставнији, а описи интуитивнији. Када се направи овај избор, настају фиктивне силе, укључујући центрифугалну силу.

У референтном оквиру који ротира око осе кроз свој координатни почетак, сви објекти, без обзира на њихово стање кретања, изгледају као да су под утицајем радијалне (од осе ротације) спољне силе која је пропорционална њиховој маси, растојању од осе ротације оквира, и до квадрата угаоне брзине оквира.The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 12: Characteristics of Force Ово је центрифугална сила. Како људи обично доживљавају центрифугалну силу унутар ротирајућег референтног оквира, нпр. на вртешци или возилу, она је знатно познатије од центрипеталне силе.

Кретање у односу на ротирајући оквир доводи до друге фиктивне силе: Кориолисове силе. Ако се брзина ротације оквира промени, потребна је трећа фиктивна сила (Ојлерова сила). Ове фиктивне силе су неопходне за формулисање тачних једначина кретања у ротирајућем референтном оквиру и омогућавају да се Њутнови закони користе у свом нормалном облику у таквом оквиру (са једним изузетком: фиктивне силе се не повињавују Треће Њутновом закону: немају једнаке и супротне парњаке). Њутнов трећи закон захтева да пандани постоје унутар истог референтног оквира, стога центрифугална и центрипетална сила нису акција и реакција (као што се понекад погрешно тврди).

Кружно кретање Најједноставнији облик обртног кретања је кружно кретање, када се центар кривине не мења. Ако се тело креће равномерно, односно брзином константног интензитета, по кружној путањи, према Другом Њутновом закону центрифугална сила биће једнака производу масе и центрифугалног убрзањаФизика за први разред гимназије, Милан О. Распоповић, Завод за уџбенике Београд. .,17.11.2003, приступ 13.5.2013:

Како се центрифугално убрзање може изразити преко брзине кретања и полупречника орбите, израз за центрифугалну силу је

где је убрзање, маса тела, полупречник круга, константа брзина кретања тела. Центрипетална сила је сразмерна квадрату брзине и обрнуто сразмерна полупречнику кружне путање, а њен вектор је усмерен исто као и вектор убрзања од центра круга ка телу.

Појам центрипеталне силе увео је још 1683. године, Кристијан Хајгенс, у свом делу „Сат са клатном“ (), публикованом у Паризу.

Веза између центрифугалне и центрипеталне силе Центрифугална сила одређује се по истој формули као и центрипетална сила, њихове вредности су једнаке, обе делују дуж истог правца али у супротним смеровима и на различита тела.Большая Советская Энциклопедия: „Центробежная сила“, приступ 13.5.2013 Ове две силе су различите природе. Док је центрипетална сила реална и изазвана је деловањима тела, центрифугална сила је као и све инерцијалне силе, фиктивна, и није изазвана деловањем других тела, и нема своју силу реакцијеПМФ Нови Дад - Департман за Физику: , др Федор Скубан, стр. 105, 106, 108, 110, приступ 22.5.2013, али су њени ефекти реални. Она је последица убрзаног кретања референтног система (који је везан за тело), тачније последица центрипеталног убрзања тела, усмереног ка центру кружне путање и отпора који пружа тело (својом инертношћу) овом убрзаном кретању.

Убрзање је назив за промену брзине неког тела. Разликују се два типа и њихову комбинација. Први тип је промена износа брзине, а други тип је промена смера брзине. Добар пример за промену смера брзине је кретање по кружници. Комбинација та два убрзања би било спирално кретање. Убрзање при коме се мења само смер брзине назива се центрипетално убрзање. Када се посматра динамика тела потребно је узети у обзир и масу тела. Из другог Њутновог закона следи да је убрзање пропорционално сили која делује на тело, те се закључује да на тело које се креће кружно, односно тело које центрипетално убрзава, делује нека сила. Назив сваке силе која узрокује кружно кретање тела, односно центрипетално убрзање, је центрипетална сила.

Ако се жели да се примене Њутнови закони на систем који убрзава тако да се решење добије за посматрача у систему који ротира, у рачун се мора увести нова сила која је истог износа али супротног смера центрипеталној сили. Та сила назива се центрифугална сила. За центрифугално, односно центрипетално убрзање које се у кинематици назива нормално убрзање, вреди израз:

Тело које се креће по кружници константном брзином -{v}-, увек има нормално или центрипетално убрзање која има смер према средишту путање.

Ако се на слици споје тачке -{AD}-, -{AE}-, -{ED}- и -{DC}- добијају се два слична троугла тако да се може поставити однос:

Како је:

(пут униформног кретања)

(пут униформно убрзано кретање)

-{r}- = полупречник кружнице

Уврштавањем у горњи однос добија се:

Други Њутном закон каже да је сила једнака умношку масе и убрзања па је центрифугална, односно центрипетална сила:

Примена

Центрифугална сила има различите примене, као нпр. у центрифугалним сепараторима, у којима се раздвајају честице различитих маса или код машина за прање веша. На начелу деловања центрифугалне силе раде центрифугална машина, центрифугални сепаратор, центрифугална сисаљка, различите врсте центрифуга и низ других уређаја.

Центрифуга

Центрифуга је справа или уређај која центрифугалном силом раздваја састојке разнородних мешавина чврстих и течних материја различитих густина. Различите врсте центрифуга служе у лабораторијама и у индустрији за бистрење, одељивање, таложење и филтрирање, у млекарству за одвајање кајмака, у машинству за чишћење мазивих уља. Њоме се могу уклонити главне количине воде из чврстог материјала, на пример из мокрога текстила.Centrifuga, , "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

Центрифугална машина Центрифугална машина је уређај за приказивање промена које настају вртњом тела. Тако на пример метални обруч, окретан на центрифугалној машини, поприма облик ротацијског елипсоида, чиме се доказује настанак спљоштености Земље; кугла од иловаче, обешена о нит или жицу, која је горњим крајем везана на центрифугалну машину, вртњом се такође спљошти; помоћу две ексцентрично постављене масе може се приказати начело рада центрифугалног регулатора.Centrifugalni stroj, , "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

Центрифугални сепаратор

Центрифугални сепаратор (према лат. -{separator}-: растављач, оделитељ) је уређај за раздвајање хетерогених смеша чврстих и течних материја различитих густина ротацијом. Најчешће се ради о одељивању емулзија и бистрењу суспензија. Деловањем центрифугалне силе материје веће густине скупљају се уз спољашњи део сепаратора, а материје мање густине на његовом унутрашњем делу, па се могу раздвојено одводити (центрифугирање). У ротирајућем бубњу сепаратора смештени су, један изнад другога, купасти тањири. Смеса се континуирано доводи кроз цев у доњи део бубња, одакле се, кроз отворе у тањирима, расподељује у финим слојевима између тањира. Материја веће густине струји између тањира према зидовима бубња, скупља се на његову ободу и одводи кроз отвор из бубња. Материја мање густине подиже се између тањира према оси бубња и излази из њега кроз прстенасти канал. У неким изведбама сепаратора тањири могу бити без отвора, па се течност одводи према периферији тањира и слојевито подиже према средишњој цеви, у којој се посебно одводе фракције мање и веће густине. Сепаратор са самопражњењем служи за одељивање чврсте материје од течности. Када се у бубњу накупи довољно талога, довод се сировине аутоматски прекида и талог из бубња уклања испирањем водом. Центрифугални сепаратори често се у индустрији користе уместо гломазних филтара, и то у хемијској, фармацеутској и прехрамбеној индустрији (при преради млека, сокова од воћа и поврћа, у индустрији квасца, пива и тако даље).Ceparator, centrifugalni, , "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.

Центрифугирање Центрифугирање, у процесној техници, је сепарацијска операција којом се раздвајање хетерогених смеша материја убрзава деловањем центрифугалне силе (центрифуга; центрифугални сепаратор). Раздвајање настаје због разлике у густини чврстих честица и течности или две течности које се не мешају (центрифугална седиментација), или уз помоћ шупљикаве преграде (филтарског средства) која при раздвајању чврсте материје од течности пропушта течности (центрифугална филтрација). Као мера за делотворност раздвајања центрифугирањем служи повећање гравитације (однос центрифугалне силе према сили теже), које у обичним центрифугама износи 200 до 4 000, у суперцентрифугама 4 000 до 50 000, а у ултрацентрифугама 100 000 до 1 000 000 пута. У насталом пољу центрифугалне силе брзина раздвајања расте много брже с повећавањем брзине вртње него с повећавањем удаљености путање честица од средишта вртње. Према начину рада центрифугирање може бити шаржно, полуконтинуирано и континуирано, а према брзини вртње спороходно и брзоходно.

Центрифугална сила

Źródło i licencja