Centripetalkraft – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

09. november 2013

Centripetalkraft

Hej Spørg om Fysik
Jeg har et spørgsmål, som jeg håber i kan svare på.

Mit spørgsmål omhandler de fysiske krafter, der træder i kraft når et tog kører i en kurve. Jeg kan forstå, at man hæver den yderste skinne, for at udligne centripetalkraften. Jeg har dog svært ved at forstå, hvilken kraft eller komposant der udligner centripetalkraften ved at hæve den yderste skinne.

Er det den vandrette komposant til normalkræften ?

Med venlig hilsen
GSR

Hvis man slynger en sten rundt bundet til en snor, skal man holde fast i snoren. For at en genstand skal kunne bevæge sig i en cirkel, skal der være en kraft indad, der holder genstanden i en cirkelbevægelse, se billedet med røret og snoren. Denne kraft kaldes centripetalkraften.

lod svinges rundt i enden af en snor

Slipper man snoren, fortsætter loddet i enden af snoren ikke rundt, men med samme retning som den hastighed genstanden havde, da man slap. Derefter bevæger den sig i en ret linje efter tangenten til det sted, den befandt sig på. Centripetalkraften kan leveres udefra som stålkonstruktionen som i loopet på billedet, eller f.eks. med en kæde som i sving karussellen.  

På det vognbillede du sendte, har jeg indtegnet en centripetalkraft indad i svinget. Lige ned har vi stadig tyngdekraften, og summen af de to kræfter er normalkraften (det er den måde man lægger kræfter med retning sammen), den kraft der trykker vognen vinkelret ned imod skinnerne. Hældningen på skinnerne er altså fastlagt ud fra den hastighed toget normalt har i den pågældende kurve. Har toget meget større hastighed kan det vælte udad, eller trække skinnerne udad, har det mindre vil gods, kufferter mm. let skride indad i vognene, hvis det ikke ligger fastgjort.

Vognbillede med centripetalkraft indtegnet

Det, at der skal leveres en kraft, ses tydeligt når en hammerkaster drejer for at kaste sin hammer, man ser tydeligt, at hammerkasteren må læne sig væk fra hammeren, for at fastholde cirkelbevægelsen. Det ses også når rytteren stående på hesten rider mannegen rundt.

Det problem skal naturligvis løses alle steder, hvor der sker en cirkelbevægelse. Nedenfor er der vist eksempler som indendørs cykelbaner, hvor banen hæves drastisk, for at kunne kompensere og give den nødvendige centripetalkraft, sving karrusel og det er mange andre steder. Den drejende motorcykel får sin centripetalkraft leveret, på samme måde som de fleste normale cykler og biler, ved hjælp af gnidningen imellem dækket og jorden.

For at få normalkraften lige ned imod cyklen, og kunne levere centripetalkraften, hældes den indad i svinget (det er faktisk nødvendigt for at dreje med blot moderat fart, prøv selv på en cykel i moderat fart uden at hælde cyklen, pas på hvor du falder). Er friktionen ikke stor nok, skrider man og vælter (på is f.eks.). Det, at man skal anvende friktionskraften, for at få den nødvendige centripetalkraft i et sving, er også grunden til, at det kan gå meget galt, hvis man bremser kraftigt i et sving.

Hammerkaster

Friktionskraften har en bestemt størrelse, der bestemmes af bilen/cyklens masse, gummiet på hjulene og underlaget (gnidnings koefficienten imellem gummi-gadebelægning), og man kan ikke bruge den samme friktionskraft til både at skabe centripetalkraft og bremse, hvis ikke begge dele er moderate, så summen er indenfor grænsen for friktionskraftens størrelse.

Hældningen bestemmes altså af den fart toget skal have i kurven, så skinnerne ikke trykkes sidelæns ved at skulle levere centripetalkraften, og så ting i toget bliver, hvor de er.

Med venlig hilsen
Malte Olsen