• Strona tytułowa • M. Mechanika • M.3. Siły

M.3. Siły

Różne ciała w układzie obracającym się

Na blat gramofonu lub obracającego się stolika kładziemy różne przedmioty:

• kulka mała,
• kulka duża,
• walec na powierzchni bocznej średnicą prostopadle do średnicy płyty gramofonu,
• walec na powierzchni bocznej średnicą równolegle do średnicy płyty gramofonu,
• walec niski na powierzchni podstawy,
• walec wysoki na powierzchni podstawy,
• sześcian,
• prostopadłościan na największej powierzchni,
• prostopadłościan na najmniejszej powierzchni,
• …

i obserwujemy ich zachowanie w zależności od prędkości obrotów. Zwracamy uwagę na to czy ciało przetacza się, czy przesuwa; pozostaje nieruchome, czy przewraca się. Na tej podstawie wyciągamy wnioski na temat sił działających na ciało: siła odśrodkowa i siła tarcia.

Prawo chochli

Do szerokiej zlewki z czystą wodą wsyp fusy herbaciane (można użyć przezroczystego czajniczka do parzenia herbaty). Zamieszaj wodę z fusami. Po pewnym czasie fusy pomimo działania siły odśrodkowej utworzą górkę po środku naczynia.

Wyjaśnienie: W układzie związanym z cząstką płynu działają na nią: siła gradientu ciśnienia hydrostatycznego P skierowana do środka naczynia (obniżająca się do środka wiru) i siła odśrodkowa F_OD. Siła gradientu ciśnienia wynika z różnicy głębokości, na jakiej znajduje się cząstka płynu przy przejściu między punktami A i B na rysunku. Różnica głębokości wynika z kształtu powierzchni obracającej się wody.

Kształt powierzchni obracającej się wody i wynikająca z tego różnica ciśnień w punktach A i B.

Rozkład sił działających na cząstkę płynu.

Gdy nie ma tarcia T w ruchu po okręgu siły te równoważą się. W najniższych warstwach płynu dochodzi zauważalne tarcie (lepkość – przyleganie cząstek płynu do dna naczynia). Siłę gradientu ciśnienia równoważy wówczas wypadkowa dwóch sił: odśrodkowej i tarcia (tarcie skierowane jest przeciwnie do kierunku prędkosci), stąd ruch musi być skierowany po spirali do środka (proszę rozrysować sobie wektorki).

W rezultacie (w ośrodku ciągłym) taki spływ do środka wymusza ruch wstępujący w środku naczynia – fusy nie tylko spływają do środka ale unoszą się do góry.