Centrtieces spēks ir spēks, kurš liek ķermenim kustēties pa liektu trajektoriju.
Šis spēks vienmēr ir virzīts perpendikulāri ķermeņa ātruma vektoram uz fiksētu punktu, kurš šajā brīdī ir trajektorijas liekuma centrs. Bez šī spēka ķermenis saskaņā ar inerces jeb Pirmo Ņūtona likumu vienmērīgi pārvietotos šībrīža ātruma vektora virzienā (t. i. pa trajektorijas pieskari), līdzīgi, piemēram, dzirkstelēm, kuras ir atdalījušās no slīpripas.
Centrtieces spēks ir vienāds lielums jebkurā atskaites sistēmā. Ar to tas atšķiras no šķietamajiem spēkiem (piemēram, centrbēdzes spēka), kuri jāņem vērā tikai aprakstot kustību paātrinātajā atskaites sistēmā.
Matemātiski centrtieces spēku pirmo reizi aprakstīja 1659. gadā Nīderlandes fiziķis Kristiāns Heigenss.
Ja objekts ar masu kustas ar tangenciālo ātrumu pa trajektoriju ar liekuma rādiusu , tad centrtieces spēkam, kas iedarbojas uz šo objektu, ir sekojošs lielums:
kur ir centrtieces paātrinājums. Spēka virziens - uz riņķa centru, pa kuru objekts kustas, vai, ja visai trajektorijai nav riņķa forma, tad uz riņķa centru, kas pieskaras trajektorijai šajā vietā un vislabāk atbilst tās formai.
Centrtieces spēku var izteikt arī ar objekta leņķisko ātrumu ap riņķa centru:
Rotējot ar vienmērīgu leņķisko ātrumu , vienam pilnam apgriezienam tiek patērēts laiks . Tāpēc spēku var izteikt arī ar viena apgrieziena periodu :
Saskaņā ar Otro Ņūtona likumu, centrtieces paātrinājums ir centrtieces spēks, dalīts ar masu.
Objektam kustoties ar nemainīgu ātrumu pa riņķa trajektoriju, tā ātrums katrā brīdī ir perpendikulārs riņķa rādiusam . Zīmējumā blakus parādīti ātruma vektori brīžos un . Vispirms šīs sakarības var aplūkot tīri ģeometriski: zilā bulta ir bultas paralēlās pārneses rezultāts. Tās vektora garums atbilst bultas garumam. Triju bultu garumi ir saistīti sekojoši:
No šejienes seko trīsstūru un līdzība ar sekojošām proporcijām:
jeb
Dalot abās puses ar laika intervālu :
Izvēloties pietiekami mazu , var nodefinēt:
Maziem laika intervāliem vienādojums iegūst sekojošu formu:
jeb
Ja objekts ir ne tikai punkts, bet tam ir arī masa , tad atbilstoši otrajam Ņūtona likumam centrtieces spēka vektora lielumu var noteikti sekojoši:
Šis centrtieces spēks iedarbojas uz jebkuru ķermeni ar masu , kurš kustas ar ātrumu pa riņķa trajektoriju ar rādiusu .
Ja masa griežas ar leņķisko ātrumu ap nekustīgu centru, trajektorijas ātrumu var aizstāt ar . No šejienes seko:
un
Saskaņā ar Pirmo Ņūtona likumu, ķermenis, uz kuru neiedarbojas ārējais spēks, saglabā miera vai vienmērīgas taisnvirziena kustības stāvokli. Šādas inerces kustības trajektorija ir parādīta zīmējumā ar punktēto līniju. Šajā gadījumā, novērojot kustību sakot no punkta , pēc laika tas atrastos punktā . Turpretī, pārvietojoties pa liektu trajektoriju ar rādiusu , pēc laika tas atrodas punktā . Ja ķermenis ir pametis inerciālā miera stāvokli (t. i. punktēto līniju), tad, saskaņā ar Pirmo Ņūtona likumu, uz to iedarbojas ārējais spēks, un saskaņā ar Otro Ņūtona likumu tas izjūt paātrinājumu .
Salīdzinot inerciālo un neinerciālo trajektoriju, var secināt, ka ārējais spēks ir piespiedis ķermeni pārvietoties no punkta uz punktu , mērojot ceļu . Aplūkosim trīsstūri . Šajā trīsstūrī:
(Labākai pārskatamībai zīmējumā ir parādīta situācija ar lielu leņķi , pie kura punkti un neatrastos precīzi uz vienas radiālās līnijas. Bet šo punktu atrašanās uz vienas radiālās līnijas tiek nodrošināta zemāk aprēķinos, samazinot līdz bezgalīgi mazam lielumam.)
Radiālās pārvietošanās ceļu var izteikt tikai ar paātrinājumu, jo gan sākotnējā koordināta, gan sākotnējais radiālais ātrums ir nulle:
No leņķiskā ātruma definējuma izriet .
Aizstājot attiecīgos lielumus pirmajā izteiksmē:
jeb
Samazinot laiku (un līdz ar to arī leņķi ) līdz bezgalībai, šī izteiksme tiecas līdz robežai
Šo robežu var atrast, divreiz pielietojot Lopitāla metodi:
Vēlreiz pielietojot Otro Ņūtona likumu: .
Vēl vienkāršāk centrtieces paātrinājumu (un līdz ar to arī spēku) var atvasināt, diferencējot rādiusvektoru attiecībā uz laiku. Divās dimensijās rādiusvektoru ar garumu un leņķi pret x asi var izteikt Dekarta koordinātās, izmantojot vienības vektorus un .
Aplūkosim vienmērīgu rotāciju, t. i. kustību tikai riņķī ar nemainīgu rādiusu un nemainīgu leņķisko ātrumu . Tāpēc , kur ir laiks.
Atvasinot rādiusvektoru attiecībā pret laiku, tiek iegūti kustības ātrums un paātrinājums .
Divi lielumi ārējās iekavās ir vektora projekcijas uz divām Dekarta koordinātu asīm, tātad visa izteiksmē iekavās - pats vektors plaknē. Līdz ar to,
Negatīva zīme izsaka, ka paātrinājums virzīts riņķa centrā (pretēji rādiusa vektoram). Tā kā centrtieces spēka un paātrinājuma vektoru virzieni ir zināmi, tos var izteikt arī skalārā veidā: : un .
This article uses material from the Wikipedia Latviešu article Centrtieces spēks, which is released under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 license ("CC BY-SA 3.0"); additional terms may apply (view authors). Saturs ir pieejams saskaņā ar CC BY-SA 4.0, ja vien nav norādīts citādi. Images, videos and audio are available under their respective licenses.
®Wikipedia is a registered trademark of the Wiki Foundation, Inc. Wiki Latviešu (DUHOCTRUNGQUOC.VN) is an independent company and has no affiliation with Wiki Foundation.