Центрифугална сила

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Центрипетална (реална) сила која се види из стационарног система референције и центрифугална (фиктивна) сила која се види из ротирајућег система референције везаног за тело.
Центрифугална и центрипетална сила.
Компоненте силе
Центрифугални уређај за одвајање шећера.
Ручни центрифугални сепаратор који одваја кајмак од обраног млека.

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.[1][2][3] 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.[4]

Центрифугална сила је инерцијална сила која се јавља по принципу Трећег Њутног 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.[5]

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. [6]

Кружно кретање[уреди]

Најједноставнији облик обртног кретања је кружно кретање, када се центар кривине не мења.[4] Ако се тело креће равномерно, односно брзином константног интензитета, по кружној путањи, према Другом Њутновом закону центрифугална сила биће једнака производу масе и центрифугалног убрзања[5]:

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.[5]

Појам центрипеталне силе увео је још 1683. године, Кристијан Хајгенс, у свом делу „Сат са клатном“ (лат. Horologium oscilatorium), публикованом у Паризу.[4]

Веза између центрифугалне и центрипеталне силе[уреди]

Центрифугална сила одређује се по истој формули као и центрипетална сила[5], њихове вредности су једнаке, обе делују дуж истог правца али у супортним смеровима и на различита тела.[7] Ове две силе су различите природе. Док је центрипетална сила реална и изазвана је деловањима тела, центрифугална сила је као и све инерцијалне силе[5], фиктивна, и није изазвана деловањем других тела, и нема своју силу реакције[8], али су њени ефекти реални.[5] 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.[8]

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[уреди]

Центрифугална сила има различите примене, као нпр. у центрифугалним сепараторима, у којима се раздвајају честице различитих маса или код машина за прање веша.[5] На начелу деловања центрифугалне силе раде центрифугална машина, центрифугални сепаратор, центрифугална сисаљка, различите врсте центрифуга и низ других уређаја.

Центрифуга[уреди]

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.[9]

Центрифугална машина[уреди]

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 сплошти; помоћу две ексцентрично постављене масе може се приказати начело рада центрифугалног регулатора.[10]

Центрифугални сепаратор[уреди]

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).[11]

Центрифугирање[уреди]

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.

Центрифугирање се примењује за екстракцију растварачима, бистрење, класирање, згушњавање и одводњавање, прање и испирање. Тако се центрифугална седиментација користи у одводњавању муља отпадних вода, затим за одвајање масноћа из млека, у фармацеутској индустрији, приликом врења (уклањање квасца и меласе), при екстракцији уља, у машинству за чишћење мазивих уља, у производњи целулозе, пигмената и тако даље. Центрифугална филтрација примењује се на пример за одводњавање фино смрвљенога угљена и за одвајање сировог шећера од сирупа. Филтрацијске центрифуге раде с мањом брзином вртње од седиментацијских због ограничене чврстоће перфорираног бубња какав захтева њихова конструкција.[12]

Центрифугална сисаљка[уреди]

Центрифугалне сисаљке су сисаљке кроз које течност протиче од смера црпљења према притисној страни деловањем центрифугалне силе, с радијалним током струјања, која потискује течност између лопатица једног или више ротора. Центрифугалне сисаљке прикладне су за сваку намену осим за мале количине и мале брзине, те за течности које имају велику вискозност. Користе се највише за мале и средње добавне висине и за велике добавне количине при повећаним брзинама струјања. Ове сисаљке нису самоусисне, то јест нису у могућности да исцрпе ваздух из усисног цевовода. Центрифугалне сисаљке могу бити једноступањске и вишеступањске. Углавном имају кућиште од ливеног жељеза, ротор од бронзе и вратило од нерђајућег челика. Често се на вратило навлачи кошуљица од бронзе или истог материјала као и вратило да би се вратило заштитило од трошења и тиме избегло често мењање. Одликују се константном добавом и добавном висином, заузимају мало простора, непосредно се спајају на погонску машину уз погодну брзину вртње. У поређењу са сисаљкама истих података, ове су релативно јефтиније, немају вентила, а израда и одржавање је јефтиније. Центрифугалне сисаљке, због капацитета и специфичне енергије имају велику заступљеност, те су у великој мери истиснуле стапне (клипне) сисаљке. Центрифугална сисаљка се састоји од спиралног кућишта и ротора причвршћеног на вратилу који се врти великом брзином. Када се ротор врти потискује течност која се налази између лопатица, деловањем центрифугалне силе течност повечава брзину која се добрим делом претвара у притисак.

Види још[уреди]

Извори[уреди]

  1. ^ Richard T. Weidner and Robert L. Sells (1973). Mechanics, mechanical waves, kinetic theory, thermodynamics (2 изд.). Allyn and Bacon. стр. 123. 
  2. ^ John Robert Taylor (2004). Classical Mechanics. Sausalito CA: University Science Books. Chapter 9, pp. 344 ff. ISBN 978-1-891389-22-1. 
  3. ^ Kobayashi, Yukio (2008). „Remarks on viewing situation in a rotating frame”. European Journal of Physics. 29 (3): 599—606. Bibcode:2008EJPh...29..599K. doi:10.1088/0143-0807/29/3/019. 
  4. 4,0 4,1 4,2 Машински факултет Универзита у Нишу: Предавања - Механика III - Динамика - Кинетика, др. Катица Стевановић Хедрих, школска 2006-2007, стр. приступ 13.5.2013
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 Физика за први разред гимназије, Милан О. Распоповић, Завод за уџбенике Београд. ISBN 978-86-17-14990-9.,17.11.2003, приступ 13.5.2013
  6. ^ Centrifugalan, [1], "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
  7. ^ Большая Советская Энциклопедия: „Центробежная сила“, приступ 13.5.2013
  8. 8,0 8,1 ПМФ Нови Дад - Департман за Физику: „Физика за студенте на Департману за математику и информатику на ПМФ-у у Новом Саду“ Архивирано на сајту Wayback Machine (јун 12, 2013) (на језику: енглески), др Федор Скубан, стр. 105, 106, 108, 110, приступ 22.5.2013
  9. ^ Centrifuga, [2], "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
  10. ^ Centrifugalni stroj, [3], "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
  11. ^ Ceparator, centrifugalni, [4], "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
  12. ^ Centrifugiranje, [5], "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.