— Published on 14/02/2021 / Bug.hr.
Pravocrtno gibanje je najjednostavnije gibanje; i najdosadnije; skretanje s pravca vodi nas u svijet novih pojava; to vrijedi čak i za konstantno skretanje kojim ravnu putanju pretvaramo u kružnu
Prvi Newtonov zakon opisuje što se s tijelom događa ako na njega ne djeluje vanjska sila, preciznije ako je zbroj svih vanjskih sila (što nazivano rezultantnom silom) koje djeluju na tijelo jednak nuli. Što se, dakle, tada s tijelom događa? Ono ili miruje ili se giba jednoliko po pravcu.
Čak i kad rezultanta nije nula, ali ima isti smjer kao i pomak (drugim riječima, kad sila stalno djeluje u smjeru puta), gibanje je opet po pravcu. U tom slučaju postoji ubrzanje, što opisuje drugi Newtonov zakon, pa se brzina mijenja po iznosu, ali putanja je i dalje straight. Nema lijevo-desno, ni gore-dolje.
Za skretanje s pravca, dakle, nije dovoljna bilo kakva sila. Sila koja će tijelo skrenuti s pravocrtne putanje mora imati komponentu okomitu na pomak. Svakodnevnim riječima, mora djelovati i bočno. Općenito sila s pomakom zatvara neki kut, no tu silu možemo prikazati kao vektorski zbroj dviju sila: komponente usporedne s pomakom i komponente okomite na pomak. Ova prva daje akceleraciju u smjeru puta, pozitivnu ili negativnu, a ova druga također daje akceleraciju (u okomitom smjeru) ali njezin je učinak impresivniji: ona uzrokuje skretanje.
Zanimljiva je situacija u kojoj postoji samo okomita komponenta sile. Tada tijelo neprekidno na isti način skreće. I gdje završi? Tamo odakle je i krenulo. Putanja se zatvori u jednu lijepu kružnicu. Pa onda sve iznova. No, kako nema komponente sile u smjeru pomaka, nema ni ubrzanja u smjeru pomaka pa se ni brzina u smjeru pomaka ne mijenja u vremenu. Zato tijelo svaki puni krug prijeđe za isto vrijeme. To vrijeme nazivamo period, a recipročnu vrijednost perioda nazivamo frekvencija, ona daje broj okretaja u jedinici vremena.
Vratimo se sili. To je najzanimljiviji dio priče. Razmatramo situaciju u kojoj postoji samo okomita komponenta sile. I ona tijelo skreće. Znači da vektor brzine tijela neprekidno mijenja smjer. A okomito određujemo u odnosu na taj smjer. Očito je da i naša sila mora stalno mijenjati smjer, ako želimo da stalno ima samo okomitu komponentu. Tako u bilo kojoj točki kružne putanje brzina ima smjer tangente, a sila je uvijek usmjerena prema središtu. Stručno kažemo da je brzina tangencijalna, a sila radijalna. E da, i sila ima posebni naziv: centripetalna sila. To dođe od latinskog: centrum (središte) + petere (tražiti).
Igranje uloga
Fizičari su vam u stanju satima nešto objašnjavati da bi van na kraju rekli da to nešto zapravo ne postoji. Onda vas uhvati očaj. Ili želja da fizičara dobro namlatite. Zato ću biti oprezan pa neću baš reći da centripetalna sila ne postoji nego... malo blaže... u stvarnosti neka druga sila, stvarna sila, igra ulogu centripetalne sile.
Evo konkretnog primjera. Zavežete kamen za uže i vrtite ga oko sebe. Imajte pritom na umu da uže ima tendenciju pucanja, a kamen pak ima tendenciju prolaska kroz staklo susjedovog prozora. Uglavnom, prije dramatičnog završetka ovog pokusa kamen se giba po kružnoj putanji. A sila koja omogućuje gibanje po kružnoj putanji je, naučili smo maloprije, centripetalna sila. Koja tu sila stvarno djeluje na kamen? Sila napetosti užeta. Zato kažemo da sila napetosti igra ulogu centripetalne sile.
Drugi primjer: auto se stalnom brzinom giba po kružnom zavoju. Opet imamo jednoliko kružno gibanje. Dakle, negdje se sakrila centripetalna sila koja je za takvo gibanje odgovorna. Tražimo, tražimo... Evo je! Sila trenja. To je sila koja u ovom slučaju glumi centripetalnu silu.
Još jedan primjer. Umjetni satelit se oko Zemlje giba po kružnoj putanji. I tu negdje mora biti skrivena centripetalna sila. Nema užeta, nema ceste. Koja sila tu uopće postoji? Valjda gravitacijska. Može li onda odigrati ulogu centripetalne sile? Itekako može. Premda nije kontaktna sila, kao u prethodnim primjerima, gravitacijska sila sasvim fino glumi centripetalnu silu. Uz malo matematike, izjednačavanjem gravitacijske i centripetalne sile možete doći do odgovora na pitanja: kojom se brzinom satelit mora gibati na određenoj visini, za koje vrijeme satelit obiđe Zemlju, na kojoj se visini postavljaju geostacionarni sateliti i slično.
Strah od centrifuge
Za centrifugu su više-manje svi čuli, ako već ne za stroj kojim se u medicinskim ili istraživačkim laboratorijima obavljaju separacije onda barem za funkciju stroja za pranje rublja zahvaljujući kojoj oprano rublje ne vadimo potpuno mokro. Princip rada je jednostavan: centrifugalna sila koju postižemo vrtnjom česticama različitih masa daje različita ubrzanja. Što je manja masa ubrzanje je veće (drugi Newtonov zakon) pa s vremenom čestice postižu različite brzine, prevaljuju različite putove i tako dalje. Situacija nije skroz jednostavna jer postoje sudari čestica, ali u konačnici se tvar separira pa masama ili po gustoćama. Tako se recimo odvaja krvna plazma od krvnih zrnaca. Osim toga, svi imaju iskustvo vožnje kroz zavoj gdje nas nešto vuče prema van. E pa to "nešto" je centrifugalna sila.
S druge strane, udžbenici fizike centrifugalnu silu tretiraju kao malo dijete razbijenu čašu. Nemam ja ništa s tim. Nikad čuo. Što je to pod tepihom? Nemam pojma. Drugim riječima, prave se blesavi. A zašto? Zato što je navodno prekomplicirano. Učenici jedva shvate i centripetalnu silu pa bi im se, spominjanjem još i centrifugalne, sve pomiješalo i tek onda ne bi ništa znali. Zanimljiv argument. I glup do boli.
Konkretno, u službenom dokumentu MZO-a "Odluka o donošenju kurikuluma za nastavni predmet fizike za osnovne škole i gimnazije u Republici Hrvatskoj", prema kojem sam pisao svoje gimnazijske udžbenike iz fizike, spominje se centripetalna (sila i akceleracija) točno 12 puta. Centrifugalna se spominje točno NULA puta. Dakle, pod tepihom je. Kad naš gimnazijalac upiše biologiju, kemiju ili medicinu i prvi put se sretne s centrifugom valjda pita je l' to nešto za na kruh namazati.
I nije to samo kod nas. Ni američki udžbenik fizike po kojem držim predavanja u Osijeku, i kojeg sam spomenuo u Abecedi fizike #1, ne tumači centrifugalnu silu. U čemu je štos? Odakle strah od centrifugalne sile? Možda je najvažnije reći da te dvije sile, iste po iznosu i smjeru a suprotne po orijentaciji, ne postoje u istom sustavu. Centripetalna sila, orijentirana prema središtu, je vanjska sila koja djeluje na tijelo. Ta sila postoji u vanjskom sustavu, onome u odnosu na koji se tijelo giba po kružnici. Centrifugalna sila, orijentirana od središta, je unutrašnja sila koja djeluje na tijelo. To je sila u onom sustavu u kojem tijelo miruje. Recimo, vi mirujete u odnosu na auto u kojem se vozite kroz zavoj. S obzirom da je taj auto akcelerirani sustav u njemu postoje inercijska sila. E ta inercijska sila, to je centrifugalna sila.
Da bismo razumjeli centrifugalnu silu, i njezinu koegzistenciju s centripetalnom silom, potrebno se vratiti na sam početak priče o fizici, na definiciju gibanja. Rekli smo da je gibanje u načelu relativno. Tijelo se istodobno i giba i ne giba, ali to nije neka mističnost kvantnog univerzuma nego prosta činjenica da gibanje definiramo u odnosu na referentno tijelo, a izbor referentnog tijela je proizvoljan. Zato se u jednom sustavu gibate, a u drugom ne. U odnosu na auto se ne gibate, u odnosu na cestu se gibate. Gibate li se u apsolutnom smislu. To pitanje nema odgovor zato što samo pitanje nema smisla. Uvijek se gibate u odnosu na nešto. A fizičke veličine (pomaci, brzine, akceleracije, sile) u različitim sustavima poprimaju različite vrijednosti. Tako centrifugalna sila istodobno i postoji i ne postoji. Postoji u sustavu opažača koji se giba kružno (to ste vi u autu, u odnosu na koji mirujete, "osjećate" silu koja vas vuče iz zavoja prema van). Ne postoji u vanjskom sustavu, sustavu opažača koji miruje s obzirom na cestu i koji vaše kružno gibanje opaža kao posljedicu centripetalne sile. Rekli su vam da je fizika lagana? E pa lagali su.