تعريف القوة الطاردة المركزية
تعتبر قوة الطرد المركزي قوة خيالية خارجية تتأثر بها الأجسام المتحركة في مسار دائري بعيدًا عن مركز الدوران، ويكون اتجاه هذه القوة بعيدًا عن محور الدوران وموازيًا له.
تتساوى القوة الطاردة المركزية في الحجم والأبعاد مع قوة أخرى التي تعرف بالجاذبية المركزية وتعمل باتجاه مركز مسار دائري.
تسمى هذه القوة بالقوة الوهمية لأنها لا تعمل إلا عندما يكون هناك قوة جاذبية، وتنتج هذه القوة بسبب خاصية الانحناء الذاتي للجسم المتحرك في مسار دائري.
ومع ذلك فإن القوة تعتمد على:
- كتلة الجسم .
- مسافة الجسم من المركز.
- سرعة الدوران.
تستخدم فكرة قوة الطرد المركزي في العديد من الأجهزة الدوارة مثل دوارات أجهزة الطرد المركزي والطرق الممتلئة ومضخات الطرد المركزي، ووحدة قياس قوة الطرد المركزي هي نيوتن.
أمثلة على قوة الطرد المركزي
تعتمد العديد من التطبيقات على قوة الطرد المركزي في عملياتها، ومن بين هذه التطبيقات ما يلي:
- حجر مرتبط بخيط
يمكن للفرد أن يلاحظ بسهولة قوة الطرد المركزي في الحياة الواقعية عندما يربط الحجر بخيط ويدوره حوله. خلال هذه التجربة، ستشعر بالقوة التي تدفع الحجر بعيدا عن المركز. وتسمى هذه القوة قوة الطرد المركزي.
- مضخات الطرد المركزي
تعد مضخات الطرد المركزي من أكثر الأنظمة المفضلة في المكونات الهيدروليكية، ويتكون من دافع مغمور جيدًا في الماء .
أثناء دوران الكرة، يتدور السائل المحيط بها أيضًا، في حين يتعرض الماء لقوة طرد مركزي بسبب طرحه إلى الجانب الخارجي.
ويؤدي هذا إلى ارتفاع الضغط والطاقة الحركية، ومن ثمّ يتم تطوير الضغط المنخفض في وسط شفرات المضخة الدوارة، ولذلك يتم سحب الماء من الحاوية بسهولة.
- غسالة الملابس
تعد غسالة الملابس واحدة من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية الأكثر شيوعًا والتي تستخدم القوة المركزية لتشغيلها.
يقوم آلية دوران الجهاز بدفع جزيئات الملابس والماء والأوساخ إلى الجانب الخارجي من الأسطوانة، ثم يتم جمع هذه الأوساخ في الحقيبة الموجودة في الجانب الداخلي للجهاز، ويتم بالتالي تنظيف الملابس بشكل فعال.
مبدأ قوة الطرد المركزي
تكون قوة الطرد المركزي وهمية أو زائفة لأنها تتواجد فقط عند وجود قوة جاذبية مركزية.
على سبيل المثال، عندما تقوم سيارة مع ركاب بتدوير عجلة القيادة، يتم قيادة السيارة بواسطة قوة الجاذبية المركزية التي تعمل على جميع أجزاء السيارة.
على الرغم من ذلك، يمكن للركاب في السيارة الاحتفاظ بحرية حركتهم، مما يساعدهم على الحفاظ على مسار مستقيم عندما تبدأ السيارة في الانعطاف.
يتسبب هذا في تحرك الركاب باتجاه الباب وحافة المقعد مما ينقل الجاذبية إليهم، والقوة التي يشعرون بها الركاب بعيدًا عن السيارةهي قوة الطرد المركزي.
لا يُعتبر قانون نيوتن للحركة واحدًا من القوى الحقيقية، بموجب قانون نيوتن الثاني للحركة، فإنالتسارع ينجم عن القوة.
عندما يتم تدوير حجرٍ في نهاية الخيط المربوط بقطبٍ على الأرض، يتغير اتجاه سرعة الحجر باستمرار مما يؤدي إلى حدوث تسارع.
في حالة انكسار الخيط، يحافظ الحجر على جماله ويتحرك في خط مستقيم مماس للمسار الدائري.
إذا كانت القوة الحقيقية للطرد المركزي كبيرة، فإن الحجر سيتحرك بعيدًا عن المركز بدلاً من التحرك بشكل عرضي.
تعريف قوة كوريوليس بالأمثلة
تُعرف قوة كوريوليس على أنها قوة وهمية أو قوة قصور ذاتي تظهر عندما يتحرك جسم أو كتلة داخل إطار مرجعي يدور بالنسبة لإطار قصور ذاتي.
تعمل قوة كوريوليس على انحراف الجسم أو الكتلة إلى الجانب الأيسر في إطار مرجعي مع دوران عقارب الساعة، وبالمثل فإنّ هذه القوة تحرف جسم أو كتلة إلى الجانب الأيمن في إطار مرجعي مع دوران عكس عقارب الساعة، ويعرف هذا الانحراف للجسم أو الكتلة بسبب قوة كوريوليس باسم تأثير كوريوليس.
أمثلة على قوة كوريوليس
من الأمثلة على قوة كوريوليس ما يلي:
- يعتبر دوران الأرض هو السبب الرئيسي لقوة كوريوليس، حيث نعلم جميعًا أن الأرض تدور حول محورها من الغرب إلى الشرق وتصبح الأرض دوارة حول نفسها إطارًا مرجعيًا للكتلة الهوائية المتحركة. عندما يتم تحريك كتلة هوائية بالقرب من سطح الأرض نتيجة لقوة تدرج الضغط ، فإنها تتعرض للانحراف في مسارها بسبب قوة كوريوليس.
- تساهم القوة الكوريولية في الحفاظ على حلقات الرياح وحركة الهواء في الطبقات العليا، وتشمل ذلك التيارات النفاثة.
- التأثير الرئيسي الذي يجيب على السؤال الشائع حول لماذا تدور الأعاصير في الاتجاه المعاكس هو تأثير كوريوليس.
الاختلاف بين القوة الطاردة المركزية وقوة كوريوليس
كلتا قوة الطرد المركزي وقوة كوريوليس هما قوى زائفة، ولكنهما مختلفتان في طريقة تصورهما، والاختلاف بين هاتين القوتين يتمثل في:
- الاتجاه
فيما يتعلق باتجاه حركة قوة الطرد المركزي، يتم توجيهها شعاعيًا إلى الخارج من الجسمعلى إطار مرجعي دوار، في حين يتم عمل قوة كوريوليس بشكل عمودي مع محور الدوران وتتجه سرعتها نحو الجسم.
- التناسب
ترتبط قوة الطرد المركزي بمربع معدل الدوران، بينما ترتبط قوة كوريوليس بمعدل الدوران، وتعتمد قوة الطرد المركزي على مسافة الجسم من محور دوران الإطار، بينما تعتمد قوة كوريوليس على متجه السرعة المتعامد مع محور الدوران
أمثلة على قوة الطرد المركزي مقابل قوة كوريوليس
هناك اختلاف بين قوة الطرد المركزي وقوة كوريوليس، ويمكن فهم هذا الاختلاف من خلال الأمثلة التالية:
أرجوحة الأطفال
تعد أرجوحة الأطفال الدوّارة في حديقة الأطفال مثالًا على القوتين المجتمعتين، حيث يولد متجه السرعة العرضية قوةً تجذب الشخص للخارج عند وقوفه على حافة الأرجوحة، وهذه هي قوة الطرد المركزي.
عندما يظل الجسم ثابتًا بالنسبة لإطار الإشارة المرجعية للأرض ولكن يتحرك في الجو فوق دوامة، يتدخل قوة ظاهرة تميل إلى تحويله جانبيًا، حتى إذا استمر في الحركة في خط مستقيم نحو محور الدوران، وتسمى هذه القوة الظاهرة بقوة كوريوليس.
دوران الأرض
تعد القوى الناتجة عن دوران الأرض هي قوى وهمية لأن سطح الأرض ليس إطارًا ثابتًا، ولذلك فمن المعتاد ملاحظة أن قوة كوريوليس تميل إلى تحويل أي جسم نحو الجانب الأيمن، الذي ينتقل على سطح الأرض في نصف الكرة الشمالي.
وتؤدي هذه الظاهرة نفسها إلى ظهور الماء في حركة عكس اتجاه عقارب الساعة عند ملاحظة تصريف المياه من حوض الاستحمام من الأعلى، لكن دوران الأرض حول محور ثابت يجعل قوة الطرد المركزي تعمل دائمًا شعاعيًا للخارج من المحور، وقد يبدو ذلك على أنه يعارض الجاذبية عند خط الاستواء، بينما هو صفر عند القطبين.
اتجاه الرياح
عندما يتحرك سائل من خط عرض إلى آخر، يحدث تغيير في المسافة بينه وبين محور الدوران، ويتم تعويض ذلك عن طريق الحفاظ على زخم الدوران الزاوي بقيمة ثابتة من خلال تغيير معدل دوران المحور.
وتتحرك الرياح بزاوية قائمة مع قوة كوريوليس المؤثرة عليها بشكل دائم وتتناسب هذه القوة طرديًا مع سرعة الرياح، بينما تعتمد سرعة الرياح بشكل مباشر على قوة الطرد المركزي التي تتناسب مع عكس نصف قطر الانحناء.
في هذه الظاهرة، يؤدي التحرك باتجاه الشرق إلى زيادة سرعة تدفق الهواء، مما يتجاوز السرعة اللازمة للحفاظ على سطح الأرض سليمًا، وبالإضافة إلى ذلك، يتحرك الهواء بشكل رأسي مع محور الدوران، وعند سحب الهواء نحو مركز الأرض عن طريق الجاذبية، فإن ذلك يؤدي إلى تدفقه نحو خط الاستواء.
عندما يتدفق الهواء باتجاه الغرب، يتحرك ببطء أكبر من الهواء الذي يبقى عند نفس المسافة من محور الدوران، مما يجعله يتحرك عموديًا على المحور. ومع ذلك، تعترض الأرض طريق الهواء وتدفعها إلى القطبين بفعل منحدر السطح.
بالنسبة لقوة الطرد المركزي، فعند دفع الهواء نحو مركز الضغط المنخفض، فإنه ينحني ويتسبب في تحويل القوة إلى الخارج، وعندما يتم دفع الهواء بعيدًا عن نقطة الضغط المرتفع، فإن قوة الطرد المركزي تتجه دائمًا بعيدًا عن مركز انحناء الريح.