ماهي القوة الطاردة المركزية

القوة هي كمية فيزيائية لها اتجاه ومقدار، وتستخدم لتغيير حالة الأجسام وجعلها تتحرك، ويمكن أن يتغير هذا التغيير في الطاقة الحركية أو في الطاقة المخزنة في الجسم، أو في اتجاه الجسم أو في كلاهما، ويتم التعبير عن القوة كمعدل تغيير زخم الحركة بالنسبة لوحدة الزمن. ولقد ساهم العديد من العلماء في فهم وتوضيح مفاهيم القوى، منهم أرخميدس وإسحق نيوتن، وتعتبر القوة الطاردة المركزية من أهم القوى الموجودة في الطبيعة التي درسها العلماء بجهد .

القوة الطاردة المركزية ‏

تعتبر قوة الطرد المركزية قوة وهمية وغير حقيقية تؤثر على الأجسام المتحركة في مسار دائري. تنشأ هذه القوة نتيجة تأثير رد الفعل المقابل لقوة الجاذبية الأرضية، وتسمى هذه القوة بالقوة الطاردة المركزية أو القوة النابذة. في اللغة الإنجليزية، تطلق عليها اسم `Centrifugal Force`. يتم حساب القوة الطاردة المركزية بالاستناد إلى قانون نيوتن الثاني، الذي ينص على أن الجسم يكتسب تسارعا عندما تؤثر عليه قوة أو مجموعة من القوى. يكون هذا التسارع طرديا مع محصلة القوى المؤثرة على الجسم، وعكسيا مع كتلة الجسم .

مكتشف القوة الطاردة المركزية

اسحاق نيوتن، عالم الفيزياء الشهير، اكتشف القوة الطاردة المركزية الوهمية في عام 1666م، وذلك بعد اكتشافه للجاذبية الأرضية حسب القصة المشهورة، عندما سقطت التفاحة وبدأ نيوتن يتساءل عن سبب سقوطها إلى الأسفل بدلا من الصعود إلى الأعلى. قام نيوتن بتفسير ذلك بوجود قوة جاذبية تجذب جميع الأجسام نحو الأسفل، ولكنه لم يتوقف عند هذا النقطة، بل استمر في التساؤل حول حركة الكواكب وكيفية تجنبها الاصطدام بالشمس. وأشار إلى وجود قوة جاذبية تجذب الكواكب نحو الشمس، في الوقت نفسه، توجد قوة تعمل على الحفاظ على الكواكب على مسافات ثابتة مع الشمس دون الاصطدام بها. قام نيوتن بتفسير ذلك بوجود قوة مضادة تقاوم القوة الجاذبة المركزية، وأطلق عليها اسم `القوة الطاردة المركزية`، وتعمل هذه القوة على دفع الأجسام بعيدا وتعكس القوة الجاذبية المركزية في كل الاتجاهات والمقادير

قانون القوة الطاردة المركزية

يخضع حساب القوة الطاردة المركزية إلى القانون الفيزيائي التالي‎ :‎

يعبر عن القوة الطاردة المركزية بالمعادلة Fc = −mv^2/r، وتمثل Fc القوة الطاردة المركزية بينما يشير رمز m إلى كتلة الجسم، و v يشير إلى سرعة دوران الجسم، و يمثل الرمز r نصف قطر الدائرة التي تعبر عن المسافة بين الجسم وقوة الجذب المركزية، وتتأثر القوة الطاردة المركزية بعوامل عديدة مثل الكتلة والمسافة بين الجسم ومركز الجذب، بالإضافة إلى سرعة دوران الجسم .

تطبيقات قوة الطرد المركزي في حياتنا اليومية ‏

يوجد العديد من الأمثلة والتطبيقات على القوة الطاردة المركزية :‏

تستخدم الأطفال الأرجوحة، حيث تدور حول محورها الأفقي بتأثير الطرد المركزي

مجفف الملابس في الغسالات الكهربية هو عبارة عن وعاء أسطواني ذو جدران مثقبة يجفف الملابس بواسطة قوة الطرد المركزي عندما تدور الأسطوانة بسرعة. تعمل قوة الطرد المركزي على إخراج المياه من الملابس الرطبة عبر الثقوب، مما يسرع عملية تجفيف الأقمشة المبللة

عندما تنحرف السيارة فجأة نحو اليسار، يتعرض الركاب في السيارة للضغط الخارجي إلى اليمين، وذلك بسبب قوة الطرد المركزي التي تؤثر على الركاب

يدور دلو مملوء بالماء في دائرة رأسية بسرعة معينة، ولا يسقط محتوياته، لأن وزن الماء يتوازن بواسطة قوة الطرد المركزي التي تعمل عليه

توسع الأرض عند خط الاستواء وتسطحها عند القطبين يعود إلى قوة الطرد المركزي التي تؤثر عليها

تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الرياضة ‏

وفقًا لقانون نيوتن الخاص بالحركة الدائرية، ستستمر الأجسام في الحركة في مسار مستقيم ما لم يتم إجبارها على القيام بحركة أخرى بالقوة. وبالتالي، عندما يحمل الرياضي مطرقة في ألعاب القوى، يجب عليهاستخدام القوة للحفاظ على الحركة في مسار دائري قريب

بالإضافة إلى ذلك، يواجه الرياضيون صعوبة في الركض بسرعة عالية في مسار منحني مقارنة بالمسارات المستقيمة

تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الطب ‏

يعود استخدام أجهزة الطرد المركزي إلى أوائل القرن الثالث عشر عندما تم ‏استخدامها لفصل الكريمة عن الحليب ، وكان وقتها التشغيل يتم يدويًا وكانت ‏سرعات الدوران منخفضة ، ولكن في وقت لاحق تم إضافة المحركات الكهربائية ‏، واستخدمت القوة الطاردة المركزية في العديد من الاستخدامات .

حصل ثيودور سفيدبرغ على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1926 بفضل قدرته على تحديد الوزن الجزيئي وهيكل الوحدة الفرعية للبروتينات المعقدة مثل الهيموجلوبين باستخدام قوة الطرد المركزي عالية السرعة. ولتكريمه تم تسمية وحدات الترسيب ذات الكفاءة الفعالة Svedberg (S) باسمه

كيف يتم فصل المكونات عن بعضها باستخدام قوة الطرد المركزي

الدوران يسبب قوة عمودية على محور الدوران، وتؤدي قوة الطرد المركزي إلى فصل وربط المواد ذات الكثافات المختلفة بمعدلات مختلفة، وتسبب تسارع الأجسام ذات الكثافات المختلفة، مما يؤدي إلى وجود المواد الأقل كثافة بالقرب من مركز الدوران

تطبيقات قوة الطرد المركزي في مجال الطاقة النووية

تستخدم في المفاعلات النووية عملية استخلاص أحد نظائر اليورانيوم، حيث تعتمد عملية الفصل على نظرية القوة الطاردة المركزية، ويتم فصل اليورانيوم ٢٣٥ عن اليورانيوم ٢٣٨ الأكثر شيوعا، ورغم الاختلاف البسيط بثلاثة نيوترونات فقط، إلا أن هذه الخطوة تعد كبيرة في إنتاج المواد الانشطارية

يتم استخدام غاز يسمى فلوريد اليورانيوم السداسي في عملية فصل اليورانيوم، ويتم الفصل بسرعة دوران كبيرة جدا يمكن أن تصل إلى 70 ألف لفة في الدقيقة، ونظرا لانخفاض وزن هذا النظير مقارنة بالآخرين، يتم استخلاصه بواسطة تقنيات الشفط حيث يرتفع مع الدوران. ونظرا لصعوبة عملية الإنتاج، فإن معدلات الإنتاج منخفضة، ولذلك يتطلب الأمر الكثير من أجهزة الطرد المركزي لتوفير مواد المفاعلات النووية