Este es un muy matizada problema, pero no es el hilado de la estación espacial que las "causas" de la fuerza centrífuga, pero el hilado marco de referencia. Empezamos a decir cosas como "se siente una fuerza centrífuga sobre él" en un punto donde el *mejor marco de referencia para describir su movimiento es un marco giratorio.
Usted puede modelar un sistema como el de su astronauta y un cilindro en cualquier marco de referencia por favor. Esa es una de las reglas fundamentales de cómo el modelo de la física. Usted puede incluso ser un modelo de astronauta en un sistema de coordenadas que consiste en el Norte, el Este, y hacia Abajo, desde el punto de vista de un observador en el suelo viendo a las dos de la mosca, y la física aún predecir su movimiento con precisión.
Si el modelo en un "inercial" marco", el movimiento será descrito por el tradicional de las ecuaciones de Newton del movimiento (salvo algo exótico como la relatividad, la cual tendrá un efecto mínimo en las velocidades de las que están hablando). Los objetos se mueven en línea recta a menos afectado por una fuerza de otro objeto, como la gravedad o por el contacto con la superficie del cilindro. Esto es cierto incluso sobre la rotación de las estaciones espaciales! Se puede describir el movimiento de los astronautas en la rotación en la estación espacial sin fuerzas centrífugas si usted describir su posición en un marco inercial (como ECI).
Sin embargo, hay un problema aquí. Las ecuaciones de movimiento no puede ser simple en un marco inercial. Sí, usted puede deshacerse de las fuerzas centrífugas; usted terminará para arriba con algunas fuerzas normales si están de pie en la superficie interna del cilindro. Sin embargo, el movimiento de rotación como que significa que vas a tener que llevar en todo tipo de seno y coseno términos para describir el movimiento. El efecto de la astronauta en la estación espacial será pequeña, pero puede ser muy duro para demostrar que es pequeño, que le conduce a tener que considerar las cosas como la estación espacial se balancea sobre su eje.
En tales rotación de la situación, puede ser más conveniente el uso de un marco giratorio de referencia-en este caso, uno conectado a la estación espacial o un cilindro. Cuando hacemos esto, podemos llegar a evitar todos aquellos seno y coseno términos porque ellos terminan siendo agrupados en el movimiento de nuestro marco. La matemática se convierte en manejable.
Hay un precio a pagar por dicha rotación marcos: fuerzas centrípetas y de Coriolis efectos. Las leyes del movimiento definido por Newton son para "inercial" de marcos, que no son de rotación. Si intenta aplicarlos en la rotación de los marcos, se obtiene un resultado erróneo. Para un ejemplo de la vida real, ir a un parque con una pelota y encontrar una rotonda.
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Conseguir a dos personas, ponerlos en lados opuestos de la rotonda aunque no se trata de spinning, y lanzar la pelota hacia atrás y adelante. Esto funcionará como se espera. Ahora empiezan a girar la rotonda y lanzar la pelota hacia atrás y adelante. La gente en la rotonda se observa la bola curva de distancia de ellos en un ángulo recto a su movimiento. Los de la tierra simplemente ver la pelota que se mueve en línea recta, y la gente de rotación de su camino. No puedo vincular un gif aquí, pero Wikipedia tiene un bonito gif que muestra este efecto.
Estos extraños efectos venir porque el es el marco de referencia giratorio. Si usted cava en ellos con el cálculo, puede descubrir que las ecuaciones de movimiento tienen algunos de los términos adicionales en ellos, debido a la continua evolución del sistema de coordenadas. La primera de ellas es la centrípeta plazo, que tiene la apariencia de un centro que huían de la fuerza. El segundo es el término de Coriolis, que afecta a los cuerpos en movimiento perpendicular a su movimiento, y es responsable de una gran cantidad de los patrones del clima que vemos en la Tierra. (nota: me cambié de la fuerza centrífuga para centrípeta. El efecto real, cuando está escrito en matemáticas de la forma, es mejor descrita por una aceleración centrípeta plazo, que va hacia el centro. La fuerza centrífuga es el efecto en realidad es la "reacción igual y opuesta" a la aceleración centrípeta.)
Estas fuerzas son a menudo llamados "ficticios" de las fuerzas, debido a que no está siendo causado por cualquier cosa en el sistema. Que están siendo "causada" por la matemática del marco giratorio que usted eligió. Simplemente, en un marco giratorio, la "correcta" de las ecuaciones de movimiento incluir términos que no aparecen en un marco inercial.
Así, en el ejemplo, podemos ver el astronauta y el cilindro de dos maneras. Podemos tratar con un marco inercial de referencia o una rotación de marco de referencia. En el marco inercial, el astronauta y el cilindro son simplemente volar a lo largo de líneas rectas, disociada. El cilindro tiene un par de senos y cosenos en sus ecuaciones, porque es la rotación, pero el astronauta no. Si elegimos el marco giratorio en lugar de eso, nos encontramos con el cilindro del movimiento es simple (no está en movimiento con respecto a nuestro marco), pero el astronauta se parecen estar girando a gran velocidad alrededor del eje central del cilindro. Por qué? Debido a que el astronauta no girar con el cilindro, así como el marco de referencia que gira alrededor de él/ella, parecerá como si el astronauta está girando. La exacta de las ecuaciones de movimiento que describe este astronauta en este sistema de rotación incluirá una aceleración centrípeta término que se asegurará de que el astronauta está continuamente hacia la aceleración en el eje central apenas a la derecha para mantener a él/ella en una órbita circular. En este caso, vamos a encontrar que ambos enfoques describir el movimiento del astronauta correctamente, pero la inercia caso es mucho más sencillo buscar.
Sin embargo, vamos a cambiar un poco la situación. Vamos a dejar que el astronauta interactuar con el cilindro más. Vamos a dejar que ellos tienen sobre la superficie, o llenar el cilindro lleno de aire (que se empiecen a girar, ya que la fricción con la superficie exterior de toma). Ahora las ecuaciones de movimiento no son tan sencillas en el marco inercial. Usted tiene todas estas fuerzas adicionales a cuenta, cada uno con feo del seno y del coseno términos porque todos son de rotación. Las ecuaciones se vuelven extremadamente desordenado en el marco inercial, pero hacer llegar a la respuesta correcta.
Cambiar a un marco giratorio, y las complicaciones desaparecen. El aire es de (aproximadamente), inmóvil, y el cilindro se mueve. Las fuerzas sobre el astronauta son mucho más fáciles de escribir ahora. La mayoría de ellos incluso desaparecer! Sin embargo, tenemos que pagar un precio. El precio de la utilización de un marco giratorio es que las ecuaciones de movimiento para un marco giratorio debe incluir centrífuga y de Coriolis términos. Terminas con el exacto mismo resultado que con el marco inercial, sólo que con menos matemático dolor y la agonía.
En muchos casos, el manejo de estas "fuerzas ficticias" es más fácil de manipular las fuerzas que uno tiene que incluir en un marco inercial de referencia. Escoger el derecho de marco de referencia, y se cancela fuera como muchos de los feos detalles como sea posible, dejando sólo un fácil resolver la ecuación!
