Φυγόκεντρος: Μια δύναμη γνωστή σε όλους που όμως… δεν υπάρχει!

Τι-Πως-Γιατί

Ίσως ακούγεται λιγάκι περίεργο, όμως η “δύναμη” που συναντάμε -ή, μάλλον, πιστεύουμε πως συναντάμε- σχεδόν καθημερινά, δεν υφίσταται στην πραγματικότητα. Αυτή η δύναμη, την οποία θεωρούμε δεδομένη και την αναφέρουμε συχνά στις περιγραφές μας είναι πλασματική. Είναι μία ψεύτικη δύναμη, στην οποία αποδίδουμε δράσεις που οφείλονται σε άλλα φαινόμενα. Δύσκολο να το… χωνέψουμε; Ίσως! Γιατί αν δεν ενεργεί επάνω μας κάποια δύναμη, τότε τί είναι αυτό που μας “κολλάει” στην πόρτα του αυτοκινήτου; Αν δεν είναι δύναμη, τι είναι αυτό που -αν δεν προσέξουμε την ταχύτητα και εάν δεν κρατιέται καλά- μπορεί να πετάξει προς τα έξω ένα παιδί από τον μύλο της παιδικής χαράς;

Κι όμως! Στην πραγματικότητα τίποτα δεν μας σπρώχνει. Δεν υπάρχει καμία δύναμη που να προσπαθεί να μας πετάξει “προς τα έξω”…

Αυτό που συμβαίνει είναι ότι κινούμαστε μέσα (ή πάνω) σε κάτι, το οποίο “αποφασίζει” να αλλάξει κατεύθυνση, αποφασίζει δηλαδή να σταματήσει δηλαδή να κινείται σε ευθεία γραμμή. Πράγματι, η φαινόμενη δύναμη που ονομάζουμε φυγόκεντρο εμφανίζεται μόνο όταν υπάρχει κίνηση. Και μόνο όταν η κίνηση αυτή δεν παραμένει σταθερή, όπως π.χ. σε ένα αυτοκίνητο που στρίβει.

Τι συμβαίνει τότε; Εμείς, εφόσον κινούμαστε μαζί με το αυτοκίνητο, έχουμε αποκτήσει ήδη κάποια ταχύτητα. Η αδράνειά μας, λοιπόν, επιθυμεί να διατηρήσουμε αυτόν τον τρόπο κίνησης, αυτή την ταχύτητα· δεν της αρέσουν οι αλλαγές. Αδράνεια, όπως μας λέει ο Γαλιλαίος αλλά και ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα, σημαίνει πως ένα σώμα το στο οποίο δεν ασκούνται δυνάμεις (ή αν ασκούνται, η συνισταμένη τους είναι ίση με μηδέν) θα διατηρήσει την κινητική του κατάσταση. Αν είναι δηλαδή ακίνητο, θα συνεχίσει να μένει ακίνητο, ενώ αν κινείται θα διατηρήσει την ταχύτητα αυτή.

Ο οδηγός του οχήματος βλέπει τα αντικείμενα να μετακινούνται προς τα δεξιά, σα να τα σπρώχνει κάποια δύναμη. Στην πραγματικότητα, αυτά απλά συνεχίζουν να κινούνται όπως πριν.

Αυτό σημαίνει πως το σώμα αυτό, πέραν του ότι θα διατηρήσει το μέτρο της ταχύτητάς του, θα συνεχίσει επίσης να κινείται σε ευθεία γραμμή. Γιατί μεταβολή της ταχύτητας δεν είναι μόνο το “πόσο γρήγορα” πηγαίνουμε. Μεταβολή θεωρείται επίσης και η αλλαγή της κατεύθυνσης. Ας δούμε περισσότερα για αυτό:

Ταχύτητα

Η ταχύτητα είναι διανυσματικό μέγεθος. Αυτό σημαίνει πως δεν αρκεί ένας αριθμός για να την περιγράψουμε, καθώς άλλο είναι να κινούμαι προς την Ανατολή και άλλο προς τη Δύση. Γίνεται εύκολα αντιληπτό πως αν θέλουμε να υπολογίσουμε τις θέσεις ή την απόσταση δύο οχημάτων, τότε άλλο αποτέλεσμα θα προκύψει εάν αυτά κινούνται παράλληλα, άλλο εάν κινούνται αντίθετα και άλλο εάν κινούνται με τις ταχύτητές τους υπό γωνία. Έτσι, η ταχύτητα πέρα από το μέτρο (π.χ. τόσα χιλιόμετρα την ώρα), χαρακτηρίζεται επίσης και από την κατεύθυνση, δηλαδή την διεύθυνση και την φορά. Για να έχουμε πλήρη εικόνα της ταχύτητας ενός αντικειμένου, λοιπόν, δεν αρκεί η ένδειξη του κοντέρ, αλλά χρειαζόμαστε μία περιγραφή όπως:

“Ο Κώστας κινείται με 80 Km/h (μέτρο)” στην Λεωφόρο Σύγγρού (διεύθυνση) προς Αθήνα (φορά)”.

Άρα, διατήρηση της ταχύτητας που ήδη έχουμε, σημαίνει ότι συνεχίζουμε να κινούμαστε σε ευθεία γραμμή. Και για όσο χρόνο κινείται με σταθερή ταχύτητα και το όχημα στο οποίο επιβαίνουμε, δεν πρόκειται να παρατηρήσουμε να ενεργεί επάνω μας κάποια δύναμη. Όταν όμως το όχημα αρχίζει να στρίβει, τότε αισθανόμαστε την δράση μίας δύναμης. Αυτή όμως δεν είναι μία δύναμη που προσπαθεί να μας πετάξει έξω από το όχημα, αλλά -αντίθετα- είναι η δύναμη από το όχημα που προσπαθεί να μεταβάλλει την δική μας κινητική κατάσταση, Είναι η δύναμη που μας σπρώχνει για να στρίψουμε και εμείς μαζί του.

Αυτή είναι η κεντρομόλος δύναμη. Η οποία είναι πραγματική. Είναι η δύναμη που μας ασκεί το κάθισμα του αυτοκινήτου, αναγκάζοντάς μας να στρίψουμε μαζί του. Και εάν δεν αρκεί η τριβή (ή το πλαϊνό μέρος) του καθίσματος, τότε δεν θα στρίψουμε. Θα συνεχίσουμε την ευθύγραμμη πορεία μας, μέχρι να αναλάβει δράση η… πόρτα. Σε αυτή την περίπτωση, η δύναμη που ασκεί η πόρτα επάνω μας εκτελεί χρέη κεντρομόλου· αυτή είναι που μας σπρώχνει -ώστε να εκτελέσουμε καμπυλόγραμμη κίνηση- και όχι εμείς αυτήν. Ουσιστικά το όχημα είναι που αλλάζει θέση, μπαίνοντας μπροστά μας ως εμπόδιο.

Κυκλική κίνηση. Η κεντρομόλος (π.χ. η τάση ενός νήματος, στο οποίο είναι δεμένο το σώμα) μεταβάλλει διαρκώς την κατεύθυνση της ταχύτητας, αναγκάζοντας το σώμα να εκτελέσει καμπυλόγραμμη κίνηση.

Κεντρομόλος δύναμη

Τι είναι, όμως, η κεντρομόλος; Είναι η δύναμη που απαιτείται για να αλλάξει η κατεύθυνση ενός κινούμενου σώματος. Όπως για παράδειγμα στην ομαλή κυκλική κίνηση, κατά την οποία το μέτρο της ταχύτητας παραμένει σταθερό, η κατεύθυνσή της όμως αλλάζει διαρκώς, καθώς το σώμα κινείται επάνω στην περιφέρεια ενός κύκλου. Ας δούμε κάτι, σε αυτό το σημείο. Γνωρίζουμε από την σχολική Φυσική, ότι όταν ασκείται δύναμη σε ένα σώμα τότε αυτό επιταχύνεται. Εδώ, όμως, βλέπουμε πως η ταχύτητα δεν μεταβάλλεται. Ένα αυτοκίνητο μπορεί να κινείται με την ίδια ταχύτητα, με σταθερά δηλαδή χιλιόμετρα ανα ώρα σε μία κυκλική πίστα. Ωστόσο, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, η ταχύτητα (και η δύναμη) είναι διανυσματικά μεγέθη. Έτσι, αρκεί η αλλαγή κατεύθυνσης, και μόνο, για να υπάρξει επιτάχυνση (μεταβολή δηλαδή της ταχύτητας). Η κεντρομόλος δύναμη αλλάζει, ομοίως, διαρκώς κατεύθυνση, καθώς “κοιτάει” πάντα προς το κέντρο του κύκλου. Και εφόσον είναι κάθετη στην ταχύτητα, δεν μπορεί να επηρεάσει το μέτρο αυτής, παρά μόνο την κατεύθυνση.

Επάνω: Το μέτρο της ταχύτητας v δεν μεταβάλλεται μεταξύ των σημείων P και P’ της καμπυλόγραμμης κίνησης. Κάτω: Όπως βλέπουμε, όμως, η διανυσματική τους διαφορά (αφαίρεση) δεν είναι μηδενική, κάτι που σημαίνει ότι έχουμε επιτάχυνση.

Κεντρομόλος, λοιπόν, είναι η δύναμη που ασκεί το σχοινί σε ένα σώμα, το οποίο το έχουμε δέσει και το κουνάμε κυκλικά γύρω από εμάς, κεντρομόλος είναι και η δύναμη μεταξύ των ελαστικών, ενός αυτοκινήτου που στρίβει, και του οδοστρώματος. Γιατί η κεντρομόλος δεν αφορά μόνο την κυκλική κίνηση, αλλά οποιαδήποτε κίνηση με καμπύλη τροχιά. Σε κάθε σημείο της καμπυλόγραμμης κίνησης αντιστοιχεί μία ακτίνα καμπυλότητας, και η τρέχουσα κεντρομόλος “κοιτάει” προς το κέντρο αυτής. Αυτό ακριβώς συμβαίνει και στα αντικείμενα που βρίσκονται σε τροχιά. Το βάρος τους -το οποίο δεν εξαφανίζεται ως διά μαγείας- παίζει τον ρόλο της κεντρομόλου.

Έλλειψη βαρύτητας στο διάστημα; Μπααα…

Όλοι έχουμε δει βίντεο από αστροναύτες που αιωρούνται μέσα σε ένα διαστημικό σκάφος σε τροχιά, δηλαδή σε έναν δορυφόρο, όπως είναι π.χ. ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός. Ας μπούμε, για λίγο, στη θέση των αστροναυτών, και ας αιωρηθούμε και εμείς. Θα σήμαινε αυτό ότι δεν έχουμε πια βάρος; Ότι έχει πάψει να μας έλκει η Γη; Φυσικά και όχι. Στην πραγματικότητα η Γη εξακολουθεί να μας έλκει. Και εμάς και τον δορυφόρο. Και εάν σταματούσαμε να κινούμαστε, τότε θα αρχίζαμε να “πέφτουμε” προς αυτήν. Τι ισχύει, λοιπόν;

Αυτό που συμβαίνει είναι ότι το βάρος μας παίζει τον ρόλο της κεντρομόλου δύναμης. Μίας δύναμης που είναι απαραίτητη όταν πρόκειται για την εκτέλεση μιας μη ευθύγραμμης κίνησης. Το βάρος του δορυφόρου αποτελεί την κεντρομόλο δύναμη για την δική του -σχεδόν κυκλική- τροχιά, και το βάρος μας αποτελεί, αντίστοιχα, την κεντρομόλο για την δική μας. Με λίγα λόγια, δεν μας “κουβαλάει” ο δορυφόρος. Την ίδια κίνηση γύρω από τη Γη θα εκτελούσαμε ακόμη και έξω από αυτόν. Ακόμη και χωρίς αυτόν (καλό θα ήταν να φοράμε μια… στολή, ε;). Φτάνει να είχαμε την σωστή ταχύτητα για την συγκεκριμένη απόσταση από τον πλανήτη.

Άρα εκτελούμε και οι δύο (και εμείς και ο δορυφόρος) την ίδια κίνηση, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον. Δεν χρειάζεται, λοιπόν, να ασκήσουν δύναμη επάνω μας, τα τοιχώματα του δορυφόρου, ώστε να μας αναγκάσουν να κινηθούμε μαζί του. Ούτε να μας ασκήσει δύναμη το πάτωμα για να μην πέσουμε προς τη Γη. Έτσι λοιπόν πλέουμε μέσα σε αυτόν, κάτι που δίνει την εντύπωση πως δεν υπάρχει βαρύτητα. Όπως ακριβώς θα συνέβαινε εάν κοβόταν το συρματόσχοινο ενός ανελκυστήρα, και κάποιος -πολύ άτυχος- άρχιζε να πέφτει μαζί με τον θάλαμο. Το βάρος του εξακολουθεί να υφίσταται (θα το διαπιστώσει σύντομα). Όμως μέσα στον θάλαμο θα επέπλεε, ακριβώς σα να μην υπήρχε η έλξη της Γης.

Ο αστροναύτης και το διαστημόπλοιο, κινούνται σε τροχιά γύρω από την Γη, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον. Για τον καθένα ξεχωριστά, το ίδιο του το βάρος αποτελεί την κεντρομόλο που απαιτείται για αυτή την κίνηση. Έτσι, κανείς δεν χρειάζεται να ωθήσει ή να συγκρατήσει τον άλλον, δημιουργώντας την ψευδαίσθηση της έλλειψης βαρύτητας.

Ας γυρίσουμε τώρα στα παραδείγματα που χρησιμοποιήσαμε προηγουμένως, και ας προσπαθήσουμε να δούμε ποιές διαφορές υπάρχουν, πόσο διαφορετικά δηλαδή παρατηρούμε αυτά που γίνονται, όταν βρισκόματε σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς.

Συστήματα αναφοράς

Αδρανειακό σύστημα αναφοράς είναι αυτό που κινείται με σταθερή ταχύτητα (και η μηδενική, σταθερή ταχύτητα θεωρείται). Αντίθετα, ένα επιταχυνόμενο σύστημα είναι μη αδρανειακό. Οι δύο πρώτοι νόμοι του Νεύτωνα ισχύουν μόνο όταν τα φαινόμενα παρατηρούνται μέσα σε μη επιταχυνόμενα συστήματα αναφοράς

Σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς δεν υπάρχει κανένας τρόπος, κάνενα πείραμα -εντός αυτού- που να μας βοηθήσει να καταλάβουμε εάν κινούμαστε ή όχι. Εάν βρισκόμαστε μέσα σε ένα διαστημόπλοιο χωρίς “φινιστρίνια” τότε δεν μπορούμε να ανακαλύψουμε αν αυτό κινείται ή αν παραμένει ακίνητο. Το ίδιο ισχύει και στη Γη, για παράδειγμα μέσα σε ένα τρένο, ή μάλλον θα ίσχυε, εάν δεν υπήρχαν εξωτερικές επιδράσεις όπως ο ήχος και οι κραδασμοί από τους τροχούς. Θα μπορούσε να ρωτήσει κάποιος “και γιατί δεν κοιτάμε από το παράθυρο, να τελειώνει το θέμα;”

Καλή ερώτηση, αλλά ας θυμηθούμε την ταινία “Top Secret” όπου όλοι νομίζουν ότι εκκινεί το τρένο, ενώ στην πραγματικότητα κινείται επάνω σε ρόδες ο σταθμός. Με λίγα λόγια, πρέπει να ορίσουμε/θεωρήσουμε εμείς κάποιο άλλο αδρανειακό σύτημα ως ακίνητο -καθώς είναι αδύνατο να είμαστε σίγουροι για κάτι ακίνητο στο Σύμπαν- για να μπορέσουμε, μέσω παρατήρησης, να βρούμε το πως κινούμαστε σε σχέση με αυτό.

Όταν εξετάζουμε τα γεγονότα από ένα αδρανειακό σύστημα, τότε δεν παρατηρούμε να εμφανίζεται καμία “εξωτική” δύναμη. Αυτό που θα παρατηρήσουμε, θα είναι μία υπαρκτή δύναμη που ασκείται (από τα διάφορα μέρη του αυτοκινήτου) στον επιβάτη, η οποία του αλλάζει την κατεύθυνση. Ο ίδιος, όμως, παρατηρώντας μέσα από το δικό του σύστημα αναφοράς -αυτό του αυτοκινήτου, το οποίο είναι μη αδρανειακό- δεν παρατηρεί κάποια αλλαγή πορείας. Εξετάζοντας μόνο τα του συστήματός του, ο ίδιος θεωρεί ότι δεν κινείται (η θέση του παραμένει σταθερή μέσα στο όχημα), και πως μία δύναμη τον σπρώχνει προς την πόρτα.

Για τον ίδιο, η πόρτα εμφανίζει μία ξαφνική… βαρύτητα, η οποία μοιάζει να είναι πραγματικότατη. Ας μην ξεχνάμε ότι η ύπαρξη ενός περιστρεφόμενου δακτυλίου, σε ένα διαστημόπλοιο, θα προσέφερε μία πραγματική αίσθηση βαρύτητας σε αυτούς που θα κινούνταν κυκλικά μαζί του. Όπως ας μην ξεχνάμε ότι το βάρος μας μειώνεται, όσο προχωράμε από τους πόλους προς τον Ισημερινό. Πλασματική (αδρανειακή) δύναμη μεν, υπαρκτό (μετρήσιμο) αποτέλεσμα δε.

Διαστημικός ανελκυστήρας. Μια ιδέα που -αν μπορέσουμε να την υλοποιήσουμε- θα φέρει μια νέα εποχή στην εξερεύνηση του διαστήματος. Ο παρατηρητής που βρίσκεται επάνω σε αυτόν, θεωρεί πως υπάρχει μία δύναμη που σπρώχνει τον ανελκυστήρα μακριά από τη Γη.

Και εφόσον η επιτάχυνση δεν αφορά μόνο σε καμπυλόγραμμες κινήσεις, ας δούμε και ένα παράδειγμα στην… ευθεία! Έστω, λοιπόν, ότι ένα λεωφορείο διατηρεί την κατεύθυνσή του, δηλαδή κινείται ευθύγραμμα, αλλά κάποια στιγμή επιβραδύνει. Όλοι γνωρίζουμε ότι οι επιβάτες θα νιώσουν να φεύγουν προς τα εμπρός.

Αλήθεια, γιατί δεν έχουμε δώσει ένα -αντίστοιχο της φυγόκεντρης- όνομα, στην “δύναμη” που μοιάζει να μας σπρώχνει προς τα εμπρός όταν το όχημα φρενάρει; Ίσως γιατί στην ευθύγραμμη κίνηση τα πράγματα είναι πιο απλά και κατανοούμε πιο εύκολα βάσει της καθημερινή μας εμπειρίας ότι δεν υπάρχει κάτι που να μας σπρώχνει μπροστά, αλλά -αντίθετα- το αυτοκίνητο σταματάει να κινείται τόσο γρήγορα όσο εμείς και, άρα, μπαίνει ως εμπόδιο στην δική μας πορεία.

Το θέμα, πάντως, είναι ότι ο επιβάτης που παρατηρεί μόνο το δικό του σύστημα αναφοράς, θα αντιληφθεί διαφορετικά το τι συμβαίνει, από έναν παρατηρητή ενός αδρανειακού συστήματος. Ο αδρανειακός παρατηρητής απλά θα δεί το λεωφορείο να φρενάρει, και τον επιβάτη που δεν πρόλαβε να κρατηθεί να συνεχίζει την ευθύγραμμη πορεία του (αφού δεν ασκείται καμία δύναμη σε αυτόν), μέχρι να “κολλήσει” στο τζάμι που βρίσκεται δίπλα από τον οδηγό. Ο επιβάτης του λεωφορείου, όμως, θα νιώσει ότι τον έλκει το… τζάμι. Και για όσο χρόνο συνεχίζει το λεωφορείο να επιβραδύνει, η “βαρύτητα” από το παρμπρίζ θα συνεχίσει να υφίσταται, ακόμα και αφού προσκρούσει επάνω σε αυτό.

Με λίγα λόγια, η εμφάνιση δυνάμεων που δεν ασκούνται πραγματικά σε εμάς, οφείλεται στο ότι βρισκόμαστε επάνω σε ένα μη αδρανειακό σύστημα. Εάν κρίνουμε τα όσα συμβαίνουν με βάση αυτό το σύστημα, τότε παρατηρούμε τις λεγόμενες αδρανειακές δυνάμεις, οι οποίες για έναν εξωτερικό παρατηρητή είναι ανύπαρκτες.

Εξαρτάται από το σύστημα, λοιπόν, το ποιές δυνάμεις παρατηρούμε. Και εξαρτάται από το είδος του συτήματος, το εάν αυτές είναι πραγματικές ή πλασματικές.

Και η φυγόκεντρος, όπως είδαμε -αναλυτικά ελπίζω- ανήκει στις δεύτερες. Να θυμάστε, λοιπόν, ότι κατά το στίψιμο του πλυντηρίου, το νερό δεν το “διώχνει” κάποια δύναμη (και ας το ονομάζουμε φυγοκέντρηση). Στην πραγματικότητα, του προσδίδουμε μια μεγάλη ταχύτητα, εφαπτόμενη στην περίμετρο του κάδου, την οποία απλά τείνει να διατηρήσει. Το νερό, βέβαια, ίσως τα βλέπει κάπως διαφορετικά τα πράγματα…

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *