כוח מדומה
כוח מדומה (באנגלית: Fictitious force) הוא כוח הפועל על כל הגופים, שתנועותיהם מתוארות במערכת ייחוס לא אינרציאלית, כלומר גופים שמיקומם ותנועותיהם נמדדים על ידי צופה אשר בעצמו נמצא בתאוצה. בניגוד לכוחות ממשיים, כגון כוח חשמלי, כוחות מדומים אינם נובעים מאינטראקציה פיזיקלית בין גופים, אלא מהתאוצה של הצופה בלבד.[1]
לדוגמה, צופה היושב במכונית מאיצה לאורך שדרת עצים, יראה מהחלון את העצים נעים בתאוצה לאחור. על פי החוק השני של ניוטון, תאוצה של גוף יכולה להיגרם רק על ידי כוח שמופעל על הגוף. במקרה זה לא מופעל על העצים כל כוח ממשי המושך אותם אחורה, אך מכיוון שהצופה עצמו מאיץ, יש להוסיף למערכת כוח מדומה הפועל לאחור. הכוח הזה מסביר את התאוצה הנצפית של העצים. כמו כן, הכוח המדומה מסביר את העובדה שהמכונית אינה נעה ביחס לצופה: הוא בדיוק הפוך לכוח הממשי שמאיץ את המכונית, ולכן מבטל אותו לחלוטין. בנוסף, הכוח המדומה הוא שגורם לנוסעי המכונית להידחק אחורה לתוך המושב.
לכוחות המדומים שני מאפיינים נוספים. מאפיין אחד הוא שהחוק השלישי של ניוטון, חוק הפעולה והתגובה, אינו חל עליהם. חוק זה קובע שגוף המפעיל כוח על גוף אחר, הגוף האחר יפעיל עליו כוח נגדי. החוק אינו חל על כוחות מדומים מכיוון שאינם נובעים מאינטראקציה בין גופים. מאפיין שני הוא שהם תמיד פרופורציוניים למסה של הגוף עליו הם פועלים.[2]
מערכת ייחוס
ערך מורחב – מערכת ייחוס
מערכת ייחוס היא מערכת צירים לפיה נמדדים גדלים פיזיקליים כגון מיקומים ומהירויות של גופים במרחב.
לדוגמה, בבואנו לנתח את האירועים הקורים כאשר צנחן קופץ ממטוס, אנחנו יכולים לנתח את האירועים מנקודות מבט שונות. למשל אנחנו יכולים לבחור בנקודת מבטו של הצנחן, נקודת המבט של צופה היושב במטוס, או בנקודת מבט של צופה על הארץ. מכל נקודת מבט כזו נמקם את מערכת הייחוס יחד עם הצופה, כלומר הצופה עצמו לא יזוז כלל, וכל התנועות יחושבו ביחס אליו. לכן בכל מערכת ייחוס נקבל תוצאות שונות לגבי המיקומים, המהירויות והתאוצות של הגופים השונים.
מערכת ייחוס אינרציאלית היא מערכת מיוחדת שבה מתקיימים חוקי התנועה של ניוטון באופן מלא. מערכת ייחוס הנעה במהירות קבועה יחסית למערכת אינרציאלית תהיה אינרציאלית גם היא.
מערכת יחוס לא-אינרציאלית היא מערכת המאיצה יחסית למערכת אינרציאלית, ולכן יווצרו בה תאוצות נוספות שאינן ניתנות להסבר על ידי הכוחות הממשיים. על מנת ששני חוקי התנועה הראשונים של ניוטון יחזרו להתקיים, יש להוסיף כוחות מדומים. מערכות לא-אינרציאליות שונות ידרשו הוספה של כוחות מדומים שונים, על פי מאפייני התאוצה שלהן.[1]
כוחות מדומים במקרים נפוצים של מערכות ייחוס לא אינרציאליות
מערכת ייחוס המאיצה בקו ישר
במערכת ייחוס המאיצה בקו ישר נוסף כוח מדומה המייצר תאוצה זהה בכיוון ההפוך.[2]
לדוגמה, נקודת המבט של נוסע העולה במעלית. בתחילה המעלית מאיצה כלפי מעלה. בשלב זה מופעל כוח מדומה כלפי מטה, והנוסע ירגיש שהוא נלחץ כלפי הרצפה. לאחר מכן המעלית תגיע למהירות קבועה כלפי מעלה. בשלב זה נקודת המבט של הנוסע היא מערכת אינרציאלית, אין בה כוחות מדומים, והוא יחוש בה בדיוק כמו שהוא חש מחוץ למעלית. לפני העצירה המעלית תאיט, כלומר תאיץ כלפי מטה (בעודה נוסעת למעלה), ואז יופעל כוח מדומה כלפי מעלה. בשלב הזה הנוסע יחוש קל יותר.[3]
מערכת ייחוס המסתובבת במהירות זוויתית קבועה
במערכת ייחוס המסתובבת במהירות זוויתית קבועה יש להוסיף שני כוחות מדומים:
- כוח צנטריפוגלי: כוח הפועל על הגופים בכיוון ממרכז הסיבוב כלפי חוץ, ופרופורציוני למרחק הגוף מהמרכז.[4] כוח זה מורגש כשנוסעים במכונית הפונה לשמאל, למשל, והנוסעים נדחקים ימינה.[2] בקרוסלה, הכוח הצנטריפוגלי גורם לרוכבים עליה לחוש בכוח המושך אותם אחורה, מהמרכז החוצה. במכשיר הצנטריפוגה מסובבים חומרים במהירות, ומנצלים את הכוח הצטנריפוגלי על מנת להפריד בין חומרים בעלי צפיפות שונה.
- כוח קוריוליס: כוח הפועל על כל הגופים הנעים במערכת זו, וגורם להם לסטות מתנועה בקו ישר. מכיוון שכדור הארץ מסתובב, במערכת יחוס של צופה על פני כדור הארץ מורגשת ההשפעה של כוח קוריוליס. הכוח חלש יחסית, אך פעולתו מורגשת על תנועות בקנה מידה גדול, כגון תנועות זרמי אוויר, ומעופם של טילים.[2]
מערכת ייחוס המסתובבת במהירות זוויתית משתנה
במערכת ייחוס המסתובבת במהירות זוויתית משתנה, יש להוסיף שלושה כוחות מדומים: את הכוח הצטנריפוגלי וכוח קוריוליס כמו במקרה של מהירות זוויתית קבועה, וכן את כוח אוילר.[1]
ראו גם
הערות שוליים
- ^ 1.0 1.1 1.2 כוח מדומה באתר האפליקציה Byju's (אנגלית)
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 מהו כוח מדומה באתר מכון דוידסון
- ^ מערכת לא אינרציאלית באתר zonalandeducation (אנגלית)
- ^ כוח צנטרפוגלי וצנטריפטלי באתר האפליקציה Byju's
