ההסבר של התלמיד

בניסוי שעשיתי -לקחתי כוס ומלאתי אותה במיץ תפוזים, לאחר מכן לקחתי את הכוס עם הקולה וסובבתי אותה במהירות במסלול מעגלי .

בשלב הראשון - סובבתי כאשר פתח הכוס היה מופנה כלפי מעלה וכך לא היה יכול להיווצר מצב שמיץ תפוזים ישפך מהכוס.

בשלב השני - צילמתי את הכוס כאשר פתח הכוס היה מופנה כלפי מטה ולא נשפכה טיפת מיץ תפוזים מן הכוס מכיוון שמופעל כוח צנטריפוגלי במקרה זה.

כוח צנטריפוגלי הוא כח הפועל על גופים הנמצאים בתנועה סיבובית והודף אותם מן המרכז החוצה. כאשר אופנוע שנוסע על קיר מעוגל האופנוע נצמד לקיר ואיננו נופל ,מקרה זה מראה לנו כי הגוף שזז במעגל מרחיק את עצמו בצורה לא רציונלית ממרכז המעגל כאילו יש כח שדוחף אותו לחוץ המעגל, כח זה נקרא כח צנטריפוגלי ופרושו בלטינית בורח מהמרכז. אנו רואים את הכח הצטריפוגלי בניסוי שערכתי כאשר לפי ההיגיון כאשר מסובבים כוס שמלאה בנוזל כלשהו (הפעם במיץ תפוזים)- הנוזל אמור להישפך, ואילו בניסוי ראינו שבזכות הכח הצנטריפוגלי הנוזל אינו נשפך מכיוון שהוא זז בתנועה מעגלית ונידחק ממרכז המעגל אל החוץ מה שגרם לכך שהנוזל לא נשפך.

הרחבה

 את העובדה שהמיץ אינו נשפך מהכוס בשעה שמסובבים אותה בתנועה מעגלית אופקית, במהירות משיקית מספיק גדולה, ניתן להסביר כאשר אנחנו מסתכלים על המיץ משתי נקודות ראות שונות: מנקודת ראות של צופה חיצוני ומנקודת ראות של צופה פנימי. צופה חיצוני (צופה שמסתכל על המיץ בכוס מבחוץ) רואה את המולקולות של המיץ נעות במסלול מעגלי אופקי ופירושו של דבר שלפי החוק השני של ניוטון שקול הכוחות הפועלים על המולקולות, מכוון למרכז. פירושו של דבר שמנקודת ראות של צופה חיצוני, שקול הכוחות הפועלים על מולקולות המיץ בציר האנכי שווה לאפס בעוד ששקול הכוחות במישור האופקי מכוון בכל רגע למרכז המעגל ושווה ל , שקול כוחות זה נקרא הכוח הצנטריפטאלי (אין זה כוח נוסף, רק כינוי לשקול הכוחות המכוונים למרכז המעגל). כאשר m מייצג את המסה של המולקולה, את התדירות הסיבובית שבה מסובבים את הכוס וr את רדיוס הסיבוב של כל מולקולה. באופן סכמטי, תרשים הכוחות על המולקולה יהיה כזה:

כאשר mg מייצג את משקל המולקולה ואילו f ו N הם הרכיבים ישרי הזוית של הכוח השקול שמפעילות כל המולקולות שהן בשכנות עם המולקולה הנדונה. מכאן, נקבל את המשוואות הבאות:

f הוא בעצם כוח חיכוך הפועל על המולקולה. מכאן, שככל שמסת המולקולה גדולה יותר נדרש כח f גדול יותר. הערך המכסימאלי של f יהיה שווה ל

על פי משוואה זו ברור שכאשר הכוס איננה מסתובבת כוח החיכוך הפועל על המולקולה שווה לאפס והמולקולה תיפול. זוהי הסיבה שיש לסובב את הכוס ההפוכה ולהגיע למהירות סיבוב מינימאלית שתבטיח שהמיץ לא ישפך מהכוס ההפוכה.

צופה פנימי (צופה שמסתובב ביחד עם מולקולות המיץ), רואה את מולקולות המיץ במנוחה ביחס אליו (כמו שביחס לאדם שנמצא במעלית שעולה בתאוצה, כל האנשים שנמצאים איתו במעלית נמצאים במנוחה). לכן הוא טוען ששקול הכוחות הפועלים על המולקולות שווה לאפס. אבל, כיוון שהצופה נמצא בעצמו במערכת מואצת, עליו להוסיף לכוחות הפועלים על המולקולה, כוח המנוגד בכיוונו לכיוון תאוצת המערכת (דהיינו, כוח לאורך רדיוב המסלול במגמה החוצה- ושמו הכוח הצנטריפוגאלי). יוצא מכאן שבציר האנכי כותב הצופה את המשוואה

ובמישור הסיבוב את המשוואה

מכאן, ששני הצופים מגיעים לאותן משוואות אלא שהשיקולים שלהם שונים.

ראו גם "חרוז על מוט משופע המסתובב סביב ציר אנכי", תהודה, 31(1)