الفرق بين القوة الطاردة المركزية وقوة كوريوليس .. بالأمثلة

تعريف القوة الطاردة المركزية

قوة الطرد المركزي هي قوة خيالية خارجية يتعرض لها جسم يتحرك في مسار دائري موجه بعيدًا عن مركز الدوران، ويكون اتجاه هذه القوة بعيدًا عن محور الدوران ويكون موازيًا لمحور الدوران.

تتساوى

القوة الطاردة المركزية

في الحجم والأبعاد مع قوة أخرى التي تعرف بالجاذبية المركزية وتعمل باتجاه مركز مسار دائري.

يُطلق عليها قوة وهمية لأنها لا تعمل إلا عندما تكون هناك قوة جاذبة، وتنتج هذه القوة بسبب خاصية القصور الذاتي للجسم المتحرك في مسار دائري.

ومع ذلك فإن القوة تعتمد على:

• كتلة
  
  الجسم
  
  .
• مسافة الجسم من المركز.
• سرعة الدوران.

تم استخدام مفهوم قوة الطرد المركزي في العديد من الأجهزة الدوارة مثل دوارات أجهزة الطرد المركزي والطرق الممتلئة ومضخات الطرد المركزي، ووحدة قياس قوة الطرد المركزي هي نيوتن. [1]

أمثلة على قوة الطرد المركزي

هناك الكثير من التطبيقات التي تعتمد في تشغيلها على قوة الطرد المركزي ومن هذه التطبيقات ما يلي:

• 
  حجر مرتبط بخيط
  

يمكن للمرء أن يلاحظ بسهولة قوة الطرد المركزي في

الحياة

الواقعية عن طريق ربط الحجر بخيط وتدويره حوله، وفي أثناء إجراء هذه التجربة تشعر بقوة على الحجر تميل إلى إبعاده عن المركز، وهنا هذه القوة تسمى قوة الطرد المركزي.

• 
  مضخات الطرد المركزي
  

تعد مضخات الطرد المركزي من أكثر الأنظمة المفضلة في المكونات الهيدروليكية، ويتكون من دافع مغمور جيدًا في

الماء

.

وعندما تدور يدور السائل الموجود حولها أيضًا، بينما يخضع الماء للدوران، فإنّه يواجه قوة طرد مركزي لأنّ الماء يتم طرحه في الجانب الخارجي.

ويؤدي هذا إلى ارتفاع الضغط والطاقة الحركية، ومن ثمّ يتم تطوير

الضغط المنخفض

في وسط شفرات المضخة الدوارة، ولذلك يتم سحب الماء من الحاوية بسهولة.

• 
  غسالة
  
  الملابس
  
  

غسالة الملابس هي واحدة من أكثر الأدوات الإلكترونية الاستهلاكية شيوعًا والتي تستخدم قوة الطرد المركزي لتشغيلها.

وآلية الدوران للآلة هي المسؤولة عن دفع جزيئات الملابس والماء والأوساخ إلى الجانب الخارجي من الأسطوانة، ثم يتم جمع هذه الأوساخ في الحقيبة المرفقة بالجانب الداخلي للحاوية، وبالتالي يتم تنظيف الملابس بشكل صحيح. [2]

مبدأ قوة الطرد المركزي

إنّ قوة الطرد المركزي هي قوة وهمية أو زائفة لأنها موجودة فقط عند وجود قوة جاذبية مركزية.

على سبيل المثال، عندما تقوم سيارة مع ركاب بتدوير عجلة القيادة، يتم قيادة

السيارة

بواسطة قوة الجاذبية المركزية التي تعمل على جميع أجزاء السيارة.

ومع ذلك فإنّ الركاب في السيارة يحتفظون بحرية حركتهم وبالتالي يحافظون على مسار مستقيم عندما تبدأ السيارة في الانعطاف.

يؤدي هذا إلى تحرك الركاب باتجاه حافة المقعد باتجاه الباب مما ينقل قوة الجاذبية إلى الركاب، والقوة التي يواجهها الركاب بعيدًا عن السيارة هي قوة الطرد المركزي.

لا يعتبر قانون نيوتن للحركة أن هذه قوة حقيقية وفقًا لقانون نيوتن الثاني للحركة، فإن التسارع ناتج عن القوة.

عندما يتم تدوير حجر في نهاية الخيط المربوط بقطب على الأرض، فيتغير اتجاه سرعة الحجر باستمرار مما يؤدي إلى حدوث تسارع.

إذا انكسر الخيط يميل الحجر إلى الاحتفاظ بجماله والتحرك في خط مستقيم مماس للمسار الدائري.

إذا كانت قوة الطرد المركزي حقيقية فإنّ الحجر سيتحرك في اتجاه خارجي بدلاً من التحرك بشكل عرضي. [1]

تعريف قوة كوريوليس بالأمثلة

قوة كوريوليس هي قوة قصور ذاتي أو هي قوة وهمية تظهر عندما يتحرك جسم أو كتلة داخل إطار مرجعي يدور فيما يتعلق بإطار قصور ذاتي.

تعمل قوة كوريوليس على انحراف الجسم أو الكتلة إلى الجانب الأيسر في إطار مرجعي مع دوران عقارب الساعة، وبالمثل فإنّ هذه القوة تحرف جسم أو كتلة إلى الجانب الأيمن في إطار مرجعي مع دوران عكس عقارب الساعة، ويعرف هذا الانحراف للجسم أو الكتلة بسبب قوة كوريوليس باسم تأثير كوريوليس. [3]

أمثلة على قوة كوريوليس

من الأمثلة على قوة كوريوليس ما يلي:

• 
  
  يعتبر دوران الأرض هو السبب الرئيسي لقوة كوريوليس، حيث
  
  
  نعلم جميعًا أن الأرض تدور حول محورها من الغرب إلى الشرق و
  
  
  تصبح الأرض دوارة حول نفسها إطارًا مرجعيًا للكتلة الهوائية المتحركة.
  
  
  عندما يتم تحريك كتلة هوائية بالقرب من سطح الأرض نتيجة لقوة تدرج الضغط ، فإنها تتعرض للانحراف في مسارها بسبب قوة كوريوليس.
  
  
• تساهم قوة كوريوليس في الحفاظ على أحزمة
  
  الرياح
  
  ودورات الهواء العلوي، بما في ذلك التيارات النفاثة.
• تأثير كوريوليس هو السبب الرئيسي الذي يجيب على
  
  السؤال
  
  المطروح كثيرًا ، “لماذا تدور الأعاصير في الاتجاه المعاكس”. [5]

الاختلاف بين القوة الطاردة المركزية وقوة كوريوليس

كل من قوة الطرد المركزي وقوة كوريوليس هي قوى زائفة، ولكنها مختلفة في طرق تصورها، ويتمثل الاختلاف بين هاتين القوتين في:

• 
  الاتجاه
  

بما يتعلق باتجاه حركة قوة الطرد المركزي فيتم توجيهها شعاعيًا إلى الخارج من الجسم في إطار مرجعي دوار، بينما يكون عمل قوة كوريوليس بشكل عمودي مع محور الدوران وتكون سرعته باتجاه الجسم.

• 
  التناسب
  

تتناسب قوة الطرد المركزي مع مربع معدل الدوران، بينما تتناسب قوة كوريوليس مع معدل الدوران، وترتبط قوة الطرد المركزي بمسافة الجسم من محور دوران الإطار، أما قوة كوريوليس  فتتناسب مع متجه السرعة المتعامد مع محور الدوران. [4]

أمثلة على قوة الطرد المركزي مقابل قوة كوريوليس

هناك فرق بين قود الطرد المركزي وقوة كوريوليس ويمكنك فهم هذا الفرق من خلال الأمثلة التالية:

أرجوحة الأطفال

تعد أرجوحة الأطفال الدوّارة المتواجدة في حديقة الأطفال مثالاً يجمع بين القوتين، حيث يولد متجه السرعة العرضية قوة يبدو أنها تسحب الشخص للخارج عند الوقوف على حافة الأرجوحة، وهذه هي قوة الطرد المركزي.

وإذا ظل الجسم ثابتًا فيما يتعلق بالإطار المرجعي للأرض ولكنه بدأ في التحليق فوق الدوامة، فعندئذٍ تدخل قوة ظاهرة، تميل إلى تحويله جانبياً حتى لو استمر في التحرك في خط مستقيم نحو محور دوران، وهذه القوة الظاهرة تسمى قوة كوريوليس.

دوران الأرض

تعتبر القوى الناتجة عن دوران الأرض هي قوى وهمية لأن سطح الأرض ليس إطارًا بالقصور الذاتي، فمن الشائع ملاحظة أن قوة كوريوليس تميل إلى تحويل كل جسم نحو الجانب الأيمن، الذي ينتقل على سطح الأرض في نصف الكرة الشمالي.

وتؤدي هذه الظاهرة نفسها إلى ظهور الماء في حركة عكس اتجاه عقارب الساعة عند ملاحظة تصريف المياه من حوض

الاستحمام

من الأعلى، لكن دوران الأرض حول محور ثابت يجعل قوة الطرد المركزي تعمل دائمًا شعاعيًا للخارج من المحور، وقد يبدو ذلك على أنه يعارض الجاذبية عند خط الاستواء، بينما هو صفر عند القطبين.

اتجاه الرياح

تؤدي حركة مائع من خط عرض إلى آخر إلى تجربة اختلاف في المسافة بينه وبين محور الدوران، فيتم تعويض ذلك من خلال الحفاظ على

الزخم الزاوي

بقيمة ثابتة عن طريق تغيير معدل دوران المحور.

وهنا تعمل قوة كوريوليس دائمًا بزاوية قائمة على متجه الرياح وتتناسب طرديًا مع سرعتها، ولكن من ناحية أخرى تحدد سرعة الرياح مقدار قوة الطرد المركزي، والتي تتناسب مع مقلوب نصف قطر الانحناء.

وفيها يؤدي التحرك في الاتجاه الشرقي إلى تدفق الهواء بشكل أسرع من السرعة المطلوبة للحفاظ على سلامة سطح الأرض، كما ويتحرك أيضًا بشكل عمودي مع محور الدوران، وهنا عندما يتم سحب الهواء للخلف باتجاه مركز الأرض عن طريق الجاذبية فإنه يتسبب في تدفقه نحو خط الاستواء.

عندما يتدفق الهواء باتجاه الغرب، فإنه يتحرك أبطأ من الهواء الذي يبقى على نفس المسافة من محور الدوران وبالتالي يتحرك عموديًا على المحور، ومع ذلك فإن الأرض تعترض الطريق ويدفعها منحدر السطح نحو القطبين.

ولكن بما يتعلق بقوة الطرد المركزي فعندما يتم دفع الهواء إلى مركز مركز الضغط المنخفض فإنه ينحني مما يتسبب في توجيه القوة إلى الخارج، وعندما يتم دفع الهواء بعيدًا عن نقطة الضغط المرتفع، ويتم توجيه مكون قوة الطرد المركزي دائمًا بعيدًا عن مركز انحناء الريح. [4]