В классической механике реактивная центробежная сила является частью пары действие-противодействие с центростремительной силой.
В соответствии с первым законом движения Ньютона объект движется прямолинейно при отсутствии результирующей силы, действующей на объект. Кривая траектория возникает, когда на нее действует сила, ортогональная движению объекта; эту силу часто называют центростремительной силой, поскольку она направлена к центру кривизны пути. Тогда в соответствии с третьим законом движения Ньютона также будет действовать равная и противоположная сила, действующая со стороны объекта на какой-либо другой объект, и эту силу реакции иногда называют реактивной центробежной силой, поскольку это направлена в сторону, противоположную центростремительной силе.
В случае мяча, удерживаемого веревкой в круговом движении, центростремительная сила — это сила, действующая нитью на мяч. С другой стороны, реактивная центробежная сила — это сила, с которой мяч воздействует на струну, натягивая ее.
В отличие от силы инерции, известной как центробежная сила, которая существует только во вращающейся системе отсчета, реактивная сила — это настоящая ньютоновская сила, которая наблюдается в любой системе отсчета. Две силы будут иметь одинаковую величину только в особых случаях, когда возникает круговое движение и когда ось вращения является началом вращающейся системы отсчета.
На рисунке справа показан шар, совершающий равномерное круговое движение, удерживаемый на своем пути нитью, привязанной к неподвижному столбу. В этой системе центростремительная сила, действующая на шар со стороны нити, поддерживает круговое движение, а реакция на нее, которую некоторые называют реактивной центробежной силой, действует на нить и столб.
Первый закон Ньютона требует, чтобы любое тело, движущееся по любой траектории, отличной от прямой линии, подвергалось результирующей ненулевой силе, а диаграмма свободного тела показывает силу, действующую на шар (центральная панель), действующую со стороны веревки, чтобы удерживать мяч в его круговое движение.
Третий закон действия и противодействия Ньютона гласит, что если струна оказывает на шар внутреннюю центростремительную силу, мяч будет оказывать на струну равную, но внешнюю реакцию, что показано на диаграмме свободного тела струны (нижняя панель) как < я>реактивная центробежная сила.
Нить передает реактивную центробежную силу от шара к неподвижной стойке, натягивая ее. Опять же, согласно третьему закону Ньютона, столб оказывает на веревку реакцию, называемую реакция столба, натягивая веревку. Две силы, действующие на струну, равны и противоположны, они не оказывают чистой силы на струну (при условии, что струна не имеет массы), но подвергают струну натяжению.
Причина, по которой столб кажется «неподвижным», заключается в том, что он прикреплен к земле. Если бы вращающийся шар был привязан, например, к мачте лодки, то и мачта лодки, и шар будут вращаться вокруг центральной точки.
Несмотря на то, что реактивная центробежная машина редко используется в анализе в физической литературе, эта концепция применяется в некоторых концепциях машиностроения. Примером такого рода инженерной концепции является анализ напряжений внутри быстро вращающейся лопатки турбины. Лезвие можно рассматривать как стопку слоев, идущих от оси к краю лезвия. Каждый слой оказывает наружную (центробежную) силу на непосредственно соседний радиально внутренний слой и внутреннюю (центростремительную) силу на непосредственно соседний радиально внешний слой. При этом внутренний слой оказывает упругую центростремительную силу на средний слой, а внешний слой оказывает упругую центробежную силу, что приводит к внутреннему напряжению. Именно напряжения в лопатке и их причины в этой ситуации интересуют главным образом инженеров-механиков.
Другим примером вращающегося устройства, в котором можно определить реактивную центробежную силу, используемую для описания поведения системы, является центробежная муфта. Центробежное сцепление используется в небольших устройствах с приводом от двигателя, таких как цепные пилы, картинги и модели вертолетов. Он позволяет двигателю запускаться и работать на холостом ходу без привода устройства в движение, но автоматически и плавно включает привод при повышении частоты вращения двигателя. Пружина используется для фиксации вращающихся башмаков сцепления. На низких скоростях пружина обеспечивает центростремительную силу колодкам, которые с увеличением скорости перемещаются в сторону большего радиуса, а пружина растягивается под напряжением. На более высоких скоростях, когда колодки не могут двигаться дальше, чтобы увеличить натяжение пружины, из-за внешнего барабана барабан создает часть центростремительной силы, которая удерживает колодки в движении по круговой траектории. Сила натяжения, приложенная к пружине, и внешняя сила, приложенная к барабану вращающимися башмаками, представляют собой соответствующие реактивные центробежные силы. Взаимная сила между барабаном и башмаками обеспечивает трение, необходимое для зацепления выходного приводного вала, соединенного с барабаном. Таким образом, центробежная муфта иллюстрирует как фиктивную центробежную силу, так и реактивную центробежную силу.
«Реактивная центробежная сила», обсуждаемая в этой статье, — это не то же самое, что центробежная псевдосила, которую обычно и понимают под термином «центробежная сила».
Реактивная центробежная сила, составляющая половину пары реакции вместе с центростремительной силой, представляет собой концепцию, применимую в любой системе отсчета. Это отличает ее от инерционной или фиктивной центробежной силы, которая появляется только во вращающихся системах отсчета.
При вращении двух тел, например планеты и луны, вращающихся вокруг общего центра масс или барицентра, силы, действующие на оба тела, являются центростремительными. В этом случае реакцией на центростремительную силу планеты на Луну является центростремительная сила Луны на планете.
