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Formel für die Zentrifugalkraft

1750
  • Leonhard Euler
Historical laboratory scene illustrating centrifugal force in classical mechanics.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

In einem Bezugssystem, das sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω dreht, centrifugal force Die Kraft [latex]mathbf{F}_{mathrm{cf}}[/latex], die auf einen Körper der Masse [latex]m[/latex] am Ortsvektor [latex]mathbf{r}[/latex] vom Ursprung wirkt, ist durch die Vektorformel gegeben: [latex]mathbf{F}_{mathrm{cf}} = -m boldsymbol{omega} times (boldsymbol{omega} times mathbf{r})[/latex]. Diese Formel zeigt, dass die Kraft senkrecht zur Drehachse und nach außen gerichtet ist.

The vector formulation of centrifugal force provides a complete description of its magnitude and direction. The formula [latex]\mathbf{F}_{\mathrm{cf}} = -m \boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})[/latex] uses the vector cross product. Here, [latex]\boldsymbol{\omega}[/latex] is the angular velocity vector, which points along the axis of rotation. The term [latex]\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}[/latex] represents the tangential velocity of the point. The second cross product, [latex]\boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})[/latex], results in a vector that points radially inward, representing the centripetal acceleration. The negative sign in the formula flips this direction, resulting in a force vector that points radially outward from the axis of rotation. The magnitude of this force can be simplified to [latex]m \omega^2 r_{\perp}[/latex], where [latex]r_{\perp}[/latex] is the perpendicular distance from the mass to the axis of rotation. This mathematical precision is crucial for analyzing motion in rotating systems, such as the dynamics of machinery, planetary atmospheres, and spacecraft. It is a key component in the transformation of Newton’s second law vom Inertialsystem zum rotierenden System, wobei auch die Corioliskraft und die Eulerkraft berücksichtigt werden.

Diese Formulierung ist eine direkte Folge der Differentiation eines Ortsvektors in einem rotierenden Bezugssystem. Die Gesamtbeschleunigung in einem Inertialsystem ist die Summe der im rotierenden Bezugssystem beobachteten Beschleunigung, der Zentripetalbeschleunigung, der Coriolisbeschleunigung und der Euler-Beschleunigung. Stellt man das zweite Newtonsche Gesetz (Freal = m ainertial) für das rotierende Bezugssystem um, wandern diese Beschleunigungsterme auf die Kraftseite der Gleichung und erscheinen als Scheinkräfte mit negativem Vorzeichen. Die Zentrifugalkraft ist somit der Term -m(ω × (ω × r)).

UNESCO Nomenclature: 2210
– Mechanics

Typ

Abstract System

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Newtons zweites Bewegungsgesetz
  • Entwicklung der Vektorrechnung und des Kreuzprodukts
  • Eulers Arbeit über die Kinematik starrer Körper
  • Lagranges Formulierung der Mechanik

Anwendungen

  • Computational Fluid Dynamics (CFD) für Turbomaschinen
  • Satellitenbahnmechanik und Lageregelung
  • Fahrdynamiksimulation
  • Robotik und Manipulatorarmdynamik
  • Wettermodellierung (in Verbindung mit der Corioliskraft)

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • selbstorientierende Strukturen in der Mikrogravitation basierend auf induzierter Rotation
  • centrifugal field-flow fractionation for nanoparticle separation
  • dynamische Auswuchtalgorithmen für schnell rotierende Maschinen
  • Steuerungssysteme für magnetisch gelagerte Kreiselpumpen
  • Simulationen der Entstehung protoplanetarer Scheiben
  • centrifugal micro-actuators for MEMS devices
  • fortschrittliche gyroskopische Stabilisierungssysteme
  • Fliehkraftbasierte Materialsynthese zur Herstellung funktional abgestufter Materialien
  • Virtual-Reality-Systeme, die Beschleunigungen mithilfe von Zentrifugen simulieren
  • Zentrifugalfiltersysteme zur Luft- und Flüssigkeitsreinigung
Verwandt mit: Zentrifugalkraft, Vektorformel, Kreuzprodukt, Winkelgeschwindigkeit, rotierendes Bezugssystem, klassische Mechanik, Scheinkraft, Zentripetalbeschleunigung, Corioliskraft, Eulerkraft.

Historischer Kontext

Formel für die Zentrifugalkraft

1687
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1738
1750
1785
1788
1800
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(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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