Mikä on keskusvoima?

Keskivoima on voima, jonka suunta ja suuruus riippuvat vain kohteen keskipisteestä ja etäisyydestä sen keskipisteestä toiseen pisteeseen. Keskivoiman suunnan on oltava linjaa pitkin, joka yhdistää kohteen keskipisteen toiseen pisteeseen, kun taas voiman suuruus riippuu vain näiden kahden välisestä etäisyydestä tai säteestä. Esimerkkejä keskusvoimista löytyy painovoimasta, sähköstaattisesta voimasta ja jousen voimasta. Vain kaksi keskivoiman tyyppiä voi aiheuttaa kiertoradan liikkeen: painovoima ja vastaava voima.

Newtonin yleisen painovoiman lain mukaan kahden kohteen välinen painovoima on aina suunnattu toisiaan kohti. Lisäksi voiman suuruus on kääntäen verrannollinen esineiden välisen etäisyyden neliöön – toisin sanoen esineiden välisen etäisyyden kaksinkertaistaminen johtaa vain neljänneksen vahvuuteen. Kun yksi esine on paljon massiivisempi kuin toinen, järjestely täyttää keskivoiman kriteerit.

Vastaava keskivoima on sähkövarauksella varustettujen hiukkasten välinen sähköstaattinen voima. Kuten painovoima, sähköstaattinen voima on kääntäen verrannollinen kahden hiukkasen etäisyyden neliöön. Toisin kuin painovoima, sähköstaattiset vuorovaikutukset ovat kuitenkin verrannollisia varausten tuotteeseen eivätkä niiden massoihin. Niillä on myös taipumus hallita hyvin pienillä asteikoilla. Matemaattisesti ottaen painovoiman ja sähköstaattisen voiman suuruus noudattavat kuitenkin käänteisen neliön lakia.

Erilainen keskivoima voi johtua jousen vuorovaikutuksesta esineen kanssa. Jousen tuottama voima on verrannollinen jousen venytysmatkaan tasapainopituudestaan. Jos jousta venytetään kaksi kertaa kauemmaksi sen tasapainopituudesta, tuloksena on kaksi kertaa vahvempi vetovoima. Tällainen käyttäytyminen tunnetaan Hooken laina, eikä sitä näy ainoastaan ​​jousissa, vaan kaikissa lineaarisesti elastisissa materiaaleissa – mukaan lukien useimmat kiinteät metallit. Kun jousi tai sopiva materiaali on ankkuroitu keskelle, sekin voi täyttää keskivoiman kriteerit.

Vaikka esineiden tai hiukkasten välisen etäisyyden kasvattamisella on hyvin erilainen vaikutus järjestelmissä, joita ohjaa käänteisen neliön laki ja Hooken laki, molemmat nämä keskivoimat tuottavat suljetun kiertoradan liikkeen. Planeetat kiertävät aurinkoa painovoiman vuoksi, joka on käänteisen neliön lain alainen keskusvoima. Samoin varautuneet hiukkaset voivat kiertää vastakkaisesti varautunutta keskustaa sähköstaattisen voiman vuoksi. Hieman vähemmän tunnettu tosiasia on, että keskelle ankkuroitu jousi voi, kun muut voimat ovat vähäisiä, saada esineen kiertämään keskustaa. Yksinkertainen harmoninen liike on yksi tällainen esimerkki, joka on rajoitettu liikkumaan vain yhtä ulottuvuutta pitkin.