Technicznie rzecz biorąc, siła promieniowa to każda siła działająca w linii prostej. W fizyce jest często używany do opisywania wpływu wywieranego prostopadle — pod kątem prostym — do linii środkowej lub osi obiektu poruszającego się po ścieżce orbitalnej. Mówiąc prościej, kula poruszająca się po łuku na końcu sznurka będzie doświadczać tej siły, utrzymując ją naprężoną. Kilka innych przewidywalnych sił działa w różnych kierunkach, aby utrzymać kulkę w ruchu po łuku, ale siła promieniowa jest odpowiedzialna za utrzymanie jej w oddaleniu od ręki trzymającej strunę.
Chociaż dokładne pochodzenie i charakter sił promieniowych są bardzo skomplikowane, można je zaobserwować w wielu codziennych procesach, takich jak wiertła do elektronarzędzi, obracające się opony samochodowe i łożyska. W obróbce skrawaniem siła ta jest wyjaśniana jako wpływ, który odpycha narzędzie skrawające od skrawanej powierzchni. Prawidłowe obliczenie specyfiki siły promieniowej jest krytycznym krokiem w projektowaniu narzędzi i innych obiektów z obracającymi się częściami.
Co robi siła promieniowa?
Siły promieniowe są ważnym elementem procesu, który utrzymuje dowolny obiekt poruszający się po orbicie kołowej. Kiedy znana masa (np. piłka) kręci się po okręgu o ustaloną odległość (promień) od punktu środkowego ze stałą prędkością, siła promieniowa wypycha masę na zewnątrz, z dala od środka. Siła utrzymuje masę wirującą w tej samej odległości od punktu środkowego, utrzymując równą ścieżkę orbitalną — koło lub elipsę. Bez działania tej siły ścieżka byłaby nieobliczalna i nieprzewidywalna.
Dotyczy to wszystkich obiektów na orbicie, niezależnie od tego, czy są fizycznie przymocowane do środka, czy nie. Luźna kulka wirująca wokół wnętrza wiadra jest również dociskana do wewnętrznej ściany pojemnika przez siłę promieniową. Na przykład siły promieniowe są również odpowiedzialne za utrzymywanie kulki ruletki przy krawędzi rowka koła, gdy koło się kręci.
Dlaczego siły promieniowe są ważne?
Dokładne obliczenie sił promieniowych ma kluczowe znaczenie dla konstrukcji wszystkiego, co charakteryzuje ruch orbitalny. Dokładne ustalenie zakresu tej zmiennej odgrywa na przykład główną rolę w ogólnej wydajności, bezpieczeństwie i żywotności elementu wyposażenia. Pozwala również projektantom ustalić, jakie praktyczne ograniczenia będą miały dla danego przedmiotu.
Na przykład łożyska są szeroko stosowane w wielu różnych typach urządzeń do podtrzymywania, prowadzenia i zmniejszania tarcia ruchu między nieruchomymi i ruchomymi częściami maszyny. Są one często narażone na siły promieniowe, które tworzą wewnętrzne naprężenia materiałowe, które mogą skutkować zużyciem i ewentualnym uszkodzeniem, jeśli siła i związane z nią naprężenia staną się nadmierne. Łożyska muszą być wystarczająco mocne, aby wytrzymać nacisk, który jest na nie regularnie wywierany. Z tego powodu istnieją typy łożysk specjalnie zaprojektowane i przystosowane do zastosowań mechanicznych, w których występują duże siły promieniowe.
Innym przykładem tego zjawiska w pracy jest siła, jakiej poddawane jest narzędzie skrawające podczas usuwania materiału z powierzchni przedmiotu obrabianego. Siła działa na narzędzie, odpychając je od ciętego kawałka. Wielkość siły działającej na urządzenie tnące będzie zależeć od cech samego narzędzia oraz właściwości obrabianego materiału. Jeśli narzędzie jest źle zaprojektowane i doświadcza nadmiernej siły promieniowej, może to bardzo utrudnić wepchnięcie krawędzi skrawającej w przedmiot, co może skutkować gorszymi wynikami lub nawet potencjalnie zranić operatora, gdy narzędzie zostanie odepchnięte.
Zmienność siły promieniowej
Odmiana tego zjawiska występuje, gdy pęd poruszającego się obiektu zmienia się lub ewoluuje podczas pracy. Znana jako zmiana siły promieniowej, może być zilustrowana na przykładzie opony samochodowej. Na oponę działa siła promieniowa w kierunku prostopadłym do osi koła, która, gdyby była idealnie okrągła, a powierzchnia drogi idealnie gładka, pozostawałaby taka sama podczas obracania się koła. Tak jednak nie jest, więc siła promieniowa wywierana na oponę zmienia się przy każdym jej obrocie. Stawia to projektantom wyzwania podczas projektowania sprzętu, ponieważ musi on być w stanie bezpiecznie działać w stale zmieniających się warunkach środowiskowych.