نیروهای مرکزگرا و مرکزگریز(Centripetal and Centrifugal Force)

موقعى که يک بازيکن تنيس با روى راکت ضربه‌اى به توپ وارد مى‌کند، عضلات بالاتنهٔ او به دستش نيرو وارد کرده، باعث تاب خوردن دست و راکت او در يک مسير قوسى‌شکل مى‌شود (در اينجا راکت به‌عنوان دست بازيکن به‌کار مى‌رود). فرض کنيد بُردار F در شکل زير نمايندهٔ نيروهاى وارده به‌وسيلهٔ بالاتنه به دست باشد و R و T نمايندهٔ مؤلفه‌هاى نيروى F در خط شانه و عمود بر آن باشند. هرگاه محور چرخش به‌طور قائم از مفصل شانه بگذرد، مؤلفهٔ T موجب ايجاد شتاب زاويه حول اين محور و در نتيجه افزايش سرعت مماس راکت خواهد شد. از طرف ديگر مؤلفهٔ R نيروى مسؤول افزايش شتاب شعاعى خواهد بود که باعث تغيير جهت حرکت راکت مى‌گردد. چون نيروى اخير به‌طرف مرکز چرخش يا محور حرکت عمل مى‌کند به‌عنوان نيروى مرکزگرا شناخته شده است.

مقدار اين نيرو از ترکيب معادلات مربوط به قانون دوم نيوتن (F=m.a) و شتاب شعاعى (a=V²T/r) = به‌دست مى‌آيد. بنابراين:

نيروى مرکزگرا=m V²T/r

از طرفى چون VT=ωr مى‌باشد در پاره‌اى از اوقات تعويض ω²r² با V²T در معادلهٔ بالا مفيد خواهد بود و لذا سمت راست اين معادله به‌جاى شتاب شعاعى برحسب سرعت زاويه بيان مى‌شود:

نيروى مرکزگرا=mrω²

حال فرض کنيد جرم راکت برابر با ۰۲۶/۰ اسلاک و مرکز ثقل آن در فاصلهٔ ۹۲/۲ فوتى محور حرکت و با سرعت ۳۵ فوت بر ثانيه در حرکت باشد و لذا طبق معادلهٔ شمارهٔ ۵۹ نيروى مرکزگراى وارده بر راکت برابر با:

پوند ۹۱/۱۰=۹۲/۲/۲(۳۵)×۰۲۶/۰=نيروى مرکزگرا

خواهد بود، علاوه بر اين چون که دست بازيکن تنها جسمى است که با راکت در تماس مى‌باشد اين نيرو (۹۱/۱۰ پوند) بايد به‌وسيلهٔ دست بر راکت وارد شود. حال طبق قانون سوم نيوتن موقعى که نيرويى از يک جسم به جسم ديگرى وارد مى‌شود، نيروى مساوى در جهت عکس آن از جسم دوم به جسم اول وارد مى‌گردد و لذا هرگاه دست نيرويى برابر با ۹۱/۱۰ پوند به راکت وارد کند، راکت به‌نوبهٔ خود نيرويى برابر با همين مقدار و در جهت عکس به دست وارد مى‌کند. اين نيرو که همواره به طرف خارج و دورشونده از مرکز چرخش عمل مى‌کند تحت عنوان نيروى گريز از مرکز خوانده مى‌شود. مفهوم نيروى مرکزگذيز اغلب منبع توهّم و اشتباه‌ کارى واقع مى‌گردد. دو دليل عمده و اصلى در اين مورد آشکار هستند:

۱. عدم تشخيص اين مطلب که نيروهاى مرکزگرا و گريز از مرکز هر دو روى يک جسم عمل نمى‌کنند. تعبير اين واقعيت اين است که طبق قانون سوم نيوتن عمل روى يک جسم و عکس‌العمل روى جسم ديگرى واقع مى‌شود. اين مطلب بايد کاملاً روشن گردد که نتيجهٔ دو نيروى مساوى و متضاد بر روى يک جسم برابر با صفر بوده و کابرد نيرويى که از نظر مقدار صفر باشد جهت حرکت يک جسم متحرک را تغيير نمى‌دهد.

۲. عدم تشخيص اين مطلب که برهم‌کنشى نيروهاى ناشى از عمل و عکس‌العمل هم‌زمان رخ مى‌دهد و لذا هرگاه بازيکن تنيس در حين ضربه زدن به توپ راکت خود را رها کند عملکرد نيروهاى مرکزگرا و مرکزگريز هم‌زمان قطع مى‌شود. تحت چنين شرايطى و مطابق با قانون اول نيوتن راکت تمايل دارد حرکت خود در همان مسيرى که در لحظهٔ رهايى طى کرده است را ادامه دهد. (مماس بر نقطه‌اى از مسير قوسى‌شکل خود قبل از رهايى راکت) (تذکر: برعکس آنچه در چنين وضعيتى تصور مى‌شود، راکت تمايلى به حرکت شعاعى و به سمت خارج و تحت تأثير نيروى گريز از مرکز ندارد زيرا اولاً نيروى گريز از مرکز بر روى دست بازيکن عمل مى‌کند و نه بر روى راکت او و ثانياً حتيٰ چنانچه بر روى راکت او عمل مى‌کرد، در لحظه‌اى که نيروى مرکزگرا با رهايى راکت از روى آن برداشته مى‌شود خودبه‌خود نيروى گريز از مرکز نيز قطع گشته و ديگر وجود نخواهد داشت).

نيروى مرکزگرا و گريز از مرکز موقعى اثرگذار هستند که جسم در مسير منحنى و يا قوسى‌شکل حرکت کند. در ورزش، به‌هر حال مواقعى هست که اين نيروها از ديگر نيروها اهميت بيشترى پيدا مى‌کنند، زيرا ورزشکار بايد با تطبيق کردن آگاهانهٔ مهارت امکان وجود آن را ميسر سازد. شايد بارزترين مسئله در رابطه با اين مطلب موقعى آشکار شود که دوندگان سرعت در دو و ميدانى و يا دوچرخه‌سواران در پيست عمل خم شدن به‌طرف داخل را انجام مى‌دهند. در اينجا تنها جسمى که مى‌تواند نيروى لازم را در جهت تمايل به مرکز به ورزشکار وارد سازد زمين مى‌باشد، و اين تنها جسمى است که ورزشکار با آن در تماس مى‌باشذ.

هرگاه زمين نيروى داخلى و افقى مخالف پاى دونده بر آن وارد کند (و يا مخالف طاير دوچرخه وارد کند) اين نيروى برون‌گرا اثر لازم را براى تغيير جهت حرکت او خواهد داشت ليکن همين نيرو اثر نامطلوب چرخانيدن دونده را به خارج نيز همراه خواهد داشت (به خاطر داريد که نيروى برون‌گرا موجب حرکت انتقالى و چرخشى مى‌باشد). براى مبارزه با نيروى چرخشى ناخواسته ورزشکار به طرف داخل پيست متمايل مى‌شود به‌طورى که مؤلفهٔ عمودى عکس‌العمل زمين نيز به‌طور برون‌گرا عمل کرده و حرکتى در جهت مخالف آنچه نيروى مرکزگرا به‌وجود آورده است توليد و تدارک نمايد. موقعى که سرعت ورزشکار از حد معينى تجاوز مى‌کند (به شکلى که در دوچرخه‌سوارى و موتورسوارى اتفاق مى‌افتد) و يا اين که شعاع پيست خيلى کم باشد (در مسابقات دو و ميدانى در داخل سالن) زمين ديگر به اندازهٔ کافى قادر به ايجاد نيروى مرکزگرا نمى‌باشد.

به ا ين معنا است که چنانچه براى مهار کردن نيروى گريز از مرکز پيش‌بينى اضافى و لازم انجام نشود ورزشکار در پيچ‌ها بايد از سرعت خود کم کند و يا خود را در خطر زمين‌خوردن قرار دهد. براى دورى جستن از اين مسائل عموماً پيست‌هاى دوچرخه‌سوارى و سالن‌هاى دو و ميدانى را با شيب به طرف داخل مى‌سازند. از اين طريق مؤلفه‌هاى ناشى از وزن بدن ورزشکار که بر روى پيست‌ اثر مى‌گذارند قادر خواهند بود تا نيروى مرکزگرا و موردلزوم را به‌وجود آورده، و ضرورت يک نيروى جهت‌دار به داخل را به‌وسيلهٔ زمين به حداقل خود رسانيده و شايد به‌طور کلى منتفى سازند.