לנוע במעגל פירושו לפנות כל הזמן
סובבו ערמון קשור לחוט, סחררו דלי מים או היכנסו לפנייה חדה במכונית, ואותו דבר קורה: משהו נע לאורך עקומה. הכדור על השולחן עושה את זה בדרך הפשוטה ביותר. הוא מתגלגל סביב היתד במהירות קבועה, כל הזמן באותו מרחק מהמרכז.
מהירות קבועה לא אומרת ששום דבר לא משתנה. בפיזיקה, מהירות היא גודל המהירות יחד עם הכיוון, וכיוון התנועה של הכדור שונה בכל רגע: ימינה בחזית השולחן, הרחק מכם בצד ימין, שמאלה בצד האחורי. שינוי במהירות הוא תאוצה, ולכן כדור שנע במעגל במהירות קבועה בגודלה מאיץ כל הזמן.
המשיכה מכוונת אל המרכז
לפי החוק השני של ניוטון, תאוצה דורשת כוח. כאן הכוח האופקי היחיד על הכדור הוא החוט, וחוט יכול רק למשוך לאורכו, ישר אל היתד. המשיכה פנימה הזאת נקראת כוח צנטריפטלי, מלטינית “שואף אל המרכז”. היא לא מאיצה את הכדור ולא מאטה אותו, כי היא פועלת תמיד בניצב לתנועה. היא רק מעקמת את המסלול.
נסו: הזיזו את כוחות, ואז חיתוך עד חצי הדרך. החץ הכחול הוא המהירות של הכדור, תמיד לאורך שפת המעגל. החץ הכתום הוא המשיכה של החוט, תמיד מכוון אל היתד, בניצב לחץ הכחול.
פניות מהירות והדוקות יותר דורשות יותר משיכה
כמה חזק החוט צריך למשוך? הכדור צריך תאוצה אל מרכז המעגל ששווה לריבוע המהירות חלקי הרדיוס, , ולכן הכוח הוא
כאשר היא מסת הכדור. המהירות נספרת פעמיים. הזיזו את המהירות מ־1 m/s ל־2 m/s, והמשיכה גדלה מ־0.33 N ל־1.33 N, פי ארבעה: במהירות כפולה הכיוון צריך להשתנות מהר פי שניים, ויש פי שניים מהירות שצריך לסובב. חוט קצר יותר פירושו פנייה הדוקה יותר, ולכן באותה מהירות חוט באורך 0.5 m צריך למשוך חזק פי שניים מחוט באורך 1 m.
אותו כלל קובע כמה מהר מכונית יכולה לעבור פנייה לפני שהצמיגים מאבדים אחיזה, למה עיקול בכביש מהיר מתון יותר מאשר בעיר, וכמה מהר לוויין צריך לנוע כדי להישאר במסלול, שם הכובד עושה את העבודה של החוט.
חתכו את החוט, והוא ממשיך ישר
הזיזו את כוחות, ואז חיתוך אל חיתוך החוט. הכדור משתחרר איפה שהוא נמצא, והוא לא עף החוצה הרחק מהיתד, וגם לא ממשיך להתעקם. הוא מתגלגל בקו ישר לאורך המשיק, הכיוון שאליו נע באותו רגע, והצלליות שבמרווחים שווים מראות שגם גודל המהירות שלו לא משתנה. כשאין עליו כוח, הוא מציית לחוק הראשון של ניוטון. אחרי הפסקה קצרה הכדור נקשר שוב קצת אחורה לאורך המעגל, כך שתוכלו לראות אותו משתחרר באותו מקום שוב ושוב.
זו הסיבה שבוץ ניתז מגלגל אופניים בכיוון המשיק לצמיג, ושמיידה פטיש משחרר אותו בדיוק ברגע הנכון בסיבוב.
אין כוח שדוחף את הכדור החוצה
כשאתם מסובבים כדור, אתם מרגישים אותו מושך את היד שלכם החוצה, ובמכונית שעוברת פנייה אתם מרגישים שאתם נזרקים לצד החיצוני. מפתה לקרוא לזה כוח צנטריפוגלי שדוחף החוצה. על הכדור אין כוח כזה. החוט מושך את הכדור פנימה, והכדור מושך בחזרה את החוט, החוצה, בכוח שווה, ואת זה מרגישים היד או היתד (החוק השלישי של ניוטון). הגוף שלכם במכונית פשוט מנסה להמשיך ישר, בזמן שהמכונית פונה מתחתיכם. כשמתארים את הדברים מתוך המכונית שפונה, פיזיקאים אכן משתמשים בכוח צנטריפוגלי ככלי עזר לחישוב, אבל זו לא דחיפה של שום דבר.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
השולחן מחזיק את הכדור, ולכן החוט יכול לשכב שטוח. סובבו כדור מעל הראש, והכובד ימשוך אותו למטה, כך שהחוט ישרטט חרוט ויצטרך למשוך קצת גם למעלה ולא רק פנימה. המודל משאיר בחוץ גם את החיכוך, את אנרגיית הסיבוב העצמי של הכדור, את התנגדות האוויר ואת המסה וההתמתחות של החוט, ולכן הכדור היה ממשיך להסתובב לנצח; כדור אמיתי מאט וצריך דחיפה עדינה מהיד כדי להמשיך. כשהחוט נחתך, הקצה המשוחרר שלו היה נגרר אחרי הכדור ולא נשאר על השולחן. הכדור מצויר גדול פי כמה מכדור אמיתי של 3 cm בקנה המידה הזה.