למושג "כוח מדומה" יש משמעות מדוייקת במכניקה הניוטונית. למעשה, הוא תמיד פרופורציונאלי למסה של הגוף עליו הוא פועל. כוח זה נקרא מדומה משום שהחוק השלישי של ניוטון לא חל עליו, כלומר אין לו תגובה.
כידוע, על פי החוק השלישי של ניוטון גוף שמפעיל כוח על גוף אחד, הגוף השני מפעיל על הגוף הראשון כוח השווה בעצמתו אך מנוגד בכיוונו (חוק הפעולה והתגובה).
הכוחות שאנו מרגישים במכונית נוסעת אשר מושכים אותנו אחורה למושב,כאשר הנהג מאיץ (לחץ על דוושת הגז), או כאשר אנו נזרקים מצד לצד כאשר המכונית פונה פניות חדות הם למעשה כוחות מדומים. באופן כללי, השפעות אלו קורות ללא סיבה מלבד היותם במערכת יחוס שהינה מאיצה, כלומר מערכת יחוס שאינה אינרציאלית. אם מערכת ייחוס נמצאת בתאוצה קבועה, a, יחסית למערכת אינרציאלית אזי על גוף בעל מסה, m, במערכת המאיצה יופיע כוח שמנוגד לכיוון התאוצה. כאשר רכב מאיץ , אנו חשים דחיפה אחורה כלפי המושב. במערכת יחוס אינרציאלית, הנמצאת על הכביש, אין שום כוח שמושך את הנוסע אחורה. אולם עבור הנוסע ברכב, שהיא מערכת לא אינרציאלית משום שהיא בתאוצה, ישנו כוח מדומה המושך אותנו אחורה.
ננתח תופעת זו משתי נקודות מבט:
מנקודת המבט של מערכת אינרציאלית (הכביש), הרכב מאיץ. על מנת שהנוסע ישאר בתוך הרכב, כוח חייב לפעול על הנוסע. כוח זה מופעל על ידי המושב, אשר התחיל לנוע קדימה עם הרכב, והוא נלחץ לגוף הנוסע עד אשר הוא מעביר לו את מלוא הכוח בכדי שהנוסע ינוע יחד עם הרכב. על כן, הנוסע מאיץ עקב הכח של המושב.
מנקודת הייחוס שבתוך הרכב המאיץ, כלומר מערכת לא אינרציאלית, ישנו כוח מדומה אשר דוחף את הנוסע אחורה, בעוצמה השווה למסת הנוסע כפול תאוצת הרכב. כוח זה דוחף את הנוסע אחורה, עד אשר המושב 'נדחס' ומשמש כוח שווה ומנוגד בעוצמתו. על כן, הנוסע הוא נייח במערכת ייחוס זו, משום שהכח המדומה והכוח האמיתי, שמפעיל המושב, מתאזנים.
כוח צנטריפוגלי: כאשר אנו נוסעים במכונית הפונה שמאלה, נרגיש משיכה בכיוון ימין. ביחס למערכת הרכב פועל על הנוסע כוח מדומה הנקרא כוח צנטריפוגלי. בפיסיקה, הכוח הצנטריפוגלי המדומה מושך כל גוף שנמצא בתנועה מעגלית לאורך רדיוס הסיבוב בכיוון שפונה החוצה ממרכז המעגל.
הערה חשובה: בכדי שגוף יוכל לנוע בתנועה מעגלית חייב להיות כוח שמושך את הגוף כלפי מרכז הסיבוב. הכוח הזה הוא הכוח הצנטריפטלי והא כוח ממשי ולא מדומה.
כידוע, תנועה מעגלית ובכלל זה כל תנועה שאינה קצובה על קו ישר היא לא תנועה במהירות קבועה ועל כן הגוף נמצא בתאוצה. אנו יודעים שהגוף ישאף למעשה להתמיד בתנועה ישרה בכיוון המשיק למעגל הסיבוב, ולכן הגוף "נמשך" כלפי חוץ מעגל הסיבוב. משיכה זו שאנו חשים היא למעשה הכוח הצנטריפוגלי המדומה.
רכב בתנועת קשת מעגלית מנקודת מבט של מערכת אינרציאלית (ימין) ומערכת לא אינרציאלית (שמאל). צד ימין של האיור: מבט מנקודת מבט של מערכת אינרציאלית (הכביש). הרכב פונה בקשת מעגלית ועל כן פועל עליו כוח. הנוסע, ממשיך בתנועתו בקו ישר משום שלא פועל עליו כוח. צד שמאל של האיור: מבט מנקודת מערכת יחוס לא אינרציאלית הקשורה לרכב הנוסע. במערכת זו הנוסע חש בכוח מדומה המושך אותו מחוץ למעגל הסיבוב, מבחינתו הרכב נוסע ישר. הקו הירוק מתאר את מסלול הנוסע אילולא היו דפנות לרכב. כאשר הציר האדום האנכי הינו הזמן.
כוח קוריוליס: במצב שבו מערכת הייחוס הלא אינרציאלית מסתובבת יחסית למערכת האינרציאלית במהירות זוויתית קבועה, יופיע כוח מדומה בנוסף לכוח הצנרפוגלי שנקרא כוח קוריוליס. אנו מרגישים כוח זה במערכת הלא אינרציאלית (המסתובבת) בכך שאנו רואים שגופים סוטים מהתנועה שלהם בקו ישר אפילו אם לא פועלים על אותם גופים כוחות חיצוניים. אגב, הארץ מסתובבת ועל כן אין היא מערכת אינרציאלית, אך השפעת כוח קוריוליס המדומה די זניחה. ברם, יש להתחשב בכוח זה בחישובים בליסטיים (כמו תנועת רקטות) ובכלל זה בתופעות מטאורולוגיות (תנועת אוויר למשל).
הערה חשובה: למעשה במערכות ייחוס לא-אינרציאליות לא ניתן לקיים את שלושת חוקי ניוטון בו זמנית ועל כן הכוח המדומה, במערכת לא אינרציאלית, הינו הכרחי. במערכת ייחוס מסתובבת הכח הצנטריפוגלי ניתן למדידה, ואפילו יכול לבצע עבודה. לכן, על אף שמדובר בכוח מדומה לעיתים עדיף פשוט לומר שזהו כוח שאינו קיים במערכות ייחוס אינרציאליות. זאת משום שניתוח מצבים במונחים של כוחות מדומים יכול להיות מאוד אפקטיבי על מנת להבין מה קורה במערכות מאיצות.
לדוגמא, אם נבצע חישובים במערכת מסתובבת כדוגמת הארץ אנו נסיק שהכוח הצנטריפוגלי אחראי למעשה לעובדה שגודל תאוצת הכובד, g (האפקטיבית) של הארץ משתנה עם קו הרוחב שנמצאים בו.
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
