Kaj je centralna sila?

Osrednja sila je sila s smerjo in velikostjo, ki sta odvisni samo od središča predmeta in razdalje od njegovega središča do druge točke. Smer, v kateri deluje osrednja sila, mora biti vzdolž črte, ki povezuje središče predmeta z drugo točko, medtem ko je velikost sile odvisna samo od razdalje ali polmera med obema. Primere osrednjih sil najdemo v gravitacijski sili, elektrostatični sili in sili iz vzmeti. Samo dve vrsti osrednjih sil lahko povzročita orbitalno gibanje: gravitacijska sila in analogna sila.

Newtonov zakon univerzalne gravitacije pravi, da je gravitacijska sila med dvema objektoma vedno usmerjena drug proti drugemu. Poleg tega je velikost sile obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med objektoma – z drugimi besedami, podvojitev razdalje med objektoma bo povzročila silo, ki je le za četrtino močnejša. Ko je en predmet veliko masivnejši od drugega, razporeditev ustreza kriterijem osrednje sile.

Podobna osrednja sila je elektrostatična sila med delci z električnim nabojem. Tako kot gravitacijska sila je tudi elektrostatična sila obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med dvema delcema. Za razliko od gravitacije pa so elektrostatične interakcije sorazmerne z produktom njihovih nabojev in ne z maso. Prav tako ponavadi prevladujejo v zelo majhnem obsegu. Matematično gledano pa velikost gravitacijske sile in elektrostatična sila sledita zakonu inverznega kvadrata.

Druga vrsta osrednje sile je lahko posledica interakcije vzmeti s predmetom. Sila, ki jo ustvari vzmet, je sorazmerna z razdaljo, na katero se vzmet raztegne od svoje ravnotežne dolžine. Raztezanje vzmeti, ki je dvakrat večja od njene ravnotežne dolžine, bo povzročila dvakrat močnejšo privlačno silo. Takšno vedenje je znano kot Hookeov zakon in ga opazimo ne samo v vzmeti, temveč v katerem koli linearno elastičnem materialu – vključno z večino trdnih kovin. Ko je vzmet ali ustrezen material zasidrana v središču, lahko tudi ta izpolnjuje kriterije osrednje sile.

Čeprav ima povečanje razdalje med predmeti ali delci zelo drugačen učinek v sistemih, ki jih ureja zakon inverznega kvadrata v primerjavi s Hookeovim zakonom, bosta obe osrednji sili povzročili zaprto orbitalno gibanje. Planeti krožijo okoli Sonca zaradi gravitacije, osrednje sile, za katero velja zakon inverznega kvadrata. Podobno lahko nabiti delci krožijo okoli nasprotno nabitega središča zaradi elektrostatične sile. Nekoliko manj znano dejstvo je, da lahko centralno zasidrana vzmet, kadar so druge sile zanemarljive, povzroči, da predmet kroži okoli središča. Enostavno harmonično gibanje je en tak primer, ki je omejen na premikanje samo po eni dimenziji.