Força centrífuga

La força centrífuga és una força inercial (forces també anomenades "fictícies" o "pseudoforces") que tendeix a allunyar els objectes del seu centre de rotació quan segueixen un moviment circular.[1]

  • La força centrífuga és una de les forces inercials que semblen actuar sobre un objecte quan el seu moviment es descriu segons un sistema de referència en rotació.
  • La força centrífuga és producte de la reacció exercida per un objecte que descriu un recorregut circular sobre l'objecte que causa aquest moviment curvilini, segons la tercera llei de Newton. En realitat és només l'efecte de la inèrcia en un moviment circular, no és causada per la interacció d'un altre cos físic.

La força centrífuga sorgeix quan analitzem el moviment d'un objecte des d'un sistema de referència no inercial, o accelerat, que descriu un moviment circular uniforme.[2]

La força centrífuga serà el producte de la massa per l'acceleració centrífuga, en un sistema de referència no inercial.[3]

ExemplesModifica

El vehicle que condueix arredoneix una corbaModifica

Una experiència comuna que dóna augment a la idea d'una força centrífuga és trobada per muntar passatger en un vehicle, com un automobilístic, allò està canviant direcció. Si un cotxe està viatjant a una velocitat constant al llarg d'una carretera recta, llavors un interior de passatger no està accelerant i, segons la segona llei de Newton de moció, la força neta actuar en ell és per tant zero (tot actuar forces en ell anul·la cadascú altre fora). Si el cotxe entra una corba aquelles corbes a l'esquerra, les experiències de passatger una força aparent que sembla per ser estirant-li cap al dret. Això és la força centrífuga fictícia. És necessitada dins del marc local del passatger de referència per comptar la seva tendència sobtada a l'inici que accelera a la dreta relatiu al cotxe—una tendència quin ha de resistir per aplicar un rightward força al cotxe (per a cas, una força friccional contra l'escó) en ordre de quedar en un interior de posició fix. Des de prem l'escó toward el dret, la tercera llei de Newton diu que l'escó li prem toward l'esquerra. s'ha d'incloure la força centrífuga en el marc de referència del passatger (en el qual les restes de passatger a descansar): ella counteracts el leftward la força aplicada al passatger per l'escó, i compta per què això altrament va desquadrar la força no li causa per accelerar.[4] Tanmateix, seria aparent a un observador immòbil mirar des d'un overpass damunt que la força friccional va exercir en el passatger per l'escó no està sent equilibrat; constitueix una força neta a l'esquerra, causant el passatger per accelerar toward l'interior de la corba, mentre dins ha d'ordenar per seguir moure amb l'automobilístic força que anant en línia recta mentre ell altrament . Així la "força centrífuga" sent és el resultat d'una "tendència centrífuga" causada per inèrcia.[5] els efectes Similars són trobats en avions i roleu coasters on la magnitud de la força aparent és sovint reportat en "G ".

Pedra girantModifica

Si fem girar, horitzontalment, una pedra lligada amb una corda, l'única força real que actua sobre la pedra en el pla horitzontal és l'aplicada per la corda (la gravetat actua verticalment). Hi ha una força neta sobre la pedra en el pla horitzontal que actua cap al centre.

En un marc de referència inercial, si no fos per aquesta força neta que actua sobre la pedra, aquesta viatjaria en línia recta, segons la primera llei del moviment de Newton. Per tal que la pedra es mogui en una trajectòria circular, cal aplicar, de forma continua, una força centrípeta amb l'ajuda de la corda. Si aquesta força deixa d'actuar (per exemple si la corda es trenca) la pedra es mourà en línia recta. En aquest marc inercial, no cal utilitzar el concepte de força centrífuga ja que el moviment pot ser descrit correctament utilitzant només les forces reals i les lleis del moviment de Newton.

En un marc de referència que giri amb la pedra, la pedra és estacionària. No obstant això, la força aplicada per la corda segueix actuant sobre la pedra. Aplicant les lleis de Newton en la seva forma habitual (marc inercial), es conclouria que la pedra s'hauria d'accelerar en la direcció de la força neta aplicada -cap a l'eix de rotació-, però no ho fa. Caldrà incloure una força centrífuga fictícia juntament amb les forces reals per a poder aplicar les lleis del moviment de Newton en el marc de referència en rotació.

TerraModifica

La Terra constitueix una referència de rotar marc perquè el rota una vegada que #cada 23 hores i 56 minuts al voltant del seu eix. Perquè la rotació és lenta, les forces fictícies el produeix és sovint petit, i en generalment es poden negligir les situacions diàries. Fins i tot en els càlculs que requereixen precisió alta, la força centrífuga és generalment no explícitament inclòs, sinó lumped dins amb la força gravitatòria: la força i direcció de la gravetat "local" a qualsevol punt en la superfície de la Terra és de fet una combinació de forces gravitatòries i centrífugues. Tanmateix, les forces fictícies poden ser de mida arbitrària. Per exemple, en una Terra-sistema de referència lligada, la força fictícia (la xarxa de Coriolis i forces centrífugues) és enorme i és responsable per al sol orbitar al voltant de la Terra (en la Terra-sistema de referència lligada). Això és a causa de la massa gran i velocitat del sol (relatiu a la Terra).

Pes d'un objecte als pols i en l'equadorModifica

Si un objecte és pesat amb un balanç de molla simple a un dels pols de la Terra , hi ha dues forces actuar en l'objecte: la gravetat de la Terra , quins actes en una direcció descendent, i l'igual i el contrari que restaura força en la molla, actuant amunt. Des de l'objecte és immòbil i no accelerant, no hi ha cap força neta actuar en l'objecte i la força des de la molla és igual en magnitud a la força de gravetat en l'objecte. En aquest cas, el balanç mostra el valor de la força de gravetat en l'objecte.

Quan el mateix objecte és pesat en l'equador, igual dues forces reals actuen a l'objecte. Tanmateix, l'objecte està movent en un camí circular com la Terra rota i per tant experimentant una acceleració centrípeta. Quan considerat en un marc inert (és a dir, u que no està rotant amb la Terra), el no-zero acceleració significa aquella força de la gravetat no equilibrarà amb la força des de la molla. En ordre de tenir una força centrípeta neta, la magnitud del restaurant la força de la molla ha de ser menys que la magnitud de força de gravetat. Menys restaurant la força en la molla és plasmada en l'escala com menys pes — sobre 0.3% menys a l'equador que als pols.[6] En el marc de referència de la Terra (en el qual l'ésser d'objecte pesat és a resta), l'objecte no apareix per ser accelerant, tanmateix les dues forces reals, gravetat i la força des de la molla, és la mateixa magnitud i no equilibra. s'ha d'incloure la força centrífuga per fer la suma de les forces és zero per fer joc la manca aparent d'acceleració.

Via equatorialModifica

Aquest experiment de pensament és més complicat que els exemples anteriors en que requereix l'ús del Coriolis obliga així com la força centrífuga.

Si hi havia una línia de via corrent arredoneix l'equador de la Terra , un tren que mou a l'oest al llarg d'ella el dejuni prou quedaria immòbil en un marc que mou (però no rotant) amb la Terra; estaria encara com la Terra va filar sota el. En aquest marc inert la situació és fàcil d'analitzar. Les forces úniques actuar en el tren (suposant cap resistència de vent o altres forces horitzontals) és la seva gravetat (avall) i l'igual i oposat (alcista) força des de la pista. no hi ha cap força neta en el tren i ella per tant queda immòbil.

En un marc rotar amb la Terra els moviments de tren en una òrbita circular mentre viatja arredoneix la Terra. En aquest marc, la força de reacció alcista des de la pista i la força de la gravetat en el tren queda igual, mentre són forces reals. Tanmateix, en la Terra (rotant) marc, el tren està viatjant en un camí circular i per tant requereix un centrípet (descendent) força per seguir-la en aquest camí. Perquè aquests usos un marc de rotar, el (fictici) s'ha d'aplicar la força centrífuga al tren. Això és igual dins valora a la força centrípeta requerida però actes en una direcció alcista — la direcció oposada a allò va requerir. Semblaria que hi ha una força alcista neta en el tren i ella per tant accelerar amunt.

La resolució a aquestes mentides de paradoxa en el fet que el tren és en moció amb respecte al rotant emmarca i és subjecte a (a més de la força centrífuga) els Coriolis obliguen, el qual, en aquest exemple, actua en la direcció descendent i és dues vegades tan fort com la força centrífuga.

Força centrípeta enfront de força centrífugaModifica

La força centrípeta és la component de força dirigida cap al centre de curvatura de la trajectòria d'una partícula. En mecànica clàssica, les forces centrípetes són forces reals associades causalment a l'acció d'algun agent exterior a la partícula o el cos. En el cas del moviment circular uniforme, la força centrípeta està dirigida cap al centre de la trajectòria circular i és necessària per produir el canvi de direcció de la velocitat de la partícula. Si sobre la partícula no actués cap força, es mouria en línia recta amb velocitat constant.

La "força centrífuga" no és una força en el sentit usual de la paraula, sinó que és una força fictícia que apareix en els sistemes referencials no-inercials. És a dir, la força aparent que un observador no inercial sembla percebre com a resultat de la no inercialidad del seu sistema de referència.

Així, per exemple, si un cos està girant al voltant d'un centre de forces fix, l'única força real que actua sobre el cos és la força d'atracció cap al centre de la trajectòria (força centrípeta) necessària, des del punt de vista d'un observador estacionari perquè el cos pugui descriure una trajectòria curvilínia. Aquesta força real,  , (la tensió de la corda en l'exemple il·lustrat a la Figura) proporciona l'acceleració centrípeta característica de tot moviment curvilini.[7]

No obstant això, un observador situat en un referencial en el qual el cos estigui en repòs (referencial en rotació [x, y, z] i, per tant, no inercial) observarà que el cos no presenta cap acceleració en la direcció de la força aplicada  (que podrà mesurar intercalant un dinamòmetre a la corda de la Figura). Per reconciliar aquest resultat amb el requeriment que la força neta que actua sobre el cos sigui nul·la, l'observador imagina l'existència d'una força igual i de sentit oposat a la força centrípeta; és a dir, postula l'existència d'una força centrífuga,   que no té existència real i que només és útil a l'observador no-inercial per poder escriure la segona llei de Newton en la forma usual.

Posem un altre exemple per aclarir el concepte. Imaginem un passatger en un automòbil que pren un revolt tancat cap a l'esquerra amb una certa velocitat. La inèrcia associada a la massa del passatger s'oposa a qualsevol canvi de direcció de moviment d'aquest, impel·lint a continuar la seva inicial trajectòria rectilínia. Ja que l'automòbil gira cap a l'esquerra, el passatger se sent desplaçat cap a la porta situada a la seva dreta. Una vegada que el passatger estableix contacte amb la porta, aquesta exercirà sobre el passatger la força centrípeta necessària perquè, igual que l'automòbil, pugui girar cap a l'esquerra. El fregament entre el seient i els pantalons del passatger també contribueix a contrarestar l'efecte centrífug i, si el viratge es produeix a baixa velocitat, pot ser suficient per impedir que el passatger es llisqui sobre el seient i proporcionar la força centrípeta necessària per al viratge.

Acceleració centrípetaModifica

La força que provoca el moviment circular es denomina força centrípeta. Un objecte sobre el qual no actua cap força es mou en línia recta amb velocitat constant. Per fer que l'objecte es desviï d'un camí recte a un circular, ha d'exercir-s'hi una força centrípeta en angle recte a la velocitat de l'objecte, dirigida cap al centre del cercle. Donat que això provoca un canvi en la direcció de la velocitat de l'objecte, apareix una acceleració centrípeta, dirigida cap al centre.

Història de concepcions de forces centrífugues i centrípetesModifica

La concepció de força centrífuga ha evolucionat des del temps d'Huygens, Newton, Leibniz, i Hooke que va expressar concepcions primerenques d'ella. La seva concepció moderna com a la força fictícia que sorgeix dins una referència de rotar el marc evolucionat dins els segles divuitens i dinovens.

La força centrífuga també ha jugat una funció dins debat en mecànics clàssics sobre detecció de moció absoluta. Newton va suggerir dos arguments per respondre la pregunta de tant si es pot detectar la rotació absoluta: el rotant argument de galleda, i el rotant argument d'esferes.[8] Segons Newton, en cada escenari la força centrífuga seria acatada en el marc local de l'objecte (el marc on l'objecte és immòbil) només si el marc rotava amb respecte a espai absolut. Gairebé dos segles més tard, el principi de Mach va ser proposat on, en comptes de rotació absoluta, la moció dels astres distants relatius al marc inert local dóna augment a través d'alguns (hipotètic) llei física a la força centrífuga i altres efectes d'inèrcia. Avuiha la vista és basada a la idea d'un marc inert de referència, quins observadors de privilegis pel qual les lleis de físiques duen en la seva forma més simple, i en particular, marcs que no utilitza forces centrífugues en les seves equacions de la moció dins ordena per descriure mocions correctament.

L'analogia entre força centrífuga (de vegades solgut crear gravetat artificial) i les forces gravitatòries van portar al principi d'equivalència de relativitat general.[9][10]

Sistema de referència inercialModifica

Quan s'observa des d'un sistema de referència inercial, el que realment ocorre és que, per exemple en un cotxe, la inèrcia del passatger s'oposa a qualsevol canvi de direcció de moviment i manté el passatger en la inicial línia recta. Des d'aquest punt de vista, l'única raó per la qual el passatger es vegi impulsat cap a un costat del cotxe és que la persona encara viatja en una línia recta, i el cotxe ha accelerat. Un cop que el passatger arriba fins a la porta lateral del cotxe, el cotxe és capaç d'aplicar-hi la força centrípeta al passatger per accelerar-lo juntament amb el cotxe.

La fricció entre el seient i els pantalons del passatger també contraresten la força centrífuga, a baixa velocitat impedeix que els passatgers llisquin del seient; la fricció és l'única causant d'això. Per una altra banda, el passatger exerceix una força reactiva contra la porta: segons la segona definició, aquesta força també s'anomenaria força centrífuga.

Confusió sobre el termeModifica

Existeix confusió sobre el terme força centrífuga a causa d'aquestes dues definicions diferents. Segons una d'elles, la força centrífuga actua sobre l'objecte i és una força inercial, que només existeix en sistemes de referència giratoris. L'altra força que també s'ha denominat força centrífuga és la vertadera força de reacció exercida per l'objecte.

Per aquesta raó, els professors de ciència en els últims anys tendeixen a treure importància a la força centrífuga quan ensenyen el moviment circular, i en el seu lloc donen preferència a la força centrípeta, donat que és la força responsable de mantenir el moviment circular i l'acceleració centrípeta. Generalment es recomana parlar de física de rotació emprant només sistemes de referència inercials, evitant així la necessitat de pensar en acceleracions centrífugues.

AplicacionsModifica

Les operacions de nombrós comú rotant els sistemes mecànics són més fàcilment conceptualitzat en termes de força centrífuga.

Per exemple:

  • Un governador centrífug regula la velocitat d'un motor per utilitzar filar concentra aquell moviment radialment, ajustant l'acceleració, mentre la velocitat de canvis del motor. En el marc de referència de les masses de filatura, la força centrífuga causa el moviment radial.
  • Un embragatge centrífug és utilitzat en motor petit-dispositius alimentats com encadenar serres, go-karts i helicòpters de model. Permet el motor per arrencar i ociós sense conduir el dispositiu però automàticament i suaument compromet la unitat mentre la velocitat de motor ascendeix. Fre de bidó inert ascendents utilitzat en escalada de rock i els carrets d'inèrcia van utilitzar en moltes cintes d'escó de l'automòbil operen en el mateix principi.
  • Es poden soler les forces centrífugues generar gravetat artificial, tan dissenys proposats dins per rotar estacions espacials. La Gravetat de Mart Biosatellite hauria estudiat els efectes de Mart-gravetat de nivell en ratolins amb la gravetat simulada d'aquesta manera.
  • Càsting d'espín i centrífug llançar és mètodes de producció aquell ús força centrífuga per dispersar metall líquid o plàstic durant l'espai negatiu d'un motlle.
  • Les centrifugadores són utilitzades en ciència i indústria per separar substàncies. En el marc de referència filar amb la centrifugadora, la força centrífuga indueix un gradient de pressió hidroestàtic en fluid-els tubs omplerts van orientar perpendiculars a l'eix de rotació, donant augment a gran flotant obliga quina empenta partícules de densitat baixa cap a l’interior. Els elements o les partícules més densos que el moviment fluid cap enfora sota la influència de la força centrífuga. Això és eficaçment Arquimedes principi com generat per força centrífuga com oposat a ser generat per gravetat.
  • Alguns passejos de distracció fan ús de forces centrífugues. Per a cas, un Gravitronha genets de forces de l'espín contra una tàpia i permet genets per ser elevats per sobre del fons de la màquina en resistència de la gravetat de la terra.[11]

No obstant això, tot de també es poden descriure aquests sistemes sense requerir el concepte de força centrífuga, en termes de mocions i forces en un marc immòbil, al cost de dur una mica més cura en la consideració de forces i mocions dins del sistema.

ReferènciesModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Força centrífuga
  1. «força centrífuga | enciclopèdia.cat» (en català). [Consulta: 13 novembre 2018].
  2. «Fuerza Centrífuga | Fisicalab» (en castellà). [Consulta: 15 novembre 2018].
  3. «Fuerza centrífuga | Qué es, en qué consiste, cómo se calcula, ejemplos» (en castellà). Euston96, 25-06-2018.
  4. «Benton, William, (1 April 1900–17 March 1973), Chairman and Publisher». Encyclopædia Britannica, Inc., since 1943. Oxford University Press, 01-12-2007.
  5. Ward, John «How Things Work: The Physics of Everyday Life». European Journal of Physics, 19, 1, 01-01-1998. DOI: 10.1088/0143-0807/19/1/014. ISSN: 0143-0807.
  6. «NETWATCH: Botany's Wayback Machine». Science, 316, 5831, 15-06-2007, pàg. 1547d–1547d. DOI: 10.1126/science.316.5831.1547d. ISSN: 0036-8075.
  7. «Dinamómetro» (en castellà), 30-10-2017. [Consulta: 30 abril 2020].
  8. Newton, Isaac, 1642-1727.. Sir Isaac Newton's mathematical principles of natural philosophy and his System of the world.. Berkeley,: University of California Press, [1975, ©1934]. ISBN 0-520-00927-4. 
  9. Mach's principle : from Newton's bucket to quantum gravity. Boston: Birkhauser, 1995. ISBN 0-8176-3823-7. 
  10. Science education in the 21st century. Nova York: Nova Science Publishers, 2008. ISBN 978-1-60021-951-1. 
  11. Myers, Richard L. (Richard Leroy), 1951-. The basics of physics. Westport, Conn.: Greenwood Press, 2006. ISBN 0-313-06039-8.