Il forza centrifuga tende a spingere fuori i corpi che girano attorno a una curva. È considerato un file forza fittizia, pseudoforza o forza inerziale, perché non è causato da interazioni tra oggetti reali, ma è una manifestazione di inerzia dei corpi. L'inerzia è la proprietà che fa desiderare agli oggetti di preservare il loro stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, se ne hanno uno..
Il termine "forza centrifuga" è stato coniato dallo scienziato Christian Huygens (1629-1695). Affermò che il movimento curvilineo dei pianeti tenderebbe ad allontanarli a meno che il Sole non esercitasse una certa forza per trattenerli e calcolò che questa forza era proporzionale al quadrato della velocità e inversamente proporzionale al raggio della circonferenza descritta..
Per coloro che viaggiano in auto, la forza centrifuga non è affatto una fantasia. I passeggeri in un'auto che gira a destra si sentono spinti a sinistra e viceversa, quando l'auto gira a sinistra, le persone sperimentano una forza a destra, che sembra voler allontanarli dal centro della curva.
L'entità della forza centrifuga Fg viene calcolato utilizzando la seguente espressione:
-Fg è l'entità della forza centrifuga
-m è la massa dell'oggetto
-v è la velocità
-R è il raggio del percorso curvo.
La forza è un vettore, quindi il grassetto viene utilizzato per distinguerlo dalla sua grandezza, che è uno scalare.
Devi sempre tenerlo presente Fg appare solo quando il movimento è descritto utilizzando un sistema di riferimento accelerato.
Nell'esempio descritto all'inizio, l'auto rotante costituisce un riferimento accelerato, poiché richiede il accelerazione centripeta, così posso voltarmi.
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La scelta del sistema di riferimento è fondamentale per l'apprezzamento del movimento. Un sistema di riferimento accelerato è anche noto come sistema non inerziale..
In questo tipo di sistema, come una macchina che gira, compaiono forze fittizie come la forza centrifuga, la cui origine non è una reale interazione tra oggetti. Un passeggero non può dire cosa lo spinge fuori dalla curva, può solo affermare che è così.
D'altra parte, in un sistema di riferimento inerziale, le interazioni avvengono tra oggetti reali, come il corpo in movimento e la Terra, che dà origine al peso, o tra il corpo e la superficie su cui si muove, che originano attriti e normale.
Un osservatore in piedi sul lato della strada e guardare l'auto che svolta la curva è un buon esempio di un sistema di riferimento inerziale. Per questo osservatore, l'auto gira perché su di essa agisce una forza diretta verso il centro della curva, che la costringe a non abbandonarla. Si tratta di forza centripeta prodotta dall'attrito tra i pneumatici e la pavimentazione.
In un sistema di riferimento inerziale, la forza centrifuga non appare. Pertanto, il primo passo per calcolarlo è scegliere con attenzione il sistema di riferimento che verrà utilizzato per descrivere il movimento..
Infine, va notato che i sistemi di riferimento inerziale non devono necessariamente essere a riposo, come l'osservatore che guarda il veicolo che svolta in curva. Un sistema di riferimento inerziale, noto come quadro di riferimento del laboratorio, può anche essere in movimento. Ovviamente con velocità costante rispetto a quella inerziale.
Nella figura successiva a sinistra, un osservatore O è in piedi e guarda O ', che si trova sulla piattaforma che ruota nella direzione indicata. Per O, che è un telaio inerziale, certamente O 'continua a ruotare a causa della forza centripeta Fc prodotto dalla parete della griglia sul retro della O '.
Solo in sistemi di riferimento inerziali è valido applicare la seconda legge di Newton, che afferma che la forza netta è uguale al prodotto della massa e dell'accelerazione. E così facendo, con il diagramma del corpo libero mostrato, otteniamo:
Fc = mac
Fc= mvDue / R
Allo stesso modo, nella figura a destra è presente anche un diagramma a corpo libero che descrive ciò che vede l'osservatore O '. Dal suo punto di vista è a riposo, quindi le forze su di lui sono in equilibrio.
Queste forze sono: il normale F, che il muro esercita su di esso, in rosso e diretto verso il centro e la forza centrifuga Fg che lo spinge verso l'esterno e che non è originato da alcuna interazione, è una forza non inerziale che compare nei quadri di riferimento rotanti.
La forza centrifuga essendo fittizia, è bilanciata da una forza reale, il contatto o forza normale che punta verso il centro. Perciò:
∑FX = 0 → Fg - F = 0
Fg = F
Sebbene la forza centrifuga sia considerata una pseudo forza, i suoi effetti sono abbastanza reali, come si può vedere nei seguenti esempi:
- In qualsiasi gioco di rotazione in un parco di divertimenti, la forza centrifuga è presente. Si assicura che "scappiamo dal centro" e offre una resistenza costante se provi a camminare nel centro di una giostra in movimento. Nel seguente pendolo puoi vedere la forza centrifuga:
- L'effetto Coriolis deriva dalla rotazione terrestre, che fa smettere di essere una struttura inerziale della Terra. Quindi appare la forza di Coriolis, che è una pseudo-forza che devia gli oggetti lateralmente, proprio come le persone che cercano di camminare su un giradischi..
Un'auto che gira con l'accelerazione PER a destra c'è un peluche che pende dallo specchietto retrovisore interno. Disegna e confronta i diagrammi a corpo libero del giocattolo visti da:
a) Il sistema di riferimento inerziale di un osservatore in piedi sulla strada.
b) Un passeggero che viaggia in macchina.
Un osservatore in piedi sulla strada nota che il giocattolo si sta muovendo rapidamente, con accelerazione PER A destra.
Ci sono due forze che agiscono sul giocattolo: da un lato la tensione nella corda T e il peso verticale verso il basso W. Il peso è bilanciato con la componente verticale della tensione Tcosθ, Quindi:
W - Tcosθ = 0
La componente orizzontale dello stress: T. senθ è la forza sbilanciata responsabile dell'accelerazione verso destra, quindi la forza centripeta è:
Fc= T. sinθ = mac
Per un passeggero in macchina, il giocattolo è in equilibrio e il diagramma è il seguente:
Come nel caso precedente, il peso e la componente verticale della tensione vengono compensati. Ma la componente orizzontale è bilanciata dalla forza fittizia Fg = mA, così che:
-mA + Tsenθ = 0
Fg = mA
Una moneta si trova sul bordo di un vecchio giradischi in vinile, il cui raggio è di 15 cm e ruota a una velocità di 33 giri / minuto. Trovare il coefficiente di attrito statico minimo necessario affinché la moneta rimanga in posizione, utilizzando il quadro di riferimento solidale con la moneta.
Nella figura è rappresentato il diagramma a corpo libero di un osservatore che si muove con la moneta. Il normale N che il giradischi esercita verticalmente verso l'alto è bilanciato con il peso W, mentre la forza centrifuga Fg è compensato dall'attrito statico Ftoccare.
N - W = 0
Ftoccare - Fg = 0
L'entità della forza centrifuga è mvDue/ R, come detto all'inizio, quindi:
Ftoccare = Fg = mvDue/ R
D'altra parte, la forza di attrito statico è data da:
Fstrofinare = μS.N
Dove μS è il coefficiente di attrito statico, una quantità adimensionale il cui valore dipende da come le superfici sono a contatto. La sostituzione di questa equazione è:
μS.N = mvDue/ R → μS = mvDue/R.N
Resta da determinare l'entità del normale, che è correlato al peso secondo N = mg. Sostituendo di nuovo:
μS = mvDue/R.mg → μS = vDue/ Rg
Tornando alla dichiarazione, riporta che la moneta ruota a una velocità di 33 giri / minuto, che è la velocità angolare o la frequenza angolare ω, relativo alla velocità lineare v:
v = ω.R = 33 giri / min. 2π radianti / giro 15 cm. (1 min / 60 s) = 51,8 cm / s
μS = vDue/Rg=(51,8 cm / s)Due/ (15 cm x 981 cm / sDue) = 0,18
I risultati di questo esercizio sarebbero stati gli stessi se fosse stato selezionato un sistema di riferimento inerziale. In questo caso, l'unica forza in grado di provocare un'accelerazione verso il centro è l'attrito statico..
Come abbiamo detto, la forza centrifuga è una forza fittizia, che non compare in quadri inerziali, che sono gli unici in cui valgono le leggi di Newton. In essi, la forza centripeta è responsabile di fornire al corpo l'accelerazione necessaria verso il centro.
La forza centripeta non è una forza diversa da quelle già note. Al contrario, sono proprio queste che svolgono il ruolo di forze centripete quando appropriato. Ad esempio, la gravità che fa orbitare la Luna attorno alla Terra, la tensione in una corda con cui viene ruotata una pietra, l'attrito statico e la forza elettrostatica.
Tuttavia, poiché i sistemi di riferimento accelerati abbondano nella pratica, le forze fittizie hanno effetti molto reali. Ad esempio, ecco tre importanti applicazioni in cui hanno effetti tangibili:
Le centrifughe sono strumenti ampiamente utilizzati in laboratorio. L'idea è di far ruotare una miscela di sostanze ad alta velocità e quelle sostanze con massa maggiore subiscono una forza centrifuga maggiore, secondo l'equazione descritta all'inizio..
Quindi le particelle più massicce tenderanno ad allontanarsi dall'asse di rotazione, venendo così separate da quelle più leggere, che rimarranno più vicine al centro..
Le lavatrici automatiche hanno cicli di centrifuga diversi. In essi i panni vengono centrifugati per eliminare l'acqua rimanente. Maggiore è il numero di giri del ciclo, meno umidi saranno gli indumenti a fine lavaggio.
Le auto sono più brave nelle curve sulle strade, perché la pista è leggermente inclinata verso il centro della curva, che è nota come sopraelevazione. In questo modo, l'auto non dipende esclusivamente dall'attrito statico tra le gomme e la strada per completare la curva senza uscire dalla curva..
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