FORȚA CENTRIFUGĂ: FORMULE, MODUL ÎN CARE ESTE CALCULAT, EXEMPLE, EXERCIȚII - FIZIC - 2025

Forța centrifugă tinde să împingă corpurile rotative luând o curbă. Este considerată o forță fictivă, pseudoforță sau forță inerțială, deoarece nu este cauzată de interacțiuni între obiecte reale, ci este o manifestare a inerției corpurilor. Inerția este proprietatea care face ca obiectele să-și dorească să-și păstreze starea de repaus sau mișcarea rectilinie uniformă, dacă au una.

Termenul "forță centrifugă" a fost inventat de savantul Christian Huygens (1629-1695). El a susținut că mișcarea curbilină a planetelor ar avea tendința de a le îndepărta, dacă Soarele nu exercită o forță pentru a le reține, și a calculat că această forță este proporțională cu pătratul vitezei și invers proporțională cu raza circumferinței descrise.

Figura 1. La viraje, pasagerii se confruntă cu o forță care tinde să-i scoată din el. Sursa: Libreshot.

Pentru cei care călătoresc cu mașina, forța centrifugă nu este deloc fictivă. Pasagerii dintr-o mașină care se întoarce la dreapta se simt împinși spre stânga și invers, când mașina virează la stânga, oamenii experimentează o forță spre dreapta, ceea ce pare să vrea să-i îndepărteze de centrul curbei.

Mărimea forței centrifuge F _g este calculată prin următoarea expresie:

- F _g este mărimea forței centrifuge

- m este masa obiectului

- v este viteza

- R este raza căii curbe.

Forța este un vector, de aceea este folosit un tip îndrăzneț pentru a o distinge de mărimea sa, care este un scalar.

Rețineți întotdeauna că F _g apare numai când mișcarea este descrisă folosind un cadru accelerat de referință.

În exemplul descris la început, mașina de învârtit constituie o referință accelerată, deoarece necesită accelerație centripetă, astfel încât să se poată roti.

Cum se calculează forța centrifugă?

Alegerea sistemului de referință este vitală pentru aprecierea mișcării. Un cadru de referință accelerat este, de asemenea, cunoscut ca un cadru non-inerțial.

În acest tip de sistem, cum ar fi o mașină rotativă, apar forțe fictive, cum ar fi forța centrifugă, a cărei origine nu este o interacțiune reală între obiecte. Un pasager nu poate spune ce îl împinge din curbă, el nu poate decât să afirme că da.

Pe de altă parte, într-un sistem de referință inerțial, interacțiunile apar între obiecte reale, cum ar fi corpul în mișcare și Pământul, care dă naștere la greutate, sau între corpul și suprafața pe care se mișcă, care își au originea. frecare și normal.

Un observator care stă pe marginea drumului și care privește mașina întoarce curba este un bun exemplu de sistem de referință inerțial. Pentru acest observator, mașina se întoarce pentru că o forță îndreptată spre centrul curbei acționează asupra ei, ceea ce o obligă să nu iasă din ea. Aceasta este forța centripetă produsă prin frecare între anvelope și trotuar.

Într-un cadru de referință inerțială, forța centrifugă nu apare. Prin urmare, primul pas în calcularea acestuia este alegerea cu atenție a sistemului de referință care va fi utilizat pentru a descrie mișcarea.

În sfârșit, trebuie menționat că sistemele de referință inerțiale nu trebuie neapărat să fie în repaus, la fel ca observatorul care urmărește vehiculul să întoarcă curba. Un cadru de referință inerțial, cunoscut sub denumirea de cadru de referință de laborator, poate fi, de asemenea, în mișcare. Desigur, cu viteză constantă față de una inerțială.

Diagrama corpului liber într-un sistem inerțial și non-inerțial

În figura următoare din stânga, un observator O stă în picioare și se uită la O ', care se află pe platforma care se rotește în direcția indicată. Pentru O, care este un cadru inerțial, cu siguranță O 'se menține rotind datorită forței centripetare F _c produsă de peretele grilei de pe spatele lui O'.

Figura 2. O persoană care stă pe o placă turnantă este văzută din două sisteme de referință diferite: unul fix și celălalt care merge cu persoana respectivă. Sursa: Física de Santillana.

Doar în cadrele de referință inerțiale este valabil să se aplice a doua lege a lui Newton, care prevede că forța netă este egală cu produsul masei și accelerației. Și făcând acest lucru, cu diagrama corpului liber prezentat, obținem:

În mod similar, în figura din dreapta există și o diagramă cu corp liber care descrie ceea ce observatorul O 'vede. Din punctul său de vedere, este în repaus, de aceea forțele asupra lui sunt echilibrate.

Aceste forțe sunt: F-ul normal , pe care peretele îl exercită, în roșu și îndreptat către centru și forța centrifugă F _g care îl împinge spre exterior și care nu este originat de nicio interacțiune, este o forță non-inerțială care apare în sistemele de referință rotative.

Forța centrifugă fiind fictivă, este echilibrată de o forță reală, de contact sau de forța normală care se îndreaptă spre centru. Prin urmare:

Exemple

Deși forța centrifugă este considerată o pseudo forță, efectele sale sunt destul de reale, așa cum se poate observa în următoarele exemple:

- În orice joc de filare într-un parc de distracții, există o forță centrifugă. Ea se asigură că „fugim de centru” și oferă o rezistență constantă dacă încercați să mergeți în centrul unui carusel în mișcare. În următorul pendul puteți vedea forța centrifugă:

- Efectul Coriolis apare din rotația Pământului, ceea ce face ca Pământul să nu mai fie un cadru inerțial. Apoi apare forța Coriolis, care este o pseudo-forță care deviază obiectele lateral, așa cum se întâmplă cu oamenii care încearcă să meargă pe o placă turnantă.

Exerciții

Exercitiul 1

O mașină care se întoarce cu accelerație A la dreapta are o jucărie umplută atârnată de oglinda retrovizoare interioară. Desenați și comparați diagramele cu corpul liber al jucăriei văzute de la:

a) Cadrul de referință inerțial al unui observator care stă pe drum.

b) Un pasager care călătorește în mașină.

Solutie la

Un observator care stă pe drum observă că jucăria se mișcă rapid, cu accelerația A la dreapta.

Figura 3. Diagrama corpului liber pentru exercițiul 1a. Sursa: F. Zapata.

Există două forțe care acționează asupra jucăriei: pe de o parte tensiunea din coarda T și greutatea verticală în jos W. Greutatea este echilibrată cu componenta verticală a tensiunii Tcosθ, prin urmare:

Componenta orizontală a stresului: T. sinθ este forța dezechilibrată responsabilă pentru accelerația spre dreapta, prin urmare forța centripetă este:

Soluție b

Pentru un pasager în mașină, jucăria stă în echilibru și diagrama este următoarea:

Figura 4. Diagrama corpului liber pentru exercițiul 1b. Sursa: F. Zapata.

Ca și în cazul precedent, greutatea și componenta verticală a tensiunii sunt compensate. Dar componenta orizontală este echilibrată de forța fictivă F _g = mA, astfel încât:

Exercițiul 2

O monedă este la marginea unui vechi disc de vinil, a cărei rază este de 15 cm și se rotește cu 33 de rotații / minut. Găsiți coeficientul minim de frecare statică necesar pentru ca moneda să rămână pe loc, folosind cadrul de solidaritate de referință cu moneda.

Soluţie

În figură este reprezentată diagrama corpului liber pentru un observator care se deplasează cu moneda. N normal, pe care placa turnantă exercită vertical în sus, este echilibrat de greutatea W , în timp ce forța centrifugă F _g este compensată prin _frecare F de _frecare statică .

Figura 5. Diagrama corpului liber pentru exercițiul 2. Sursa: F. Zapata.

Mărimea forței centrifuge este mv ² / R, așa cum s-a spus la început, apoi:

Pe de altă parte, forța de frecare statică este dată de:

În cazul în care μ _s este coeficientul de frecare statică, o cantitate fără dimensiuni a cărei valoare depinde de modul în care suprafețele sunt în contact. Înlocuirea acestei ecuații este:

Mărimea normalului rămâne de determinat, care este legată de greutate conform N = mg. Se înlocuiește din nou:

Înapoi la afirmație, se raportează că moneda se rotește cu o viteză de 33 de rotații / minut, care este viteza unghiulară sau frecvența unghiulară related, în raport cu viteza liniară v:

Rezultatele acestui exercițiu ar fi fost aceleași dacă ar fi fost selectat un cadru de referință inerțial. Într-un astfel de caz, singura forță capabilă să provoace accelerație către centru este frecarea statică.

Aplicații

După cum am spus, forța centrifugă este o forță fictivă, care nu apare în cadre inerțiale, care sunt singurele în care legile lui Newton sunt valabile. În ele, forța centripetă este responsabilă pentru a oferi organismului accelerația necesară spre centru.

Forța centripetă nu este o forță diferită de cele deja cunoscute. Dimpotrivă, tocmai aceștia joacă rolul forțelor centripete atunci când este cazul. De exemplu, gravitația care face Luna să orbiteze în jurul Pământului, tensiunea dintr-o frânghie prin care este rotită o piatră, frecarea statică și forța electrostatică.

Cu toate acestea, deoarece cadrele de referință accelerate abundă în practică, forțele fictive au efecte foarte reale. De exemplu, aici sunt trei aplicații importante în care au efecte tangibile:

Centrifuge

Centrifugele sunt instrumente utilizate pe scară largă în laborator. Ideea este de a face un amestec de substanțe să se rotească cu viteză mare, iar substanțele cu o masă mai mare experimentează o forță centrifugă mai mare, conform ecuației descrise la început.

Atunci particulele cele mai masive vor tinde să se îndepărteze de axa de rotație, fiind astfel separate de cele mai ușoare, care vor rămâne mai aproape de centru.

Mașini de spălat

Șaibele automate au cicluri de centrifugare diferite. În ele, hainele sunt centrifugate pentru a elimina apa rămasă. Cu cât sunt mai mari revoluțiile ciclului, cu atât hainele sunt mai umede la sfârșitul spălării.

Cantul de curbe

Mașinile sunt mai bune la viraje pe drumuri, deoarece pista este ușor înclinată spre centrul curbei, cunoscut sub numele de cant. În acest fel, mașina nu depinde exclusiv de frecarea statică dintre anvelope și drum pentru a finaliza virajul fără a părăsi curba.

Referințe

1. Acosta, Victor. Construirea unui ghid didactic privind forța centrifugă pentru elevii din ciclul V clasa 10. preluat de la: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Legile mișcării: mișcare circulară. Recuperat de la: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fizic. Vol. 1. Ediția a 3-a în spaniolă. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Universitatea autonomă din statul Hidalgo. Forța centrifugă. Recuperat din: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Centrifugelor. Recuperat de la: es.wikipedia.org.