¿Qué Son Las Fuerzas Centrífugas Y Centrípetas?

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Estas dos fuerzas estrechamente relacionadas describen el movimiento circular, pero los significados a menudo se mezclan.

La fuerza centrífuga es ubicua en nuestra vida diaria. Lo experimentamos cuando doblamos una esquina en un automóvil o cuando un avión gira en una curva. Lo vemos en el ciclo de centrifugado de una lavadora o cuando los niños viajan en un tiovivo. Un día puede incluso proporcionar gravedad artificial para naves espaciales y estaciones espaciales.

Algunas personas confunden la fuerza centrífuga con su contraparte, la fuerza centrípeta, porque están tan estrechamente relacionadas. Se podría decir que son dos caras de la misma moneda. La fuerza centrípeta se define como "El componente de la fuerza que actúa sobre un cuerpo en movimiento curvilíneo que se dirige hacia el centro de curvatura o eje de rotación", mientras que la fuerza centrífuga se define como "La fuerza aparente, igual y opuesta al centrípeta fuerza, alejando un cuerpo giratorio del centro de rotación, causado por la inercia del cuerpo ", según el American Heritage Dictionary.

Tenga en cuenta que si bien la fuerza centrípeta es una fuerza real, la fuerza centrífuga se define como una fuerza centrífuga. aparente fuerza. En otras palabras, al girar una masa en una cuerda, la cuerda ejerce una fuerza centrípeta hacia el interior de la masa, mientras que la masa aparece Para ejercer una fuerza hacia el exterior sobre la cuerda.

"La diferencia entre fuerza centrípeta y centrífuga tiene que ver con diferentes" marcos de referencia ", es decir, diferentes puntos de vista desde los que se mide algo", según Andrew A. Ganse, físico investigador de la Universidad de Washington. Si está observando un sistema giratorio desde el exterior, verá una fuerza centrípeta interior que actúa para restringir el cuerpo giratorio a una trayectoria circular. Sin embargo, si eres parte del sistema giratorio, experimentas una aparente fuerza centrífuga que te aleja del centro del círculo, aunque lo que realmente estás sintiendo es la fuerza centrípeta interna que te impide salir literalmente de una tangente.

Esta aparente fuerza externa es descrita por las Leyes de Movimiento de Newton. La Primera Ley de Newton dice que "Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que sea accionado por una fuerza externa". Si un cuerpo masivo se mueve a través del espacio en línea recta, su inercia hará que continúe en línea recta, a menos que una fuerza externa provoque que se acelere, disminuya la velocidad o cambie de dirección. Para que siga una trayectoria circular sin cambiar la velocidad, una fuerza centrípeta continua debe aplicarse continuamente en ángulo recto a su trayectoria. El radio r de este circulo es igual a la masa metro multiplicado por el cuadrado de la velocidad v dividido por la fuerza centrípeta Fo r = mv2/F. La fuerza se puede calcular simplemente reorganizando la ecuación, F= mv2/r.

La fuerza centrípeta es la atracción interna de un objeto. La fuerza centrífuga es lo opuesto; parece alejar objetos del centro o eje de rotación.

La fuerza centrípeta es la atracción interna de un objeto. La fuerza centrífuga es lo opuesto; parece alejar objetos del centro o eje de rotación.

Crédito: Fouad A. Saad Shutterstock

Hay muchas aplicaciones que explotan la fuerza centrípeta. Una es simular la aceleración de un lanzamiento espacial para el entrenamiento de astronautas. Cuando se lanza un cohete por primera vez, está tan cargado de combustible y oxidante que apenas puede moverse. Sin embargo, a medida que asciende, quema combustible a una velocidad tremenda, perdiendo masa continuamente. La segunda ley de Newton establece que la fuerza es igual a la aceleración de los tiempos de masa, o F = ma.

En la mayoría de las situaciones, la masa permanece constante. Sin embargo, con un cohete, su masa cambia drásticamente, mientras que la fuerza, en este caso el empuje de los motores de los cohetes, permanece casi constante. Esto hace que la aceleración hacia el final de la fase de refuerzo aumente varias veces la de la gravedad normal. La NASA usa centrifugadoras grandes para probar a los astronautas y prepararlos para esta aceleración extrema. En esta aplicación, la fuerza centrípeta la proporciona el respaldo del asiento que empuja hacia adentro al astronauta.

Otra aplicación para la fuerza centrípeta es la centrífuga de laboratorio, que se utiliza para acelerar la precipitación de partículas suspendidas en líquido. Un uso común de esta tecnología es para fraccionar muestras de sangre. Según el sitio web de la Universidad de Rice Experimental Biosciences, "la estructura única de la sangre hace que sea muy fácil separar los glóbulos rojos del plasma y los otros elementos formados por centrifugación diferencial". Bajo la fuerza de gravedad normal, el movimiento térmico causa una mezcla continua que evita que las células de la sangre se asienten en una muestra de sangre completa. Sin embargo, una centrífuga típica puede lograr aceleraciones que son de 600 a 2,000 veces más que la gravedad normal. Esto obliga a los glóbulos rojos pesados ​​a asentarse en la parte inferior y estratifica los otros componentes en capas según su densidad.

Las centrifugadoras de gas de alta velocidad también se pueden usar para separar el isótopo uranio-235 más ligero y más raro del uranio-238 más pesado y mucho más común. Un polvo de óxido de uranio llamado pastel amarillo (U3O8) se convierte primero en gas hexafluoruro de uranio (UF6) y canalizado en un cilindro giratorio. El U-238 más pesado es forzado hacia el exterior, mientras que el U-235 más liviano se mueve hacia el interior, donde se golpea el cilindro y el gas se canaliza a la siguiente centrifugadora en la matriz para un mayor enriquecimiento. Se requieren múltiples pasos para enriquecer el gas a solo 3 a 5 por ciento de U-235, que se requiere para alimentar las plantas de energía nuclear, y se requieren muchos más pasos para producir uranio altamente enriquecido con grado de armas que es más del 90 por ciento de U-235 puro.

Según el sitio web de la Universidad Estatal de Georgia, HyperPhysics, esta fuerza centrífuga aparente depende de la masa del objeto que se gira, multiplicado por su cuadrado de su velocidad angular, es decir, su velocidad de rotación, dividida por su distancia desde el centro de rotación. Esto se expresa como F = mv2/r. Esto da lugar a un fenómeno interesante. Cuando un recipiente lleno de líquido se gira a una velocidad constante, el líquido se mueve hacia el exterior del recipiente contra la fuerza de la gravedad que tira del líquido tratando de aplanarlo. La velocidad angular aumenta linealmente cuanto más te alejas del centro. Sin embargo, debido a que la fuerza exterior efectiva depende de la cuadrado De la velocidad angular, la altura del líquido es proporcional al cuadrado de la distancia desde el centro. Por esta razón, la superficie adquiere la forma de un paraboloide, que resulta ser la forma ideal para un espejo telescópico. La distancia focal del espejo está determinada por la velocidad de rotación y puede calcularse como F = sol/ω2, dónde F es la distancia focal, sol Es la aceleración de la gravedad y ω es la velocidad de rotación en radianes por segundo (2π radianes equivale a un círculo completo).

Este es el principio detrás de un telescopio de espejo líquido (LMT). Los LMT utilizan un metal líquido reflectante (generalmente mercurio) que se gira para formar una superficie reflectante parabólica. Para ahorrar peso y costo, el recipiente que contiene el mercurio está cerca de la forma parabólica deseada, por lo que solo se necesita una capa delgada de metal líquido. La ventaja de este sistema es que evita el costo de fundir, lijar, pulir y recubrir un espejo sólido. La desventaja es que los LMT grandes solo pueden mirar hacia arriba y escanear el cielo a medida que la Tierra gira. Por el contrario, los LMT más pequeños con diámetros de espejo de unas pocas pulgadas pueden usar espejos planos en la trayectoria óptica para mirar en cualquier dirección.

Según Ganse, "la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga son en realidad la misma fuerza, justo en direcciones opuestas porque se experimentan desde diferentes marcos de referencia". Esto nos lleva a la Tercera Ley de Newton, que dice: "Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta". Así como la gravedad hace que ejerzas una fuerza en el suelo, el suelo parece ejercer una fuerza igual y opuesta en tus pies. Cuando se encuentra en un automóvil que acelera, el asiento ejerce una fuerza hacia adelante sobre usted tal como parece que ejerce una fuerza hacia atrás en el asiento. En el caso de un sistema giratorio, la fuerza centrípeta empuja la masa hacia adentro para seguir una trayectoria curva, mientras que la masa parece empujar hacia afuera debido a su inercia. En cada uno de estos casos, sin embargo, solo se aplica una fuerza real, mientras que la otra es solo una fuerza aparente.

Recursos adicionales

  • Hiperfísica: Fuerza Centrípeta.
  • El Aula de Física: Circular, Satelital y Rotacional.


Suplemento De Vídeo: TestLab: ¿Qué es la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga?.




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