La forca centrifuga es una forca inercial (forces tambe anomenades "ficticies" o "pseudoforces") que tendeix a allunyar els objectes del seu centre de rotacio quan segueixen un moviment circular. ^[1]

• La forca centrifuga es una de les forces inercials que semblen actuar sobre un objecte quan el seu moviment es descriu segons un sistema de referencia en rotacio.
• La forca centrifuga es producte de la reaccio 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 es nomes l'efecte de la inercia en un moviment circular, no es causada per la interaccio d'un altre cos fisic.

La forca centrifuga sorgeix quan analitzem el moviment d'un objecte des d'un sistema de referencia no inercial , o accelerat, que descriu un moviment circular uniforme. ^[2]

La forca centrifuga sera el producte de la massa per l'acceleracio centrifuga, en un sistema de referencia no inercial. ^[3]

Exemples [ modifica ]

El vehicle que pren una corba [ modifica ]

Una experiencia comuna que causa la idea d'una forca centrifuga la troben els passatgers d'un vehicle, com un cotxe, que esta canviant de direccio. Si un cotxe viatja a una velocitat constant al llarg d'una carretera recta, llavors un passatger a l'interior no esta accelerant i, segons la segona llei del moviment de Newton, la forca neta que actua sobre ell es, per tant, zero (totes les forces que hi actuen es cancel·len mutuament). Si el cotxe entra en una corba a l'esquerra, el passatger experimenta una forca aparent que sembla estirar-lo cap a la dreta. Aixo es la forca centrifuga ficticia. Es necessita dins del marc local de referencia del passatger per explicar la seva tendencia sobtada a accelerar a la dreta respecte del cotxe ?una tendencia que ha de resistir aplicant una forca a la dreta sobre el cotxe (per exemple, una forca de friccio contra el seient) per tal de quedar en una posicio fixa a l'interior. Com que empeny el seient cap a la dreta, la tercera llei de Newton diu que el seient l'empeny cap l'esquerra. La forca centrifuga s'ha d'incloure en el marc de referencia del passatger (en el qual el passatger esta en repos): aquesta contraresta la forca cap a l'esquerra aplicada al passatger pel seient i explica per que aquesta forca desequilibrada no fa que s'acceleri. ^[4] Tanmateix, seria evident per a un observador estacionari que veies des d'un pas superior que la forca de friccio exercida sobre el passatger pel seient no s'esta equilibrant; constitueix una forca neta cap a l'esquerra, que fa que el passatger acceleri cap a l'interior de la corba, com ho ha de fer per continuar avancant amb el cotxe en lloc de procedir en linia recta com ho faria altrament. Aixi, la "forca centrifuga" que sent es el resultat d'una "tendencia centrifuga" provocada per la inercia.. ^[5] Es troben efectes similars en avions i muntanyes russes, on la magnitud de la forca aparent es mesura sovint en "G".

Pedra girant [ modifica ]

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

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

En un marc de referencia que giri amb la pedra, la pedra es estacionaria. No obstant aixo, la forca 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 direccio de la forca neta aplicada -cap a l'eix de rotacio-, pero no ho fa. Caldra incloure una forca centrifuga ficticia juntament amb les forces reals per a poder aplicar les lleis del moviment de Newton en el marc de referencia en rotacio.

Terra [ modifica ]

La Terra constitueix un marc de referencia giratori perque gira una vegada cada 23 hores i 56 minuts al voltant del seu eix. Com que la rotacio es lenta, les forces ficticies que produeix sovint son petites, i en situacions quotidianes generalment es poden ignorar. Fins i tot en els calculs que requereixen una alta precisio, la forca centrifuga generalment no s'inclou explicitament, sino que s'agrupa amb la forca gravitatoria: la forca i la direccio de la "gravetat" local en qualsevol punt de la superficie de la Terra es en realitat una combinacio de les forces gravitatoria i centrifuga. Tanmateix, les forces ficticies poden ser de mida arbitraria. Per exemple, en un sistema de referencia lligat a la Terra, la forca ficticia (la suma de la forca de Coriolis i la centrifuga) es enorme i es responsable que el Sol orbiti al voltant de la Terra (al sistema de referencia lligat a la Terra). Aixo es deu a la gran massa i velocitat del Sol (en relacio amb la Terra).

Pes d'un objecte als pols i en l'equador [ modifica ]

Si un objecte es pesa amb una balanca de molla simple en un dels pols de la Terra, hi ha dues forces que actuen sobre l'objecte: la gravetat de la Terra, que actua en direccio cap avall, i la forca de restauracio igual i oposada a la molla, que actua cap amunt. Com que l'objecte esta estacionari i no accelera, no hi ha forca neta que actui sobre l'objecte i la forca de la molla es igual en magnitud a la forca de gravetat sobre l'objecte. En aquest cas, la balanca mostra el valor de la forca de gravetat sobre l'objecte.

Quan el mateix objecte es pesa a l'equador, les mateixes dues forces reals actuen sobre l'objecte. Tanmateix, l'objecte es mou en una trajectoria circular mentre la Terra gira i, per tant, experimenta una acceleracio centripeta. Quan es considera en un marc inercial (es a dir, un que no gira amb la Terra), l'acceleracio diferent de zero significa que la forca de la gravetat no s'equilibrara amb la forca de la molla. Per tenir una forca centripeta neta, la magnitud de la forca de restauracio de la molla ha de ser inferior a la magnitud de la forca de la gravetat. Menys forca de restauracio a la molla es reflecteix a l'escala com a menys pes, aproximadament un 0,3% menys a l'equador que als pols. ^[6] En el marc de referencia de la Terra (en el qual l'objecte que es pesa esta en repos), l'objecte no sembla estar accelerant, pero les dues forces reals, la gravetat i la forca de la molla, son de la mateixa magnitud i no s'equilibren. S'ha d'incloure la forca centrifuga perque la suma de les forces sigui zero per igualar l'aparent manca d'acceleracio.

Via equatorial [ modifica ]

Aquest experiment mental es mes complicat que els exemples anteriors en que requereix l'us del Coriolis obliga aixi com la forca centrifuga.

Si hi havia una linia de via corrent arredoneix l'equador de la Terra, un tren que mou a l'oest al llarg d'ella el dejuni prou quedaria immobil en un marc que mou (pero no rotant) amb la Terra; estaria encara com la Terra va filar sota el. En aquest marc inert la situacio es facil d'analitzar. Les forces uniques actuar en el tren (suposant cap resistencia de vent o altres forces horitzontals) es la seva gravetat (avall) i l'igual i oposat (alcista) forca des de la pista. no hi ha cap forca neta en el tren i ella per tant queda immobil.

En un marc rotar amb la Terra els moviments de tren en una orbita circular mentre viatja arredoneix la Terra. En aquest marc, la forca de reaccio alcista des de la pista i la forca de la gravetat en el tren queda igual, mentre son forces reals. Tanmateix, en la Terra (rotant) marc, el tren esta viatjant en un cami circular i per tant requereix un centripet (descendent) forca per seguir-la en aquest cami. Perque aquests usos un marc de rotar, el (fictici) s'ha d'aplicar la forca centrifuga al tren. Aixo es igual dins valora a la forca centripeta requerida pero actes en una direccio alcista ? la direccio oposada a allo va requerir. Semblaria que hi ha una forca alcista neta en el tren i ella per tant accelerar amunt.

La resolucio a aquestes mentides de paradoxa en el fet que el tren es en mocio amb respecte al rotant emmarca i es subjecte a (a mes de la forca centrifuga) els Coriolis obliguen, el qual, en aquest exemple, actua en la direccio descendent i es dues vegades tan fort com la forca centrifuga.

Forca centripeta enfront de forca centrifuga [ modifica ]

La forca centripeta es la component de forca dirigida cap al centre de curvatura de la trajectoria d'una particula. En mecanica classica , les forces centripetes son forces reals associades causalment a l'accio d'algun agent exterior a la particula o el cos. En el cas del moviment circular uniforme , la forca centripeta esta dirigida cap al centre de la trajectoria circular i es necessaria per produir el canvi de direccio de la velocitat de la particula . Si sobre la particula no actues cap forca, es mouria en linia recta amb velocitat constant.

La "forca centrifuga" no es una forca en el sentit usual de la paraula, sino que es una forca ficticia que apareix en els sistemes referencials no-inercials. Es a dir, la forca aparent que un observador no inercial sembla percebre com a resultat de la no inercialitat del seu sistema de referencia.

Aixi, per exemple, si un cos esta girant al voltant d'un centre de forces fix, l'unica forca real que actua sobre el cos es la forca d'atraccio cap al centre de la trajectoria (forca centripeta) necessaria, des del punt de vista d'un observador estacionari perque el cos pugui descriure una trajectoria curvilinia. Aquesta forca real, ${\displaystyle F_{cp}}$, (la tensio de la corda en l'exemple il·lustrat a la Figura) proporciona l' acceleracio centripeta caracteristica de tot moviment curvilini. ^[7]

No obstant aixo, un observador situat en un referencial en el qual el cos estigui en repos (referencial en rotacio [x, y, z] i, per tant, no inercial) observara que el cos no presenta cap acceleracio en la direccio de la forca aplicada ${\displaystyle F_{cp}}$(que podra mesurar intercalant un dinamometre a la corda de la Figura). Per reconciliar aquest resultat amb el requeriment que la forca neta que actua sobre el cos sigui nul·la, l'observador imagina l'existencia d'una forca igual i de sentit oposat a la forca centripeta; es a dir, postula l'existencia d'una forca centrifuga, ${\displaystyle F_{cp}}$ que no te existencia real i que nomes es util 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 automobil que pren un revolt tancat cap a l'esquerra amb una certa velocitat. La inercia associada a la massa del passatger s'oposa a qualsevol canvi de direccio de moviment d'aquest, impel·lint a continuar la seva inicial trajectoria rectilinia. Ja que l'automobil gira cap a l'esquerra, el passatger se sent desplacat cap a la porta situada a la seva dreta. Una vegada que el passatger estableix contacte amb la porta, aquesta exercira sobre el passatger la forca centripeta necessaria perque, igual que l'automobil, pugui girar cap a l'esquerra. El fregament entre el seient i els pantalons del passatger tambe contribueix a contrarestar l'efecte centrifug 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 forca centripeta necessaria per al viratge.

Acceleracio centripeta [ modifica ]

La forca que provoca el moviment circular es denomina forca centripeta . Un objecte sobre el qual no actua cap forca es mou en linia recta amb velocitat constant. Per fer que l'objecte es desvii d'un cami recte a un circular, ha d'exercir-s'hi una forca centripeta en angle recte a la velocitat de l'objecte, dirigida cap al centre del cercle. Ates que aixo provoca un canvi en la direccio de la velocitat de l'objecte, apareix una acceleracio centripeta, dirigida cap al centre.

Historia de concepcions de forces centrifugues i centripetes [ modifica ]

La concepcio de forca centrifuga ha evolucionat des del temps d'Huygens, Newton, Leibniz, i Hooke que va expressar concepcions primerenques d'ella. La seva concepcio moderna com a la forca ficticia que sorgeix dins una referencia de rotar el marc evolucionat dins els segles divuitens i dinovens.

La forca centrifuga tambe ha jugat una funcio dins debat en mecanics classics sobre deteccio de mocio absoluta. Newton va suggerir dos arguments per respondre la pregunta de tant si es pot detectar la rotacio absoluta: el rotant argument de galleda, i el rotant argument d'esferes. ^[8] Segons Newton, en cada escenari la forca centrifuga seria acatada en el marc local de l'objecte (el marc on l'objecte es immobil) nomes si el marc rotava amb respecte a espai absolut. Gairebe dos segles mes tard, el principi de Mach va ser proposat on, en comptes de rotacio absoluta, la mocio dels astres distants relatius al marc inert local dona augment a traves d'alguns (hipotetic) llei fisica a la forca centrifuga i altres efectes d'inercia. Avuiha la vista es basada a la idea d'un marc inert de referencia, quins observadors de privilegis pel qual les lleis de fisiques duen en la seva forma mes simple, i en particular, marcs que no utilitza forces centrifugues en les seves equacions de la mocio dins ordena per descriure mocions correctament.

L'analogia entre forca centrifuga (de vegades solgut crear gravetat artificial) i les forces gravitatories van portar al principi d'equivalencia de relativitat general. ^{[9] [10]}

Sistema de referencia inercial [ modifica ]

Quan s'observa des d'un sistema de referencia inercial , el que realment ocorre es que, per exemple en un cotxe, la inercia del passatger s'oposa a qualsevol canvi de direccio de moviment i mante el passatger en la inicial linia recta. Des d'aquest punt de vista, l'unica rao per la qual el passatger es vegi impulsat cap a un costat del cotxe es que la persona encara viatja en una linia recta, i el cotxe ha accelerat. Un cop que el passatger arriba fins a la porta lateral del cotxe, el cotxe es capac d'aplicar-hi la forca centripeta al passatger per accelerar-lo juntament amb el cotxe.

La friccio entre el seient i els pantalons del passatger tambe contraresten la forca centrifuga, a baixa velocitat impedeix que els passatgers llisquin del seient; la friccio es l'unica causant d'aixo. Per una altra banda, el passatger exerceix una forca reactiva contra la porta: segons la segona definicio, aquesta forca tambe s'anomenaria forca centrifuga.

Confusio sobre el terme [ modifica ]

Existeix confusio sobre el terme forca centrifuga a causa d'aquestes dues definicions diferents. Segons una d'elles, la forca centrifuga actua sobre l'objecte i es una forca inercial, que nomes existeix en sistemes de referencia giratoris. L'altra forca que tambe s'ha denominat forca centrifuga es la vertadera forca de reaccio exercida per l'objecte.

Per aquesta rao, els professors de ciencia en els ultims anys tendeixen a treure importancia a la forca centrifuga quan ensenyen el moviment circular, i en el seu lloc donen preferencia a la forca centripeta, ates que es la forca responsable de mantenir el moviment circular i l'acceleracio centripeta. Generalment es recomana parlar de fisica de rotacio emprant nomes sistemes de referencia inercials, evitant aixi la necessitat de pensar en acceleracions centrifugues.

Aplicacions [ modifica ]

Les operacions de nombros comu rotant els sistemes mecanics son mes facilment conceptualitzat en termes de forca centrifuga.

Per exemple:

• Un governador centrifug regula la velocitat d'un motor per utilitzar filar concentra aquell moviment radialment, ajustant l'acceleracio, mentre la velocitat de canvis del motor. En el marc de referencia de les masses de filatura, la forca centrifuga causa el moviment radial.
• Un embragatge centrifug es utilitzat en motor petit-dispositius alimentats com encadenar serres, go-karts i helicopters de model. Permet el motor per arrencar i ocios sense conduir el dispositiu pero automaticament i suaument compromet la unitat mentre la velocitat de motor ascendeix. Fre de bido inert ascendents utilitzat en escalada de rock i els carrets d'inercia van utilitzar en moltes cintes d'esco de l'automobil operen en el mateix principi.
• Es poden soler les forces centrifugues 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.
• Casting d'espin i centrifug llancar es metodes de produccio aquell us forca centrifuga per dispersar metall liquid o plastic durant l'espai negatiu d'un motlle.
• Les centrifugadores son utilitzades en ciencia i industria per separar substancies. En el marc de referencia filar amb la centrifugadora, la forca centrifuga indueix un gradient de pressio hidroestatic en fluid-els tubs omplerts van orientar perpendiculars a l'eix de rotacio, donant augment a gran flotant obliga quina empenta particules de densitat baixa cap a l'interior. Els elements o les particules mes densos que el moviment fluid cap enfora sota la influencia de la forca centrifuga. Aixo es eficacment Arquimedes principi com generat per forca centrifuga com oposat a ser generat per gravetat.
• Alguns passejos de distraccio fan us de forces centrifugues. Per a cas, un Gravitronha genets de forces de l'espin contra una tapia i permet genets per ser elevats per sobre del fons de la maquina en resistencia de la gravetat de la terra. ^[11]

No obstant aixo, tot de tambe es poden descriure aquests sistemes sense requerir el concepte de forca centrifuga, en termes de mocions i forces en un marc immobil, al cost de dur una mica mes cura en la consideracio de forces i mocions dins del sistema.

Referencies [ modifica ]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimedia relatiu a: Forca centrifuga