Fuerza centrífuga

Tipo de fuerza de inercia

La fuerza centrífuga es una fuerza de inercia en la mecánica newtoniana (también llamada fuerza "ficticia" o "pseudo") que parece actuar sobre todos los objetos cuando se ven en un marco de referencia giratorio . Está dirigido radialmente lejos del eje de rotación . La magnitud de la fuerza centrífuga F sobre un objeto de masa m a una distancia r del eje de rotación de un sistema de referencia que gira con velocidad angular ω es:

$${\displaystyle F=m\omega ^{2}r}$$

Esta fuerza ficticia se aplica a menudo a dispositivos giratorios, como centrífugas , bombas centrífugas , reguladores centrífugos y embragues centrífugos , y en ferrocarriles centrífugos , órbitas planetarias y curvas peraltadas , cuando se analizan en un marco de referencia no inercial como un sistema giratorio. sistema coordinado.

De manera confusa, el término también se ha utilizado a veces para la fuerza centrífuga reactiva , una fuerza newtoniana real independiente del marco que existe como reacción a una fuerza centrípeta .

En el sistema de referencia inercial (parte superior de la imagen), la bola negra se mueve en línea recta. Sin embargo, el observador (punto marrón) que está parado en el marco de referencia giratorio/no inercial (parte inferior de la imagen) ve que el objeto sigue una trayectoria curva debido a las fuerzas de Coriolis y centrífugas presentes en este marco.

Historia

Desde 1659, el término neolatino vi centrifuga ("fuerza centrífuga") está atestiguado en notas y cartas de Christiaan Huygens . ^{[1] [2]} Tenga en cuenta que en latín centrum significa "centro" y -fugus (de fugiō ) significa "huir, evitar". Así, centrífugo significa "huir del centro" en una traducción literal .

En 1673, en Horologium Oscillatorium , Huygens escribe (traducido por Richard J. Blackwell ): ^[3]

Existe otro tipo de oscilación además de la que hemos examinado hasta este punto; es decir, un movimiento en el que un peso suspendido se mueve a lo largo de la circunferencia de un círculo. A partir de esto nos llevaron a la construcción de otro reloj aproximadamente al mismo tiempo que inventamos el primero. [...] Originalmente tenía la intención de publicar aquí una descripción extensa de estos relojes, junto con asuntos relacionados con el movimiento circular y la fuerza centrífuga ^[a] , como podría llamarse, un tema sobre el cual tengo más que decir de lo que tengo. capaz de hacer en la actualidad. Pero, para que los interesados ​​en estas cosas puedan disfrutar más pronto de estas nuevas y no inútiles especulaciones, y para que su publicación no se vea impedida por algún accidente, he decidido, contrariamente a mi plan, añadir esta quinta parte [.. .].

El mismo año, Isaac Newton recibió el trabajo de Huygens a través de Henry Oldenburg y respondió: "Le ruego que le devuelva [al Sr. Huygens] mi humilde agradecimiento [...] Me alegro de que podamos esperar otro discurso sobre la vis centrífuga , cuya especulación puede resultar útil". buen uso en filosofía natural y astronomía , así como en mecánica ”. ^{[1] [4]}

En 1687, en los Principia , Newton desarrolla aún más la vis centrifuga ("fuerza centrífuga"). Por esta época, Newton, Gottfried Wilhelm Leibniz y Robert Hooke también desarrollaron el concepto .

A finales del siglo XVIII, la concepción moderna de la fuerza centrífuga evolucionó como una " fuerza ficticia " que surgía de una referencia giratoria. ^{[ cita necesaria ]}

La fuerza centrífuga también ha desempeñado un papel en los debates de la mecánica clásica sobre la detección del movimiento absoluto. Newton sugirió dos argumentos para responder a la pregunta de si se puede detectar la rotación absoluta : el argumento del cubo giratorio y el argumento de las esferas giratorias . ^[5] Según Newton, en cada escenario la fuerza centrífuga se observaría en el marco local del objeto (el marco donde el objeto está estacionario) solo si el marco estuviera girando con respecto al espacio absoluto.

Alrededor de 1883, se propuso el principio de Mach según el cual, en lugar de una rotación absoluta, el movimiento de las estrellas distantes en relación con el sistema inercial local da lugar, a través de alguna ley física (hipotética), a la fuerza centrífuga y otros efectos de inercia. La visión actual se basa en la idea de un marco de referencia inercial, que privilegia a los observadores para los cuales las leyes de la física adoptan su forma más simple y, en particular, a los marcos que no utilizan fuerzas centrífugas en sus ecuaciones de movimiento para describir los movimientos. correctamente.

Alrededor de 1914, la analogía entre la fuerza centrífuga (a veces utilizada para crear gravedad artificial ) y las fuerzas gravitacionales condujo al principio de equivalencia de la relatividad general . ^{[6] [7]}

Introducción

La fuerza centrífuga es una fuerza hacia afuera aparente en un sistema de referencia giratorio . ^{[8] [9] [10] [11]} No existe cuando un sistema se describe en relación con un sistema de referencia inercial .

Todas las mediciones de posición y velocidad deben realizarse en relación con algún marco de referencia. Por ejemplo, un análisis del movimiento de un objeto en un avión de pasajeros en vuelo podría realizarse en relación con el avión, con la superficie de la Tierra o incluso con el Sol. ^[12] Un sistema de referencia que está en reposo (o uno que se mueve sin rotación y a velocidad constante) con respecto a las " estrellas fijas " generalmente se considera un sistema inercial. Cualquier sistema puede analizarse en un marco inercial (y por tanto sin fuerza centrífuga). Sin embargo, suele ser más conveniente describir un sistema giratorio utilizando un marco giratorio: los cálculos son más simples y las descripciones más intuitivas. Cuando se hace esta elección, surgen fuerzas ficticias, incluida la fuerza centrífuga.

En un sistema de referencia que gira alrededor de un eje que pasa por su origen, todos los objetos, independientemente de su estado de movimiento, parecen estar bajo la influencia de una fuerza hacia afuera radialmente (desde el eje de rotación) que es proporcional a su masa, a la distancia. desde el eje de rotación del marco y al cuadrado de la velocidad angular del marco. ^{[13] [14]} Esta es la fuerza centrífuga. Como los seres humanos suelen experimentar la fuerza centrífuga desde dentro del marco de referencia giratorio, por ejemplo en un tiovivo o en un vehículo, esto es mucho más conocido que la fuerza centrípeta.

El movimiento relativo a un marco giratorio da como resultado otra fuerza ficticia: la fuerza de Coriolis . Si la velocidad de rotación del marco cambia, se requiere una tercera fuerza ficticia (la fuerza de Euler ). Estas fuerzas ficticias son necesarias para la formulación de ecuaciones de movimiento correctas en un sistema de referencia giratorio ^{[15] [16]} y permiten que las leyes de Newton se utilicen en su forma normal en dicho sistema (con una excepción: las fuerzas ficticias no obedecen Tercera ley de Newton: no tienen contrapartes iguales y opuestas). ^[15] La tercera ley de Newton requiere que las contrapartes existan dentro del mismo marco de referencia, de ahí que las fuerzas centrífuga y centrípeta, que no lo son, no sean acción y reacción (como a veces se sostiene erróneamente).

Ejemplos

Vehículo circulando por una curva

Una experiencia común que da lugar a la idea de una fuerza centrífuga es la que experimentan los pasajeros que viajan en un vehículo, como un automóvil, que cambia de dirección. Si un automóvil viaja a velocidad constante por una carretera recta, entonces el pasajero que viaja en su interior no acelera y, según la segunda ley del movimiento de Newton , la fuerza neta que actúa sobre él es, por tanto, cero (todas las fuerzas que actúan sobre él se anulan entre sí). ). Si el automóvil entra en una curva que gira hacia la izquierda, el pasajero experimenta una fuerza aparente que parece empujarlo hacia la derecha. Ésta es la fuerza centrífuga ficticia. Es necesario dentro del marco de referencia local de los pasajeros para explicar su repentina tendencia a comenzar a acelerar hacia la derecha en relación con el automóvil, una tendencia que deben resistir aplicando una fuerza hacia la derecha al automóvil (por ejemplo, una fuerza de fricción contra el asiento) para permanecer en una posición fija en el interior. Como empujan el asiento hacia la derecha, la tercera ley de Newton dice que el asiento los empuja hacia la izquierda. La fuerza centrífuga debe incluirse en el marco de referencia del pasajero (en el que el pasajero permanece en reposo): contrarresta la fuerza hacia la izquierda aplicada al pasajero por el asiento y explica por qué esta fuerza de otro modo desequilibrada no hace que acelere. ^[17] Sin embargo, sería evidente para un observador estacionario que observara desde un paso elevado arriba que la fuerza de fricción ejercida sobre el pasajero por el asiento no está equilibrada; constituye una fuerza neta hacia la izquierda, lo que hace que el pasajero acelere hacia el interior de la curva, como debe hacerlo para seguir moviéndose con el automóvil en lugar de avanzar en línea recta como lo haría de otra manera. Así, la "fuerza centrífuga" que sienten es el resultado de una "tendencia centrífuga" causada por la inercia. ^[18] Se encuentran efectos similares en aviones y montañas rusas donde la magnitud de la fuerza aparente a menudo se informa en " G ".

Piedra en una cuerda

Si una piedra se hace girar sobre una cuerda, en un plano horizontal, la única fuerza real que actúa sobre la piedra en el plano horizontal es la aplicada por la cuerda (la gravedad actúa verticalmente). Hay una fuerza neta sobre la piedra en el plano horizontal que actúa hacia el centro.

En un sistema de referencia inercial , si no fuera por esta fuerza neta que actúa sobre la piedra, ésta se desplazaría en línea recta, según la primera ley del movimiento de Newton . Para mantener la piedra moviéndose en una trayectoria circular, se debe aplicar continuamente a la piedra una fuerza centrípeta , en este caso proporcionada por la cuerda. Tan pronto como se retira (por ejemplo, si se rompe el hilo), la piedra se mueve en línea recta, vista desde arriba. En este marco inercial, el concepto de fuerza centrífuga no es necesario ya que todo movimiento puede describirse adecuadamente utilizando únicamente fuerzas reales y las leyes de movimiento de Newton.

En un marco de referencia que gira con la piedra alrededor del mismo eje que la piedra, la piedra está estacionaria. Sin embargo, la fuerza aplicada por la cuerda sigue actuando sobre la piedra. Si se aplicaran las leyes de Newton en su forma habitual (marco inercial), se concluiría que la piedra debería acelerar en la dirección de la fuerza neta aplicada (hacia el eje de rotación), lo cual no ocurre. La fuerza centrífuga y otras fuerzas ficticias deben incluirse junto con las fuerzas reales para poder aplicar las leyes de movimiento de Newton en el marco giratorio.

Tierra

La Tierra constituye un marco de referencia giratorio porque gira una vez cada 23 horas y 56 minutos alrededor de su eje. Debido a que la rotación es lenta, las fuerzas ficticias que produce suelen ser pequeñas y, en situaciones cotidianas, generalmente pueden despreciarse. Incluso en los cálculos que requieren alta precisión, la fuerza centrífuga generalmente no se incluye explícitamente, sino que se agrupa con la fuerza gravitacional : la fuerza y ​​dirección de la " gravedad " local en cualquier punto de la superficie de la Tierra es en realidad una combinación de gravitacional y centrífuga. efectivo. Sin embargo, las fuerzas ficticias pueden ser de tamaño arbitrario. Por ejemplo, en un sistema de referencia ligado a la Tierra (donde la Tierra se representa como estacionaria), la fuerza ficticia (la red de Coriolis y las fuerzas centrífugas) es enorme y es responsable de que el Sol orbite alrededor de la Tierra. Esto se debe a la gran masa y velocidad del Sol (en relación con la Tierra).

Peso de un objeto en los polos y en el ecuador.

Si un objeto se pesa con una balanza de resorte simple en uno de los polos de la Tierra, hay dos fuerzas que actúan sobre el objeto: la gravedad de la Tierra, que actúa en dirección hacia abajo, y la fuerza restauradora igual y opuesta del resorte, que actúa hacia arriba. . Dado que el objeto está estacionario y no acelera, no hay ninguna fuerza neta que actúe sobre el objeto y la fuerza del resorte es igual en magnitud a la fuerza de gravedad sobre el objeto. En este caso, la balanza muestra el valor de la fuerza de gravedad sobre el objeto.

Cuando el mismo objeto se pesa en el ecuador , las mismas dos fuerzas reales actúan sobre el objeto. Sin embargo, el objeto se mueve en una trayectoria circular a medida que la Tierra gira y, por lo tanto, experimenta una aceleración centrípeta. Cuando se considera en un sistema inercial (es decir, uno que no gira con la Tierra), la aceleración distinta de cero significa que la fuerza de la gravedad no se equilibrará con la fuerza del resorte. Para tener una fuerza centrípeta neta, la magnitud de la fuerza restauradora del resorte debe ser menor que la magnitud de la fuerza de gravedad. Esta fuerza de recuperación reducida en el resorte se refleja en la báscula como menos peso: aproximadamente un 0,3% menos en el ecuador que en los polos. ^[19] En el marco de referencia de la Tierra (en el que el objeto que se pesa está en reposo), el objeto no parece estar acelerando; sin embargo, las dos fuerzas reales, la gravedad y la fuerza del resorte, tienen la misma magnitud y no están en equilibrio. Se debe incluir la fuerza centrífuga para que la suma de las fuerzas sea cero para igualar la aparente falta de aceleración.

Nota: De hecho, la diferencia de peso observada es mayor: alrededor del 0,53%. La gravedad de la Tierra es un poco más fuerte en los polos que en el ecuador, porque la Tierra no es una esfera perfecta , por lo que un objeto en los polos está ligeramente más cerca del centro de la Tierra que uno en el ecuador; este efecto se combina con la fuerza centrífuga para producir la diferencia de peso observada. ^[20]

Derivación

Para el siguiente formalismo, el sistema de referencia giratorio se considera como un caso especial de un sistema de referencia no inercial que gira con respecto a un sistema de referencia inercial denominado sistema estacionario.

Derivadas del tiempo en un marco giratorio

En un sistema de referencia giratorio, las derivadas del tiempo de cualquier función vectorial P del tiempo (como los vectores velocidad y aceleración de un objeto) diferirán de sus derivadas del tiempo en el sistema estacionario. Si P ₁ P ₂ , P ₃ son los componentes de P con respecto a los vectores unitarios i , j , k dirigidos a lo largo de los ejes del marco giratorio (es decir, P = P ₁ i + P ₂ j + P ₃ k ), entonces el La primera derivada [d P /d t ] de P con respecto al marco giratorio es, por definición, d P ₁ /d t i + d P ₂ /d t j + d P ₃ /d t k . Si la velocidad angular absoluta del marco giratorio es ω, entonces la derivada d P /d t de P con respecto al marco estacionario está relacionada con [d P /d t ] mediante la ecuación: ^[21]

$${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {P}}}{\mathrm {d} t}}=\left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {P}}}{\mathrm {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {P}}\ ,}$$

producto vectorial vectorialPωωregla de la mano derecha ${\displaystyle \times }$ ${\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {P}}}$

Aceleración

La ley de movimiento de Newton para una partícula de masa m escrita en forma vectorial es:

$${\displaystyle {\boldsymbol {F}}=m{\boldsymbol {a}}\ ,}$$

Fa es la aceleración

$${\displaystyle {\boldsymbol {a}}={\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}\ ,}$$

r

Al aplicar la transformación anterior del sistema estacionario al giratorio tres veces (dos veces a y una vez a ), la aceleración absoluta de la partícula se puede escribir como: ${\textstyle {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}}$ ${\textstyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {a}}&={\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\left(\left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}}\ \right)\\&=\left[{\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]+{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\mathrm {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}+{\boldsymbol {\omega }}\times {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\\&=\left[{\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]+{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\mathrm {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}+{\boldsymbol {\omega }}\times \left(\left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}}\ \right)\\&=\left[{\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}\right]+{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\mathrm {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}+2{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times ({\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}})\ .\end{aligned}}}$$

Fuerza

La aceleración aparente en el marco giratorio es . Un observador que no fuera consciente de la rotación esperaría que ésta fuera cero en ausencia de fuerzas externas. Sin embargo, las leyes del movimiento de Newton se aplican sólo en el sistema inercial y describen la dinámica en términos de aceleración absoluta . Por lo tanto, el observador percibe los términos adicionales como contribuciones debidas a fuerzas ficticias. Estos términos de la aceleración aparente son independientes de la masa; entonces parece que cada una de estas fuerzas ficticias, como la gravedad, atrae un objeto en proporción a su masa. Cuando se suman estas fuerzas, la ecuación de movimiento tiene la forma: ^{[22] [23] [24]} ${\displaystyle \left[{\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}\right]}$ ${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}}$

$${\displaystyle {\boldsymbol {F}}-m{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\mathrm {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}-2m{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t}}\right]-m{\boldsymbol {\omega }}\times ({\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}})=m\left[{\frac {\mathrm {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} t^{2}}}\right]\ .}$$

Desde la perspectiva del marco giratorio, los términos de fuerza adicionales se experimentan igual que las fuerzas externas reales y contribuyen a la aceleración aparente. ^{[25] [26]} Los términos adicionales en el lado de la fuerza de la ecuación pueden reconocerse como, leyendo de izquierda a derecha, la fuerza de Euler , la fuerza de Coriolis y la fuerza centrífuga , respectivamente. ^[27] A diferencia de las otras dos fuerzas ficticias, la fuerza centrífuga siempre apunta radialmente hacia afuera desde el eje de rotación del marco giratorio, con magnitud , donde es la componente del vector de posición perpendicular a , y a diferencia de la fuerza de Coriolis en particular, es independiente del movimiento de la partícula en el marco giratorio. Como era de esperar, para un sistema de referencia inercial no giratorio, la fuerza centrífuga y todas las demás fuerzas ficticias desaparecen. ^[28] De manera similar, como la fuerza centrífuga es proporcional a la distancia del objeto al eje de rotación del marco, la fuerza centrífuga desaparece para los objetos que se encuentran sobre el eje. ${\displaystyle -m\mathrm {d} {\boldsymbol {\omega }}/\mathrm {d} t\times {\boldsymbol {r}}}$ ${\displaystyle -2m{\boldsymbol {\omega }}\times \left[\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}/\mathrm {d} t\right]}$ ${\displaystyle -m{\boldsymbol {\omega }}\times ({\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}})}$ ${\displaystyle m\omega ^{2}r_{\perp }}$ ${\displaystyle r_{\perp }}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}}$ ${\displaystyle ({\boldsymbol {\omega }}=0)}$

rotación absoluta

La interfaz de dos líquidos inmiscibles que giran alrededor de un eje vertical es un paraboloide circular que se abre hacia arriba.

Cuando se analiza en un marco de referencia giratorio del planeta, la fuerza centrífuga hace que los planetas en rotación asuman la forma de un esferoide achatado.

Newton sugirió tres escenarios para responder a la pregunta de si se puede detectar la rotación absoluta de un marco local; es decir, si un observador puede decidir si un objeto observado está girando o si el observador está girando. ^{[29] [30]}

• La forma de la superficie del agua que gira en un balde . La forma de la superficie se vuelve cóncava para equilibrar la fuerza centrífuga con las otras fuerzas sobre el líquido.
• La tensión en una cuerda que une dos esferas que giran alrededor de su centro de masa. La tensión en la cuerda será proporcional a la fuerza centrífuga sobre cada esfera mientras gira alrededor del centro de masa común.

En estos escenarios, los efectos atribuidos a la fuerza centrífuga solo se observan en el marco local (el marco en el que el objeto está estacionario) si el objeto está experimentando una rotación absoluta en relación con un marco inercial. Por el contrario, en un sistema inercial, los efectos observados surgen como consecuencia de la inercia y de las fuerzas conocidas sin necesidad de introducir una fuerza centrífuga. Según este argumento, el marco privilegiado, en el que las leyes de la física adoptan la forma más simple, es un marco estacionario en el que no es necesario invocar fuerzas ficticias.

Dentro de esta visión de la física, cualquier otro fenómeno que suele atribuirse a la fuerza centrífuga puede utilizarse para identificar la rotación absoluta. Por ejemplo, el achatamiento de una esfera de material que fluye libremente a menudo se explica en términos de fuerza centrífuga. La forma esferoide achatada refleja, siguiendo el teorema de Clairaut , el equilibrio entre la contención por atracción gravitacional y la dispersión por fuerza centrífuga. El hecho de que la Tierra es en sí misma un esferoide achatado, abultado en el ecuador, donde la distancia radial y, por tanto, la fuerza centrífuga es mayor, se considera una de las pruebas de su rotación absoluta. ^[31]

Aplicaciones

Las operaciones de numerosos sistemas mecánicos rotativos comunes se conceptualizan más fácilmente en términos de fuerza centrífuga. Por ejemplo:

• Un gobernador centrífugo regula la velocidad de un motor mediante el uso de masas giratorias que se mueven radialmente, ajustando el acelerador a medida que el motor cambia de velocidad. En el sistema de referencia de las masas que giran, la fuerza centrífuga provoca el movimiento radial.
• Un embrague centrífugo se utiliza en pequeños dispositivos impulsados ​​por motores, como motosierras, karts y modelos de helicópteros. Permite que el motor arranque y funcione en ralentí sin accionar el dispositivo, pero activa la transmisión de forma automática y suave a medida que aumenta la velocidad del motor. Los frenos de tambor inerciales utilizados en la escalada en roca y los carretes de inercia utilizados en muchos cinturones de seguridad de automóviles funcionan según el mismo principio.
• Las fuerzas centrífugas se pueden utilizar para generar gravedad artificial , como en los diseños propuestos para estaciones espaciales giratorias. El Mars Gravity Biosatellite habría estudiado los efectos de la gravedad al nivel de Marte en ratones con la gravedad simulada de esta manera.
• La fundición por rotación y la fundición centrífuga son métodos de producción que utilizan la fuerza centrífuga para dispersar metal o plástico líquido por todo el espacio negativo de un molde.
• Las centrífugas se utilizan en la ciencia y la industria para separar sustancias. En el sistema de referencia que gira con la centrífuga, la fuerza centrífuga induce un gradiente de presión hidrostática en tubos llenos de líquido orientados perpendicularmente al eje de rotación, dando lugar a grandes fuerzas de flotación que empujan las partículas de baja densidad hacia el interior. Los elementos o partículas más densas que el fluido se mueven hacia afuera bajo la influencia de la fuerza centrífuga. Este es efectivamente el principio de Arquímedes generado por la fuerza centrífuga en lugar de generado por la gravedad.
• Algunas atracciones utilizan fuerzas centrífugas. Por ejemplo, el giro de un Gravitron fuerza a los pasajeros contra una pared y les permite elevarse por encima del piso de la máquina desafiando la gravedad de la Tierra. ^[32]

Sin embargo, todos estos sistemas también pueden describirse sin requerir el concepto de fuerza centrífuga, en términos de movimientos y fuerzas en un marco estacionario, a costa de tener algo más de cuidado al considerar las fuerzas y movimientos dentro del sistema.

Otros usos del término

Si bien la mayoría de la literatura científica utiliza el término fuerza centrífuga para referirse a la fuerza ficticia particular que surge en marcos giratorios, existen algunos casos limitados en la literatura del término aplicado a otros conceptos físicos distintos.

En mecánica lagrangiana

Uno de estos casos ocurre en la mecánica lagrangiana . La mecánica lagrangiana formula la mecánica en términos de coordenadas generalizadas { q _k }, que pueden ser tan simples como las coordenadas polares habituales o una lista de variables mucho más extensa. ^{[33] [34]} Dentro de esta formulación, el movimiento se describe en términos de fuerzas generalizadas , utilizando en lugar de las leyes de Newton las ecuaciones de Euler-Lagrange . Entre las fuerzas generalizadas, aquellas que involucran el cuadrado de las derivadas del tiempo {(d q _k   ⁄ d t  ) ² } a veces se denominan fuerzas centrífugas. ^{[35] [36] [37] [38]} En el caso de movimiento en un potencial central, la fuerza centrífuga lagrangiana tiene la misma forma que la fuerza centrífuga ficticia derivada en un marco co-rotativo. ^[39] Sin embargo, el uso lagrangiano de "fuerza centrífuga" en otros casos más generales tiene sólo una conexión limitada con la definición newtoniana. ${\displaystyle (r,\ \theta )}$

Como fuerza reactiva

En otra instancia el término se refiere a la fuerza de reacción ante una fuerza centrípeta, o fuerza centrífuga reactiva . Un cuerpo que experimenta un movimiento curvo, como un movimiento circular , acelera hacia un centro en cualquier momento determinado. Esta aceleración centrípeta es proporcionada por una fuerza centrípeta, que algún otro cuerpo ejerce sobre el cuerpo en movimiento curvo. De acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton , el cuerpo en movimiento curvo ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el otro cuerpo. Esta fuerza reactiva es ejercida por el cuerpo en movimiento curvo sobre el otro cuerpo que proporciona la fuerza centrípeta y su dirección es desde ese otro cuerpo hacia el cuerpo en movimiento curvo. ^{[40] [41] [42] [43]}

Esta fuerza de reacción a veces se describe como una reacción inercial centrífuga , ^{[44] [45]} es decir, una fuerza que está dirigida centrífugamente, que es una fuerza reactiva igual y opuesta a la fuerza centrípeta que está curvando la trayectoria de la masa.

El concepto de fuerza centrífuga reactiva se utiliza a veces en mecánica e ingeniería. A veces se la denomina simplemente fuerza centrífuga en lugar de fuerza centrífuga reactiva ^{[46] [47],} aunque este uso está en desuso en la mecánica elemental. ^[48]

Ver también

• Portal de física

• Equilibrado de masas giratorias.
• Mecanismo centrífugo de aceleración.
• Principio de equivalencia
• Física popular
• punto lagrangiano
• ecuación de lamm

Notas

1. En latín: vim centrifugam .

Referencias

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33. Para una introducción, véase, por ejemplo, Cornelius Lanczos (1986). Los principios variacionales de la mecánica (Reimpresión de 1970, edición de la Universidad de Toronto). Dover. pag. 1.ISBN​ 978-0-486-65067-8.
34. Para obtener una descripción de las coordenadas generalizadas, consulte Ahmed A. Shabana (2003). "Coordenadas generalizadas y restricciones cinemáticas". Dinámica de sistemas multicuerpo (2 ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 90 y siguientes . ISBN 978-0-521-54411-5.
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36. Shuzhi S. Ge; Tong Heng Lee; Christopher John Harris (1998). Control adaptativo de redes neuronales de manipuladores robóticos. Científico mundial. págs. 47–48. ISBN 978-981-02-3452-2. En las ecuaciones de Euler-Lagrange anteriores , hay tres tipos de términos. El primero implica la segunda derivada de las coordenadas generalizadas. El segundo es cuadrático en el que los coeficientes pueden depender de . Estos se clasifican además en dos tipos. Los términos que involucran un producto del tipo se llaman fuerzas centrífugas mientras que aquellos que involucran un producto del tipo para i ≠ j se llaman fuerzas de Coriolis . El tercer tipo son funciones de únicamente y se llaman fuerzas gravitacionales . ${\displaystyle {\boldsymbol {\dot {q}}}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {q}}}$ ${\displaystyle {{\dot {q}}_{i}}^{2}}$ ${\displaystyle {\dot {q}}_{i}{\dot {q}}_{j}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {q}}}$
37. RK Mittal; IJ Nagrath (2003). Robótica y Control. Tata McGraw-Hill. pag. 202.ISBN​ 978-0-07-048293-7.
38. T Yanao; K Takatsuka (2005). "Efectos de una métrica intrínseca del espacio interno molecular". En Mikito Toda; Tamiki Komatsuzaki; Stuart A. Arroz; Tetsuro Konishi; R. Stephen Berry (eds.). Estructuras geométricas del espacio de fases en el caos multidimensional: aplicaciones a la dinámica de reacciones químicas en sistemas complejos . Wiley. pag. 98.ISBN​ 978-0-471-71157-5. Como se desprende de los primeros términos..., que son proporcionales al cuadrado de , surge una especie de "fuerza centrífuga"... A esta fuerza la llamamos "fuerza centrífuga democrática". Por supuesto, la DCF es diferente de la fuerza centrífuga ordinaria y surge incluso en un sistema con momento angular cero. ${\displaystyle {\dot {\phi }}}$
39. Ver pág. 5 en Donato Bini; Paolo Carini; Robert T. Jantzen (1997). "Las fuerzas centrífugas y derivadas intrínsecas en la relatividad general: I. Fundamentos teóricos". Revista Internacional de Física Moderna D (manuscrito enviado). 6 (1): 143–198. arXiv : gr-qc/0106014v1 . Código bibliográfico : 1997IJMPD...6..143B. doi :10.1142/S021827189700011X. S2CID  10652293.. El artículo complementario es Donato Bini; Paolo Carini; Robert T. Jantzen (1997). "Las fuerzas centrífugas y derivadas intrínsecas en la relatividad general: II. Aplicaciones a órbitas circulares en algunos espacios-tiempos axisimétricos estacionarios". Revista Internacional de Física Moderna D (manuscrito enviado). 6 (1): 143–198. arXiv : gr-qc/0106014v1 . Código bibliográfico : 1997IJMPD...6..143B. doi :10.1142/S021827189700011X. S2CID  10652293.
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enlaces externos

• Medios relacionados con la fuerza centrífuga en Wikimedia Commons