En la mecánica clásica , una fuerza centrífuga reactiva forma parte de un par acción-reacción con una fuerza centrípeta .
De acuerdo con la primera ley del movimiento de Newton , un objeto se mueve en línea recta en ausencia de una fuerza neta que actúe sobre él. Se produce una trayectoria curva cuando actúa sobre él una fuerza ortogonal al movimiento del objeto; Esta fuerza suele denominarse fuerza centrípeta , ya que se dirige hacia el centro de curvatura de la trayectoria. Entonces, de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton , también habrá una fuerza igual y opuesta ejercida por el objeto sobre algún otro objeto, [1] [2] y esta fuerza de reacción a veces se llama fuerza centrífuga reactiva , ya que está dirigida en dirección opuesta a la fuerza centrípeta.
En el caso de una pelota sostenida en movimiento circular por una cuerda, la fuerza centrípeta es la fuerza que ejerce la cuerda sobre la pelota. La fuerza centrífuga reactiva por otro lado es la fuerza que ejerce la bola sobre la cuerda, poniéndola bajo tensión .
A diferencia de la fuerza de inercia conocida como fuerza centrífuga , que existe únicamente en el sistema de referencia giratorio , la fuerza reactiva es una fuerza newtoniana real que se observa en cualquier sistema de referencia. Las dos fuerzas sólo tendrán la misma magnitud en los casos especiales donde surge un movimiento circular y donde el eje de rotación es el origen del sistema de referencia giratorio. [3] [4] [5] [6]
La figura de la derecha muestra una bola en movimiento circular uniforme sujeta en su trayectoria por una cuerda atada a un poste inamovible. En este sistema, una fuerza centrípeta sobre la bola proporcionada por la cuerda mantiene el movimiento circular, y la reacción a ella, que algunos denominan fuerza centrífuga reactiva , actúa sobre la cuerda y el poste.
La primera ley de Newton requiere que cualquier cuerpo que se mueva a lo largo de cualquier camino que no sea una línea recta esté sujeto a una fuerza neta distinta de cero, y el diagrama de cuerpo libre muestra la fuerza sobre la pelota (panel central) ejercida por la cuerda para mantener la pelota en su movimiento circular.
La tercera ley de acción y reacción de Newton establece que si la cuerda ejerce una fuerza centrípeta hacia adentro sobre la pelota, la pelota ejercerá una reacción igual pero hacia afuera sobre la cuerda, que se muestra en el diagrama de cuerpo libre de la cuerda (panel inferior) como reacción. fuerza centrífuga .
La cuerda transmite la fuerza centrífuga reactiva de la bola al poste fijo, tirando del poste. De nuevo, según la tercera ley de Newton, el poste ejerce una reacción sobre la cuerda, denominada postrreacción , tirando de la cuerda. Las dos fuerzas sobre la cuerda son iguales y opuestas, y no ejercen ninguna fuerza neta sobre la cuerda (suponiendo que la cuerda no tiene masa), pero la colocan bajo tensión.
La razón por la que el poste parece "inamovible" es porque está fijado a la tierra. Si la bola giratoria estuviera atada al mástil de un barco, por ejemplo, tanto el mástil como la bola experimentarían rotación alrededor de un punto central.
Aunque la centrífuga reactiva rara vez se utiliza en análisis en la literatura de física, el concepto se aplica dentro de algunos conceptos de ingeniería mecánica. Un ejemplo de este tipo de concepto de ingeniería es el análisis de las tensiones dentro de un álabe de turbina que gira rápidamente. [1] La hoja se puede tratar como una pila de capas que van desde el eje hasta el borde de la hoja. Cada capa ejerce una fuerza hacia afuera (centrífuga) sobre la capa inmediatamente adyacente, radialmente hacia adentro, y una fuerza hacia adentro (centrípeta) sobre la capa inmediatamente adyacente, radialmente hacia afuera. Al mismo tiempo, la capa interna ejerce una fuerza centrípeta elástica sobre la capa intermedia, mientras que la capa externa ejerce una fuerza centrífuga elástica, lo que resulta en una tensión interna. Son las tensiones en la pala y sus causas las que interesan principalmente a los ingenieros mecánicos en esta situación.
Otro ejemplo de un dispositivo giratorio en el que se puede identificar una fuerza centrífuga reactiva utilizada para describir el comportamiento del sistema es el embrague centrífugo . 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. Se utiliza un resorte para limitar el giro de las zapatas del embrague. A bajas velocidades, el resorte proporciona fuerza centrípeta a las zapatas, que se mueven a un radio mayor a medida que aumenta la velocidad y el resorte se estira bajo tensión. A velocidades más altas, cuando las zapatas no pueden moverse más para aumentar la tensión del resorte, debido al tambor exterior, el tambor proporciona parte de la fuerza centrípeta que mantiene las zapatas moviéndose en una trayectoria circular. La fuerza de tensión aplicada al resorte y la fuerza hacia afuera aplicada al tambor por las zapatas giratorias son las fuerzas centrífugas reactivas correspondientes. La fuerza mutua entre el tambor y las zapatas proporciona la fricción necesaria para acoplar el eje impulsor de salida que está conectado al tambor. [7] Así, el embrague centrífugo ilustra tanto la fuerza centrífuga ficticia como la fuerza centrífuga reactiva.
La "fuerza centrífuga reactiva" que se analiza en este artículo no es lo mismo que la pseudofuerza centrífuga , que suele ser lo que se entiende por el término "fuerza centrífuga".
La fuerza centrífuga reactiva, que es la mitad del par de reacciones junto con la fuerza centrípeta, es un concepto que se aplica en cualquier marco de referencia. Esto la distingue de la fuerza centrífuga inercial o ficticia, que sólo aparece en marcos giratorios.
En una rotación de dos cuerpos, como un planeta y una luna que giran alrededor de su centro de masa común o baricentro , las fuerzas sobre ambos cuerpos son centrípetas. En ese caso, la reacción a la fuerza centrípeta del planeta sobre la luna es la fuerza centrípeta de la luna sobre el planeta. [6]