¿Cómo explicamos el desafío de la gravedad por parte de objetos en la pared de un tambor giratorio?

Creo que estás preguntando por la fuerza vertical, no por la fuerza normal que es horizontal.

Si la pared es vertical, la fricción estática es la única fuerza que se opone a la gravedad. Los jinetes se presionan contra la pared debido a la fuerza centrífuga. La fuerza de reacción normal es igual a la fuerza centrífuga. La fuerza tangencial máxima$F$que la fricción estática puede proporcionar aumenta con la reacción normal$N$:$F \le \mu N$dónde$\mu$es el coeficiente de fricción estática. Cuando la fuerza centrífuga es alta, la fricción estática es lo suficientemente grande como para igualar el peso del ciclista, evitando que se deslice hacia abajo.

Los jinetes comienzan con los pies en el suelo. A medida que aumenta la velocidad del tambor, aumenta la fricción estática proporcionada por la pared. Pueden trepar por la pared y acostarse sobre ella. Cuando el tambor deja de girar, no hay fuerza centrífuga ni fuerza normal. La fuerza de fricción estática cae a cero y los ciclistas se deslizan por la pared.

Si las paredes no son ásperas entonces$\mu$es pequeño. Entonces, la fricción estática no es lo suficientemente grande para soportar el peso de los ciclistas, por lo que no pueden trepar por la pared y deslizarse hacia abajo si lo intentan.

Este truco también se puede realizar si las paredes se inclinan hacia afuera, en un ángulo pequeño.$\theta$a la vertical, aunque sean lisos. Esto también sucede con las carreteras peraltadas. Consulte ¿ Cómo es posible el movimiento circular en una carretera peraltada cuando no hay fricción? En este caso no hay fuerza de fricción estática, solo la fuerza normal. Hay una componente de la fuerza normal en la dirección vertical ($N\sin\theta$), que se opone a la gravedad. Mientras tanto, la componente de la fuerza normal en la dirección horizontal ($N\cos\theta$) proporciona la fuerza centrípeta necesaria para mantener a los ciclistas moviéndose en círculo.

Entiendo que la aceleración centrípeta (que proporciona fuerza normal y, por lo tanto, fricción) debe ser proporcionada por una fuerza neta en dirección centrípeta. Sin embargo, en este problema, lo que está proporcionando esta fuerza.

¿Es una fuerza causada por una aceleración? Más bien piense lo contrario: vemos que la aceleración ocurre a nuestro alrededor en este mundo, por lo que planteamos la pregunta de qué causa tal aceleración. Esta "causa" se llama entonces fuerza (y sigue la segunda ley de Newton). Entonces, la aceleración es causada por una fuerza. La aceleración centrípeta aquí es causada por la fuerza normal . No de la otra manera.

Ahora, ¿cómo puede ser esto...

Imagina conducir rápido y de repente girar tu auto. Tu cuerpo "quiere" seguir adelante (debido a su inercia), pero el auto ahora se está moviendo hacia los lados. Así te empuja con él.

En otras palabras, el auto se mueve hacia ti . Aquí es donde aparece la fuerza normal. Esta fuerza normal hace que te muevas junto con el coche, es decir, te da una aceleración lateral. (Si el automóvil no pudiera ejercer una fuerza normal lo suficientemente grande como para causar la aceleración necesaria, entonces estaría rompiendo el costado del automóvil).

En el tambor giratorio de su imagen, la pared gira constantemente y empuja a las personas y los objetos con ella. Ellos "quieren" continuar recto con su velocidad adquirida, pero eso les requeriría "romper" la pared del tambor. Esta pared ejerce una fuerza normal para evitar esto, y esta fuerza normal hace que se aceleren. El hecho de que esto suceda constante y continuamente alrededor de una vuelta da el movimiento circular y nos hace denotar esta aceleración como centrípeta .