¿Cómo puede la fuerza centrípeta hacer que los objetos se separen?

En el marco de referencia del laboratorio, debe invertir la pregunta: no se pregunte qué separa las partículas , sino qué las mantiene unidas .

Según las leyes de Newton, todo aquello sobre lo que no actúa ninguna fuerza sigue desplazándose en línea recta . Entonces, lo que requiere explicación no es que una colección de partículas en movimiento, como un volante giratorio, se separe, sino lo que las mantiene unidas. La fuerza que los mantiene unidos es una fuerza centrípeta, en este caso ejercida por los enlaces que mantienen unido el material. Cuando alcanza una velocidad en la que esta fuerza ya no es suficiente para mantener las partículas en una trayectoria circular/órbita limitada, se separan.

Trate de imaginar, en lugar de una piedra grande, un plato grande. Encima, llenas el plato con arena. Ahora empiezas a girar el plato.

¿Qué va a pasar con la arena? La arena va a salir muy rápido del plato, y se va a derramar en todas direcciones. Este es el estado básico y natural de las cosas, y es a partir de aquí que debes empezar a cuestionar.

¿Cómo evitamos que la arena se salga del plato? La respuesta es la fuerza centrípeta. Si atas cada grano de arena al centro del plato con hilos, al girar cada hilo tirará de su grano de arena, y evitará que se salga del plato.

Usar una piedra grande es lo mismo; en lugar de usar cuerdas, solo confías en la cohesión intrínseca de la roca consigo misma. Aquí cada "grano de arena", o pieza de la gran roca, se une a las piezas adyacentes. Ellos a su vez transfieren todas las fuerzas a los adyacentes a ellos, y así es como la fuerza centrípeta se propaga desde el exterior hacia el centro de la gran roca.

Una vez que cualquier pieza de la roca no logra sostener esta fuerza, los lazos se rompen. Una vez más, tienes arena y, como dijimos anteriormente, la arena saldrá disparada en todas direcciones.

No tienes que explicar esto por la fuerza centrífuga, o cualquier fuerza ficticia en absoluto. Todo lo que trata la fuerza centrífuga es la inercia .

A medida que su piedra gira, tiene cierta velocidad. Pero como inicialmente hay una fuerza centrípeta, esta velocidad cambia constantemente hacia el centro de rotación. Cuando parte de la piedra se rompe, ya no está sostenida por la fuerza centrípeta, por lo que simplemente vuela debido a la inercia con velocidad constante.

Es solo cuando vas al marco de referencia asociado con la piedra, solo que allí obtienes la fuerza centrífuga, como un dispositivo para hacer que las leyes de Newton no cambien.

Parece que haces dos preguntas diferentes:

1. ¿Por qué se rompe la piedra? Para que las partes más pequeñas de la piedra viajen a lo largo de trayectorias circulares, se debe ejercer una fuerza centrípeta sobre cada una de ellas. Estas fuerzas se ejercen a través de las fuerzas que mantienen unidas las partes. Cuando estas fuerzas se vuelven demasiado grandes para el material en particular, la piedra se rompe en pedazos más pequeños.
2. ¿Qué hace que las partes salgan volando después de que la piedra se ha roto? Dado que ya no hay ninguna fuerza centrípeta que haga que las partes viajen a lo largo de trayectorias circulares, simplemente continúan viajando en línea recta en la dirección en que viajaban antes de que la piedra se rompiera. Esto significa que volarán hacia afuera, aunque no en línea recta radialmente.

El efecto centrífugo no es una fuerza, cierto, pero sí existe.

El efecto ocurre, no porque alguna fuerza jale la pieza hacia afuera en el círculo, sino por la fuerza centrípeta ya existente que jala todo el resto del material hacia adentro del círculo. La pieza quiere continuar su movimiento rectilíneo, como lo hace todo cuando no experimenta fuerzas que la alejan del círculo.

Si se sienta en un automóvil y se siente apretado hacia un lado cuando el automóvil gira, no es usted siendo aplastado contra el costado, sino que el automóvil se está apretando contra usted; girando y tratando de llevarte con él.

Esta tendencia de querer continuar en línea recta mientras se tira en círculo, es lo que podemos llamar el efecto centrífugo (no lo llamo deliberadamente "fuerza" para evitar esta confusión).

Puede ser útil notar que usando coordenadas polares, en el instante en que una parte se separa, la parte solo tiene una velocidad tangencial y una velocidad radial cero. La parte separable no se mueve "hacia afuera", sino "hacia adelante" (en ausencia de gravedad y arrastre, no habría fuerza neta en la parte). Después de un tiempo, esa velocidad de avance hace que la parte se aleje del centro de la piedra giratoria.

Un mejor ejemplo de fuerza centrífuga en un marco no giratorio es la fuerza de reacción en respuesta a una fuerza centrípeta, un par de fuerzas de la tercera ley de Newton, pero cada parte del par ejerce una fuerza sobre el otro objeto. En el caso de una cuerda que ejerce una fuerza centrípeta sobre una piedra, la piedra ejerce una fuerza de reacción centrífuga sobre la cuerda. Wiki tiene un artículo sobre esto:

https://en.wikipedia.org/wiki/Reactive_centrifugal_force

Hay un ejemplo en el que las únicas fuerzas son centrípetas, un sistema de "dos cuerpos" en el que dos objetos se orbitan entre sí alrededor de un centro común. Cada objeto experimenta una fuerza centrípeta hacia el centro común (que también es hacia el "otro" objeto), pero como la fuerza es la gravedad, no hay fuerzas reactivas. En el caso de la gravedad, el par de la tercera ley de Newton es la fuerza gravitacional que experimenta cada objeto.