¿Por qué se alarga un objeto no rígido giratorio?

Un objeto no rígido (como una viga, varilla, cuchilla, etc.) experimenta elongación debido a la fuerza centrífuga (ficticia) cuando gira (a diferencia de los cuerpos rígidos y los puntos de masa simple). Este alargamiento se puede ver fácilmente en el marco de referencia inercial y en el marco de referencia giratorio. Hay fuentes que afirman que la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga, que actúan sobre un elemento de masa de longitud dx en cualquier posición a lo largo del eje longitudinal del objeto, tienen la misma magnitud y dirección opuesta. En equilibrio de fuerzas, ¿cómo es posible que la longitud de un objeto no rígido aumente como resultado de la rotación? Según tengo entendido, se requiere una fuerza resultante para que pueda ocurrir cualquier deformación del objeto no rígido.

Por favor, corríjame si alguna de mis afirmaciones anteriores es incorrecta. Agradecería y agradecería que alguien me explicara el asunto usando fórmulas, por favor.

Respuestas (2)

El núcleo de la pregunta parece ser un concepto erróneo aquí:

Hay fuentes que afirman que la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga, que actúan sobre un elemento de masa de longitud dx en cualquier posición a lo largo del eje longitudinal del objeto, tienen la misma magnitud y dirección opuesta. En equilibrio de fuerzas, ¿cómo es posible que la longitud de un objeto no rígido aumente como resultado de la rotación? A mi entender, se requiere una fuerza resultante para que cualquier deformati

Es decir, si las fuerzas centrífuga y centrípeta son iguales y opuestas, entonces suman cero.

Pero esas dos fuerzas no se pueden sumar, porque existen en marcos diferentes. Uno está en el marco inercial y el otro en el marco giratorio. De hecho, son la misma fuerza en esos dos marcos separados.

En cualquier marco particular, solo actúa una fuerza, y eso determina el movimiento.

¡Gracias! Desafortunadamente, esta información a menudo no se comunica adecuadamente en la literatura. ¿Puede recomendar un libro sobre esto, por favor?

Para entender lo que está pasando, olvídate de trucos matemáticos como la "fuerza centrífuga" y vuelve a las leyes del movimiento de Newton.

Comience considerando una masa en el extremo de una cuerda (flexible) de longitud r girando con velocidad angular ω . La masa está acelerando hacia el centro de rotación. Por lo tanto, debe haber una fuerza real actuando sobre él, igual a la masa × aceleración, es decir metro ω 2 r . Esa fuerza es aplicada por la tensión en la cuerda.

Si una cuerda flexible está en tensión, se estira.

Ahora piense en una varilla flexible giratoria (sin masa adicional en la punta)

Si imaginas cortar la varilla en cualquier punto, la parte exterior está acelerando hacia el centro de rotación al igual que la masa en el primer ejemplo, y la fuerza para hacerla acelerar proviene de la tensión en la varilla en el punto donde la cortaste. . De nuevo, la tensión en una varilla flexible hace que se estire.

La única diferencia entre los dos ejemplos es que la tensión en la barra varía a lo largo de su longitud, desde cero en la punta hasta un máximo en el centro de rotación y, por lo tanto, calcular la cantidad de extensión es un poco más complicado (y requiere cálculo).

Por tensión te refieres a la tensión de tracción (N/m^2), ¿verdad? La fuerza debe ser máxima en la punta, ya que la aceleración es la mayor según su fórmula (suponiendo que la masa se distribuye por igual). Cuando la tensión de tracción es mayor en el centro de rotación, entonces el elemento dx más cercano al centro de rotación debería experimentar el mayor alargamiento, ¿no?
No hay masa fuera de la punta, por lo que aunque la punta esté acelerando, no hay masa acelerada, por lo que la tensión en la punta es cero. Pero, tiene razón sobre la tensión de tracción y las deformaciones cerca del centro de rotación.
¿Cómo puede acelerar algo que no tiene masa? Dijiste que la punta está acelerando... Habría pensado que la tensión (fuerza interna en el material) es máxima donde la fuerza centrífuga en el marco de referencia giratorio es máxima. Entonces, ¿la tensión (fuerza interna), la deformación y el esfuerzo de tracción alcanzan su máximo en el centro de rotación mientras que la fuerza centrífuga tiene su punto máximo en la punta? Pensé que la tensión es proporcional a la fuerza externa (fuerza centrífuga)...
Re. el ejemplo de la cuerda, por la tercera ley de Newton, la masa ejerce una fuerza igual y opuesta sobre la cuerda. Como la cuerda es flexible, se estira. Ahora bien, la fuerza centrípeta varía como el inverso del radio, de modo que a medida que la masa se mueve hacia afuera debido al estiramiento, la fuerza que ejerce sobre la cuerda disminuye hasta llegar a un punto en el que ya no es capaz de estirarla.
"disminuye hasta un punto"... Creo que tenemos que tener cuidado aquí. La fuerza centrípeta es metro ω 2 r por lo que aumenta con la distancia al centro de rotación.
Bien. Supongo que depende de los detalles: si v es constante, la fuerza centrípeta disminuye con r; si 𝜔 es constante, aumenta con r.