¿Por qué una centrífuga de laboratorio hace que las partículas más pesadas vayan al fondo del tubo?

Por lo que he leído en línea, puedo entender que hay una "fuerza centrífuga" que aleja los objetos más pesados ​​​​del centro, pero no puedo entender por qué.

Le pregunté a mi maestra y me dijo que tengo que pensar en qué cambia entre una partícula con mayor masa vs. menor masa. Había pensado en esto y decidí que debe ser el radio, ya que las partículas con menor masa son atraídas hacia el centro y, por lo tanto, deben tener un radio de rotación más pequeño que las partículas de mayor masa. Luego traté de conectar números en ecuaciones para ver si estaba en lo correcto. Usé la ecuación de fuerza neta que me enseñaron en clase.

∑ F = 4 π 2 r F 2 metro
para lo cual reorganicé r
r = ∑ F 4 π 2 F 2 metro .
resolví por r con una masa (digamos 10 kg) y luego una masa mayor (digamos 15 kg), manteniendo todas las demás variables constantes. Para mi sorpresa, el radio de la masa más grande era más pequeño que el de la masa más pequeña. Esto significaría que las partículas más pequeñas van al fondo del tubo, no las más pesadas. Supongo que hice algo mal ya que esto no es lo que sucede en la vida real. Creo que podría tener algo que ver con las variables que mantuve constantes, en realidad cambiando cuando lo hace la masa. En cualquier caso, después de pensarlo mucho, no pude encontrar una explicación razonable de cómo funciona el aparato. ¿Qué hice mal? ¿Cuál es el razonamiento y la explicación correctos?

Está resolviendo la pregunta: "¿En qué radio r obtendría la misma fuerza centrífuga (constante) para diferentes masas".
Esta pregunta no debe ser rechazada. Es una pregunta legítima, el hecho de que esta persona no sea estudiante de física no significa que no pueda participar aquí.

Respuestas (3)

No es la masa sino la densidad el parámetro importante.

Lo que tienes es un valor "local" de gramo , la "intensidad del campo gravitacional" que es R ω 2 dónde R es el radio de la órbita y ω es la velocidad angular: esto proporciona su fuerza centrífuga, que es el peso de una masa en este campo gravitacional local.

Todo lo que necesita hacer es usar el principio de Arquímedes para encontrar el empuje hacia arriba en una partícula que es igual al peso del fluido desplazado.

El material más denso se "hundirá", es decir, se moverá hacia el exterior de la rotación.

Supongo que tiene razón (ya que no entiendo esto), sin embargo, ¿cómo explicaría esto sin el principio de Arquímedes o la velocidad angular ya que aún no lo hemos aprendido? ¿Por qué se hunden las partículas más densas? Entiendo que lo que ha dicho es la prueba, pero no conozco la teoría detrás de esto. ¿Existe quizás una explicación más sencilla?
¿Nunca has pensado en una piedra que cae en el aire mientras una burbuja de aire sube en el agua? hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pbuoy.html @nakamin Puede decir que para un volumen dado, el objeto más denso tiene una masa mayor. Un objeto con una masa mayor necesitará una fuerza mayor sobre él para producir un objeto dado. aceleración - tiene más "resistencia" (inercia) a un cambio en su velocidad. continuación
@ nakamin continúa Entonces, el objeto más masivo (más denso para un volumen dado) es más difícil de desviar de una ruta en línea recta, por lo que se mueve a un lugar donde la ruta curva que se ve obligado a tomar tiene un radio mayor, lo más lejos del centro de rotación como sea posible.
Entiendo la primera parte, pero no entiendo por qué el objeto requiere un camino con el radio más grande. ¿Es porque el camino con un radio más grande tiene secciones infinitamente más pequeñas que son rectas?
La trayectoria de mayor radio es menos curva.
@nakamin Si estás parado en un autobús girando a la izquierda, sientes como si una fuerza te empujara hacia la derecha. Lo que en realidad está pasando es que estás intentando seguir en línea recta y el autobús está girando a la izquierda. Hay aire a tu alrededor, pero debido a que es menos denso, eres tú quien se mueve hacia el exterior (lado derecho) del autobús, desplazando el aire a medida que lo haces. Esto no es realmente muy diferente a estar en una centrífuga.

En una centrífuga, un vial o tubo gira muy rápidamente. Piensa en cuando haces girar un balde lleno de agua o una bolsa de supermercado llena en el aire, el contenido de la bolsa o el balde no se cae. Veamos una instantánea en este escenario:

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En este momento, el agua en el balde tiene velocidad moviéndose tangente al círculo y tiene una inercia que la aleja del centro del círculo. Si alguna vez ha estado en uno de esos juegos de feria en los que está atado a la pared de un gran tambor y empujado contra la pared mientras el tambor gira, sabe el tipo de fuerza que está experimentando el agua.

Entonces, confirmamos que hay una fuerza hacia abajo constante y grande sobre el agua en el balde. Todo en el balde está siendo empujado hacia abajo. Es como si el cubo tuviera su propia gravedad, tirando todo lo que hay dentro hacia el fondo.

Ahora, piensa en un estanque o un charco, en la gravedad de la tierra. Digamos que levantas un poco de lodo en el fondo. Por un momento, el agua se volverá turbia y el lodo tardará un tiempo en volver a asentarse en el fondo. Ahora, si multiplicas el campo gravitacional terrestre por 1000, el lodo se asentaría más rápido, ¿no es así?

Ahora, cuanto más rápido hagamos girar el balde, más fuerza experimentarán las cosas dentro del balde, mayor será la 'gravedad' en el balde. Si lo hacemos girar muy, muy rápido, el 'barro' se asentará en el fondo muy rápido. Esto es esencialmente cómo funciona.

Disparates. Nada “empuja” hacia abajo. De hecho, todo es 'empujado' hacia el centro, de ahí la fuerza del pétalo CENTRI. Las partículas quieren viajar en una línea tangencial estrecha como se indica en el croquis, pero el fondo del cubo se lo impide empujándolas (forzándolas) en una trayectoria circular. Exactamente lo mismo que cuando estás sentado en un coche dando la vuelta a una esquina. Se siente como si una fuerza lo "empujara" contra la puerta (que se llamaba fuerza centrífuga, un término que ya no se usa en física), mientras que la puerta del automóvil lo obliga a doblar la esquina. Por lo tanto, sólo se ejerce contra ti una fuerza interna. También tenga en cuenta que la gravedad SIEMPRE es una fuerza hacia abajo que actúa hacia el centro de la Tierra y nunca una fuerza horizontal.

¿Por qué una centrífuga de laboratorio hace que las partículas más pesadas vayan al fondo del tubo?
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