¿Hay una gran diferencia entre las fuerzas centrífugas y centrípetas?

No me gusta llamar a la fuerza centrífuga una fuerza "imaginaria". Prefiero explicarlo en términos de marcos de referencia:

En un marco de referencia inercial, las leyes de Netwon son suficientes para modelar el movimiento (no relativista).

En un marco de referencia no inercial, se deben agregar al modelo fuerzas adicionales (como centrífugas, Coriolis, etc.).

Lo que diferencia a la centrífuga de la centrípeta es que la fuerza centrípeta se debe a la interacción con otro objeto (gravedad para objetos en órbita, tensión para hacer girar una pelota en una cuerda, fricción para un objeto en un tiovivo giratorio, etc.), mientras que la fuerza centrífuga la fuerza debe agregarse al modelo "de la nada", solo porque está en un marco de referencia giratorio.

Para explicar esto a una clase de octavo grado, daría un ejemplo de dos físicos: 1 parado en el suelo, uno girando en un tiovivo. Ambos realizan mediciones para detectar las fuerzas que actúan sobre el físico giratorio. El físico en el suelo solo detecta la fuerza centrípeta y observa que esto hace que el otro físico viaje en círculo. El físico giratorio detecta una fuerza centrípeta y una fuerza centrífuga igual pero opuesta, lo que hace que permanezca en reposo en su marco.

Definitivamente hay una gran diferencia. La fuerza centrípeta es una fuerza real que hace que los objetos se muevan en una trayectoria circular o trayectoria curva que apunta al centro del círculo o curvatura respectivamente. La fuerza centrífuga no es una fuerza real. Es una fuerza de inercia establecida para que las leyes de Newton sean válidas al observar el movimiento en un marco de referencia acelerado.

La fuerza centrípeta es la fuerza que siente un objeto cuando está en un movimiento circular.

En esta imagen,$a_c$es la fuerza centrípeta,$v$velocidad tangencial, y$\omega$velocidad angular.

Ahora bien, la fuerza centrífuga es la fuerza imaginaria que aparece cuando el marco de referencia está en rotación.

Para un video de 3 minutos creo que evitaría ambos conceptos.

La fuerza centrífuga puede ser un concepto confuso por varias razones (una de las cuales es que la mera mención del término tiende a atraer a los pedantes sabelotodos que han decidido que su tarea en la vida es descarrilar cada discusión con ruidosas explicaciones condescendientes de cómo funciona). no existe en absoluto). Dado que no tiene ninguna razón particular para mirar las cosas desde un marco giratorio aquí, no es mucho más fácil para este problema porque en su marco giratorio debe tener en cuenta que la dirección de la gravedad cambia y el balde no está t incluso siguiendo un movimiento circular uniforme ; y no hay ningún observador en el balde cuyas experiencias necesitemos explicar; no hay motivo para meterse en el atolladero de la fuerza centrífuga.

La fuerza centrípeta también parecería complicar demasiado la situación aquí. Nuevamente, dado que el movimiento circular no es uniforme (es más lento en la parte superior debido a la gravedad), necesitaría entrar en velocidades angulares instantáneas y otras cosas peludas para justificar su uso correctamente. A menos que necesite calcular la fuerza con la que el balde lo jala hacia arriba en la parte superior del columpio, eso tampoco vale la pena.

Eso deja la pregunta de por qué el agua no cae del balde, por supuesto. Esto es lo que diría:

El agua quiere caer, pero no a cualquier precio. En particular, no quiere caer más rápido que con una aceleración de 9,82 m/s². Cuando tiras del balde para mantenerlo en un círculo, estás obligando al agua a moverse hacia abajo más rápido de lo que lo haría si estuviera cayendo sola. Se resiste a ese movimiento (que puedes sentir en tu brazo) y no se mueve hacia abajo más rápido de lo que lo obliga el balde.

Las fuerzas centrípeta y centrífuga solo son iguales para un objeto que se mantiene estable en un sistema giratorio.

Una buena analogía es la diferencia entre 1) la fuerza de la gravedad y 2) la fuerza de apoyo del suelo que te empuja hacia arriba. Las fuerzas centrífugas y la gravedad no son fuerzas del todo adecuadas, ya que en realidad se parecen más a aceleraciones fijas; para representarlos como fuerzas necesitamos multiplicar por la masa del objeto.

La fuerza del suelo que te empuja hacia arriba, que contrarresta la gravedad, es una fuerza muy real que tiene que ver con las moléculas de la superficie de tus pies que se esfuerzan contra las moléculas de la superficie del suelo. Del mismo modo, las fuerzas centrípetas del agua en un balde giratorio son fuerzas de contacto reales que sostienen el agua dentro del balde.

Pero para un objeto que cae, no hay fuerza de apoyo, pero la fuerza gravitacional continúa tirando hacia abajo, según un observador que está parado en el suelo. Del mismo modo, para una gota de agua que cae del balde giratorio, hay una fuerza centrífuga que empuja la gota, según un observador que gira con el balde.

Un ejemplo totalmente ficticio: considere un objeto distante que está en reposo en un marco inercial. En ese cuadro giras a una velocidad angular uniforme. En su marco de reposo no inercial, el objeto gira a la velocidad angular opuesta, por lo que tiene una aceleración centrípeta hacia usted. Entonces, ¿cómo explicamos la fuerza centrípeta ficticia que actúa sobre el objeto? Hay una fuerza centrífuga debido al uso de un marco no inercial, pero esta fuerza actúa en la dirección opuesta, se dirige radialmente hacia afuera. Sin embargo, hay otra fuerza ficticia que actúa sobre el objeto, la fuerza de Coriolis que tiene el doble de la magnitud de la fuerza centrífuga y está dirigida radialmente hacia adentro (en este caso particular). Entonces, en este caso, la fuerza centrípeta ficticia es la suma de la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis.

Es un error decir que son iguales. Sospecho que para un video corto sería mejor elegir uno que sea más relevante para su propósito y no mencionar el otro.

La fuerza centrípeta es cualquier fuerza que tira hacia adentro de un objeto para mantener su movimiento en un círculo; en su caso, la fuerza de su brazo tirando del balde mientras se balancea.

La fuerza centrífuga tiene dos significados posibles. Puede ser

1. la contraparte de Newton III a una fuerza centrípeta, o
2. Una fuerza ficticia que existe en un marco de referencia giratorio, junto con la fuerza de coriolis.

En tu caso 1. es la fuerza del balde tirando de tu brazo. Solo presentaría 2. en un video si filmas o animas una secuencia con la cámara girando para que coincida con el movimiento del balde. En esa secuencia, el balde estaría estacionario y la fuerza centrífuga lo alejaría de ti.

Las fuerzas centrífugas y centrípetas en un balde, o peso, que gira en un círculo horizontal son más fáciles de explicar que un balde que gira en un círculo vertical porque la gravedad no complica las cosas en ese caso. De acuerdo con la segunda ley de Newton, se debe ejercer una fuerza centrípeta para mantener el peso moviéndose en un círculo, es decir, acelerando hacia el centro del círculo. Esto se debe a que, sin esta fuerza, el peso volaría en línea recta, de acuerdo con la primera ley de Newton. Según la tercera ley de Newton, el peso ejerce una fuerza en reacción a la fuerza centrípeta. Esta es la fuerza centrífuga.

Así es como podría explicar la diferencia entre las dos fuerzas a su clase:

Cuando haces girar un cubo de agua, tu brazo, la cuerda y el cubo llevan la fuerza centrípeta. Apunta hacia adentro, hacia su hombro, que es el centro del círculo formado por el cubo giratorio.

La fuerza centrífuga es causada por la inercia del agua en el balde. La inercia es el impulso del agua para continuar en línea recta en ángulo recto con tu brazo y la cuerda, tangencial al círculo formado por el cubo giratorio. La fuerza centrífuga no es realmente una fuerza, es la fuerza aparente que atrae el agua del cubo lejos de tu hombro.

Wikipedia tiene un análisis más detallado de la fuerza centrífuga: http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_force