¿Cómo funciona la fuerza centrífuga?

La fuerza real en el trabajo es la fuerza centrípeta , o una fuerza que empuja hacia adentro .

Imagina que tienes un balde en una cuerda y lo balanceas en un círculo:

A medida que balanceas el balde, se desplaza en círculos. La línea roja muestra el camino que toma el balde. Para hacer que se balancee así, debes aplicar una fuerza constante en la cuerda, esta es la flecha verde en la imagen. En cualquier momento dado, el balde quiere viajar en línea recta , la línea azul en el diagrama. Al aplicar la fuerza centrípeta , la fuerza hacia adentro , cambias el movimiento de movimiento recto a movimiento circular (la línea roja).

Debido a que el contenido del balde siempre quiere ir recto, y la fuerza que aplicas siempre hace que cambien de dirección, parece haber una fuerza "hacia afuera" o "centrífuga" que "empuja" el contenido contra el costado del balde. Pero es una ilusión, en realidad es solo el impulso del balde y su contenido.

La fuerza centrífuga es un ejemplo particular de una fuerza ficticia . Se introduce para que la segunda ley de Newton se mantenga en un marco de referencia giratorio.

La segunda ley de Newton dice

Esto significa que cada vez que encontramos un objeto acelerando (acelerando, desacelerando, girando o alguna combinación), podemos mirar a nuestro alrededor y encontrar una razón física por la que esto sucede. Por ejemplo, una piedra que se deja caer acelera hacia la Tierra, y esto se debe a la gravedad de la Tierra; si tiramos la piedra lejos de la Tierra, no caerá. Tu auto dobla una esquina. Esto sucede debido a la fricción con la carretera. Si la carretera estuviera perfectamente resbaladiza, el coche simplemente patinaría.

La segunda ley de Newton se cumple en un marco de referencia inercial . Es simplemente un hecho que dichos marcos de referencia existen, y que todos ellos están relacionados entre sí moviéndose uno al lado del otro a velocidades constantes. (Esto se vuelve más complicado en la relatividad general, pero eso no es una preocupación importante en las situaciones cotidianas).

Sin embargo, suponga que está en un tren que comienza a acelerar hacia adelante (desde el punto de vista de la vía estacionaria), y está mirando por la ventana una pelota que se encuentra en la acera cercana. Desde su marco de referencia en el tren, la pelota está acelerando hacia atrás. Sin embargo, no hay una fuente obvia de fuerza sobre la bola que la haga acelerar hacia atrás. Esto significa que en un marco acelerado, la segunda ley de Newton no funciona.

A veces todavía nos gustaría hacer física en un marco tan acelerado, por lo que simplemente inventamos una nueva fuerza, llamada fuerza ficticia, y decimos que la pelota tiene una fuerza ficticia de la cantidad justa necesaria para darle la aceleración que observamos. Como la aceleración de la pelota es$a_b = -a_t$con$a_t$la aceleración del tren en un marco inercial, necesitamos introducir una fuerza ficticia

De esa manera, las leyes de Newton seguirán funcionando y podremos hacer física con normalidad siempre que la aceleración del tren permanezca igual. Podríamos, por ejemplo, jugar al billar en el tren que acelera, notando que las bolas tienen trayectorias curvas a través de la mesa, y estas trayectorias curvas estarían perfectamente explicadas por una fuerza ficticia$-ma_t$actuando sobre cada bola (con$m$cambiando por bolas con diferentes masas). Tenga en cuenta que la fuerza ficticia apunta en la dirección opuesta a la aceleración del tren. Si el tren acelera hacia adelante, la pelota parece acelerar hacia atrás, por lo que la fuerza ficticia debe apuntar hacia atrás.

Otro tipo de marco de aceleración es un marco de referencia giratorio, por ejemplo, un carrusel. En el carrusel, cada parte acelera hacia el centro (ver la respuesta de Josh ). Por lo tanto, para hacer física en este marco, debemos introducir una fuerza ficticia

como antes.$a_c$es la aceleración del carrusel en cualquier punto. Debido a que esta aceleración apunta hacia el centro del carrusel, la fuerza ficticia apunta en la dirección opuesta, hacia el borde. Esta fuerza ficticia se llama fuerza centrífuga.

La introducción de la fuerza centrífuga nos permite hacer física desde el punto de vista del carrusel giratorio, con la advertencia de que solo podemos manejar la estática de esta manera. Si las cosas realmente se mueven en el carrusel, debemos incluir la fuerza de Coriolis, que empuja las cosas hacia los lados. (Vea la derivación aquí o alguna discusión al respecto en mis respuestas aquí o aquí ).

En cuanto a si la fuerza centrífuga es "real", depende de lo que eso signifique. En un marco inercial, cada fuerza se remonta a alguna interacción física como el intercambio de un fotón. Eso no es cierto para la fuerza centrífuga. Esta es la diferencia esencial a la que se refiere la gente cuando dice que la fuerza centrífuga y otras fuerzas ficticias "no son reales".

Porque las cosas quieren ir en línea recta.

Imagina balancear un objeto alrededor de tu cabeza con una cuerda. En cualquier momento el objeto quiere ir de frente (es decir, por la tangente) pero no puede debido a la cuerda.

Es como si la cuerda estuviera tirando de ella hacia ti; eso está equilibrado por una fuerza que la empuja hacia afuera = fuerza centrífuga.

Para obtener una explicación más técnica, visite physics.stackexchange.com, ¡pero espere una discusión sobre si existe la fuerza centrífuga!

La fuerza centrífuga no es una fuerza real en la mecánica newtoniana. Siempre que se acelera un marco de referencia (excepto los casos en que la aceleración es debida a la gravedad) con respecto a un marco de referencia inercial, un observador situado en ese marco de referencia experimenta una "fuerza" en la dirección opuesta a la aceleración.

Para un observador inercial externo esto no es más que la inercia de los objetos situados en el marco acelerado. Dado que en la mecánica newtoniana estrictamente las descripciones de solo los observadores inerciales son legales, la "fuerza" experimentada por los objetos en los marcos acelerados no es una fuerza real. Se llama una pseudo fuerza.

Un marco de referencia giratorio también es un marco acelerado donde la aceleración se dirige hacia el centro. Se llama fuerza centrípeta. Como siempre, como se describió anteriormente, los objetos situados en ese marco giratorio experimentarán una "fuerza" opuesta a la aceleración centrípeta, es decir, lejos del centro. Esto se llama la "fuerza" centrífuga.

Obviamente, no es una fuerza real desde el punto de vista de un observador inercial externo, que es el observador legal en la mecánica newtoniana. Para este observador es simplemente la inercia de los objetos.

Por lo tanto, llamamos a esta fuerza centrífuga como una pseudo fuerza y ​​no como una fuerza real.

Sin embargo, según las consideraciones de la relatividad general, todos los observadores son equivalentes sin importar cómo se muevan y todas las aceleraciones son equivalentes al campo gravitatorio en una escala lo suficientemente corta. Por lo tanto, para un marco giratorio infinitesimalmente pequeño, ¡la "fuerza" centrífuga puede considerarse como una fuerza gravitatoria! Esto se sigue directamente del principio de equivalencia.