FORZA CENTRIFUGA: FORMULE, COME SI CALCOLA, ESEMPI, ESERCIZI - FISICO - 2026

La forza centrifuga tende a spingere fuori i corpi rotanti prendendo una curva. È considerata una forza fittizia, pseudoforza o forza inerziale, perché non è causata da interazioni tra oggetti reali, ma è una manifestazione dell'inerzia dei corpi. L'inerzia è la proprietà che fa desiderare agli oggetti di mantenere il loro stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, se ne hanno uno.

Il termine "forza centrifuga" è stato coniato dallo scienziato Christian Huygens (1629-1695). Affermò che il movimento curvilineo dei pianeti tenderebbe ad allontanarli a meno che il Sole non eserciti una certa forza per trattenerli, e calcolò che questa forza era proporzionale al quadrato della velocità e inversamente proporzionale al raggio della circonferenza descritta.

Figura 1. In curva, i passeggeri subiscono una forza che tende a tirarli fuori. Fonte: Libreshot.

Per chi viaggia in macchina, la forza centrifuga non è affatto una fantasia. I passeggeri in un'auto che gira a destra si sentono spinti a sinistra e viceversa, quando l'auto gira a sinistra, le persone sperimentano una forza a destra, che sembra voler allontanarli dal centro della curva.

L'entità della forza centrifuga F _g è calcolata dalla seguente espressione:

- F _g è l'entità della forza centrifuga

- m è la massa dell'oggetto

- v è la velocità

- R è il raggio del percorso curvo.

La forza è un vettore, quindi viene utilizzato il grassetto per distinguerlo dalla sua grandezza, che è uno scalare.

Tenere sempre presente che F _g compare solo quando il movimento è descritto utilizzando un sistema di riferimento accelerato.

Nell'esempio descritto all'inizio, l'auto che gira costituisce un riferimento accelerato, poiché richiede un'accelerazione centripeta per poter girare.

Come viene calcolata la forza centrifuga?

La scelta del sistema di riferimento è fondamentale per l'apprezzamento del movimento. Un sistema di riferimento accelerato è anche noto come sistema non inerziale.

In questo tipo di sistema, come un'auto che gira, compaiono forze fittizie come la forza centrifuga, la cui origine non è una reale interazione tra oggetti. Un passeggero non può dire cosa lo spinge fuori dalla curva, può solo affermare che è così.

D'altra parte, in un sistema di riferimento inerziale, le interazioni avvengono tra oggetti reali, come il corpo in movimento e la Terra, che dà origine al peso, o tra il corpo e la superficie su cui si muove, che hanno origine attrito e normale.

Un osservatore in piedi sul ciglio della strada e guardare l'auto che svolta la curva è un buon esempio di un sistema di riferimento inerziale. Per questo osservatore, l'auto gira perché su di essa agisce una forza diretta verso il centro della curva, che la costringe a non uscirne. Questa è la forza centripeta prodotta dall'attrito tra i pneumatici e la pavimentazione.

In un sistema di riferimento inerziale, la forza centrifuga non appare. Pertanto il primo passo per calcolarlo è scegliere con attenzione il sistema di riferimento che verrà utilizzato per descrivere il movimento.

Infine, va notato che i sistemi di riferimento inerziale non devono necessariamente essere a riposo, come l'osservatore che guarda il veicolo che svolta in curva. Anche un sistema di riferimento inerziale, noto come sistema di riferimento di laboratorio, può essere in movimento. Ovviamente con velocità costante rispetto a quella inerziale.

Diagramma a corpo libero in un sistema inerziale e non inerziale

Nella figura successiva a sinistra, un osservatore O è in piedi e guarda O ', che si trova sulla piattaforma che ruota nella direzione indicata. Per O, che è un telaio inerziale, certamente O 'viene mantenuto in rotazione a causa della forza centripeta F _c prodotta dalla parete della griglia sul retro di O'.

Figura 2. Una persona in piedi su un giradischi è vista da due diversi sistemi di riferimento: uno fisso e l'altro che accompagna la persona. Fonte: Física de Santillana.

Solo in sistemi di riferimento inerziali è valido applicare la seconda legge di Newton, che afferma che la forza netta è uguale al prodotto della massa e dell'accelerazione. E così facendo, con il diagramma del corpo libero mostrato, otteniamo:

Allo stesso modo, nella figura a destra è presente anche un diagramma a corpo libero che descrive ciò che vede l'osservatore O '. Dal suo punto di vista, è a riposo, quindi le forze su di lui sono equilibrate.

Queste forze sono: la normale F , che la parete esercita su di essa, in rosso e diretta verso il centro e la forza centrifuga F _g che la spinge verso l'esterno e che non è originata da alcuna interazione, è una forza non inerziale che appare nei sistemi di riferimento rotanti.

La forza centrifuga essendo fittizia, è bilanciata da una forza reale, il contatto o forza normale che punta verso il centro. Così:

Esempi

Sebbene la forza centrifuga sia considerata una pseudo forza, i suoi effetti sono abbastanza reali, come si può vedere nei seguenti esempi:

- In qualsiasi gioco di rotazione in un parco di divertimenti, è presente la forza centrifuga. Si assicura che "scappiamo dal centro" e offre una resistenza costante se provi a camminare nel centro di una giostra in movimento. Nel seguente pendolo puoi vedere la forza centrifuga:

- L'effetto Coriolis deriva dalla rotazione della Terra, che fa smettere di essere una struttura inerziale della Terra. Quindi appare la forza di Coriolis, che è una pseudo-forza che devia gli oggetti lateralmente, come accade con le persone che cercano di camminare su un giradischi.

esercizi

Esercizio 1

Un'auto che svolta con l'accelerazione A verso destra ha un peluche appeso allo specchietto retrovisore interno. Disegna e confronta i diagrammi a corpo libero del giocattolo visti da:

a) Il sistema di riferimento inerziale di un osservatore in piedi sulla strada.

b) Un passeggero che viaggia in macchina.

Soluzione a

Un osservatore in piedi sulla strada nota che il giocattolo si sta muovendo rapidamente, con accelerazione A a destra.

Figura 3. Diagramma a corpo libero per l'esercizio 1a. Fonte: F. Zapata.

Ci sono due forze che agiscono sul giocattolo: da un lato la tensione nella corda T e il peso verticale verso il basso W. Il peso è bilanciato con la componente verticale della tensione Tcosθ, quindi:

La componente orizzontale della tensione: T. sinθ è la forza sbilanciata responsabile dell'accelerazione verso destra, quindi la forza centripeta è:

Soluzione b

Per un passeggero in macchina, il giocattolo è in equilibrio e il diagramma è il seguente:

Figura 4. Diagramma a corpo libero per l'esercizio 1b. Fonte: F. Zapata.

Come nel caso precedente, il peso e la componente verticale della tensione vengono compensati. Ma la componente orizzontale è bilanciata dalla forza fittizia F _g = mA, tale che:

Esercizio 2

Una moneta si trova sul bordo di un vecchio giradischi in vinile, il cui raggio è di 15 cm e ruota a 33 giri / minuto. Trova il coefficiente minimo di attrito statico necessario affinché la moneta rimanga in posizione, utilizzando il quadro di riferimento della solidarietà con la moneta.

Soluzione

Nella figura è rappresentato il diagramma a corpo libero di un osservatore che si muove con la moneta. La normale N che il giradischi esercita verticalmente verso l'alto è bilanciata dal peso W , mentre la forza centrifuga F _g è compensata dall'attrito statico F _attrito .

Figura 5. Diagramma a corpo libero per l'esercizio 2. Fonte: F. Zapata.

L'entità della forza centrifuga è mv ² / R, come detto all'inizio, quindi:

D'altra parte, la forza di attrito statico è data da:

Dove μ _s è il coefficiente di attrito statico, una quantità adimensionale il cui valore dipende da come le superfici sono a contatto. La sostituzione di questa equazione è:

Resta da determinare l'entità della normale, che è correlata al peso secondo N = mg. Sostituendo di nuovo:

Tornando alla dichiarazione, riporta che la moneta ruota ad una velocità di 33 giri / minuto, che è la velocità angolare o frequenza angolare ω, correlata alla velocità lineare v:

I risultati di questo esercizio sarebbero stati gli stessi se fosse stato selezionato un sistema di riferimento inerziale. In tal caso, l'unica forza in grado di provocare un'accelerazione verso il centro è l'attrito statico.

applicazioni

Come abbiamo detto, la forza centrifuga è una forza fittizia, che non compare in quadri inerziali, che sono gli unici in cui valgono le leggi di Newton. In essi, la forza centripeta è responsabile di fornire al corpo l'accelerazione necessaria verso il centro.

La forza centripeta non è una forza diversa da quelle già note. Al contrario, sono proprio queste che svolgono il ruolo di forze centripete quando appropriato. Ad esempio, la gravità che fa orbitare la Luna attorno alla Terra, la tensione in una corda con cui viene ruotata una pietra, l'attrito statico e la forza elettrostatica.

Tuttavia, poiché i quadri di riferimento accelerati abbondano nella pratica, le forze fittizie hanno effetti molto reali. Ad esempio, ecco tre importanti applicazioni in cui hanno effetti tangibili:

centrifughe

Le centrifughe sono strumenti ampiamente utilizzati in laboratorio. L'idea è di far ruotare una miscela di sostanze ad alta velocità e quelle sostanze con massa maggiore subiscono una forza centrifuga maggiore, secondo l'equazione descritta all'inizio.

Quindi le particelle più massicce tenderanno ad allontanarsi dall'asse di rotazione, venendo così separate da quelle più leggere, che rimarranno più vicine al centro.

Lavatrici

Le lavatrici automatiche hanno diversi cicli di centrifuga. In essi, i vestiti vengono centrifugati per eliminare l'acqua rimanente. Maggiore è il numero di giri del ciclo, meno umidi saranno gli indumenti a fine lavaggio.

L'inclinazione delle curve

Le auto sono più brave nelle curve sulle strade, perché la pista è leggermente inclinata verso il centro della curva, nota come sopraelevazione. In questo modo, l'auto non dipende esclusivamente dall'attrito statico tra i pneumatici e la strada per completare la curva senza uscire dalla curva.

Riferimenti

1. Acosta, Victor. Realizzazione di una guida didattica sulla forza centrifuga per studenti del ciclo V grado 10. Estratto da: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Leggi del moto: moto circolare. Estratto da: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fisico. Vol. 1. 3a Ed. In spagnolo. Compañía Editorial Continental SA de CV
4. Università Autonoma dello Stato di Hidalgo. Forza centrifuga. Recupero da: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Centrifughe. Estratto da: es.wikipedia.org.