Forța centrifugă este omniprezentă în viața noastră de zi cu zi, dar este ceea ce credem că este?
O experimentăm când rotunjim un colț într-o mașină sau când un avion se întoarce într-un viraj. O vedem în ciclul de centrifugare al unei mașini de spălat sau când copiii călăresc pe un pas fericit. Într-o zi poate oferi chiar o gravitate artificială navelor spațiale și stațiilor spațiale.
Dar forța centrifugă este adesea confundată cu contrapartida sa, forța centripetă, deoarece acestea sunt atât de strâns legate - în esență, două părți ale aceleiași monede.
Forța centripetă este definită ca „forța care este necesară pentru a menține un obiect în mișcare pe o cale curbată și care este îndreptată spre interior spre centrul de rotație”, în timp ce forța centrifugă este definită drept „forța aparentă care este resimțită de un obiect în mișcare într-o cale curbă care acționează în afară de centrul de rotație ", potrivit dicționarului Merriam Webster.
Rețineți că, deși forța centripetă este o forță reală, forța centrifugă este definită ca o forță aparentă. Cu alte cuvinte, atunci când rotiți o masă pe o sfoară, șirul exercită o forță centripetă interioară asupra masei, în timp ce masa pare să exercite o forță centrifugă exterioară asupra șirului.
„Diferența dintre forța centripetă și cea centrifugă are legătură cu„ cadre de referință ”diferite, adică diferite puncte de vedere din care măsori ceva”, a spus Andrew A. Ganse, fizician de cercetare la Universitatea din Washington. "Forța centripetă și forța centrifugală sunt într-adevăr aceeași forță, exact în direcții opuse, deoarece sunt experimentate din diferite cadre de referință."
Dacă observați un sistem rotativ din exterior, vedeți o forță centripetă interioară care acționează pentru a constrânge corpul rotativ la o cale circulară. Cu toate acestea, dacă faci parte din sistemul rotativ, simți o forță centrifugă aparentă care te îndepărtează de centrul cercului, chiar dacă ceea ce simți de fapt este forța centripetă interioară care te împiedică să pleci literalmente pe o tangentă .
Forțele se supun Legilor mișcării lui Newton
Această forță aparentă de exterior este descrisă de Legile mișcării lui Newton. Prima lege a lui Newton afirmă că „un corp în repaus va rămâne în repaus și un corp în mișcare va rămâne în mișcare, dacă nu este acționat de o forță externă”.
Dacă un corp masiv se deplasează prin spațiu într-o linie dreaptă, inerția acestuia îl va determina să continue în linie dreaptă, decât dacă o forță exterioară îl determină să accelereze, să încetinească sau să schimbe direcția. Pentru ca acesta să urmeze o cale circulară fără a schimba viteza, trebuie aplicată o forță centripetă continuă în unghi drept față de calea sa. Raza (r) a acestui cerc este egală cu masa (m) de ori pătratul vitezei (v) împărțit la forța centripetă (F) sau r = mv ^ 2 / F. Forța poate fi calculată prin simpla rearanjare a ecuației, F = mv ^ 2 / r.
A treia lege a lui Newton afirmă că „pentru fiecare acțiune, există o reacție egală și opusă”. La fel cum gravitația vă determină să exercitați o forță pe pământ, pământul pare să exercite o forță egală și opusă pe picioare. Atunci când vă aflați într-o mașină care accelerează, scaunul exercită o forță înainte asupra dvs. la fel cum vi se pare că exercită o forță înapoi pe scaun.
În cazul unui sistem rotativ, forța centripetă trage masa spre interior pentru a urma o cale curbată, în timp ce masa pare să se împingă spre exterior datorită inerției sale. Cu toate acestea, în fiecare dintre aceste cazuri, există o singură forță reală aplicată, în timp ce celălalt este doar o forță aparentă.
Exemple de forță centripetă în acțiune
Există multe aplicații care exploatează forța centripetă. Unul este acela de a simula accelerarea unei lansări în spațiu pentru antrenamentul astronauților. Când o rachetă este lansată prima dată, este atât de încărcată cu combustibil și oxidant, încât abia se poate mișca. Cu toate acestea, pe măsură ce urcă, arde combustibil într-un ritm extraordinar, pierzând continuu masa. A doua lege a lui Newton afirmă că forța este egală cu accelerația în timp a masei, sau F = ma.
În majoritatea situațiilor, masa rămâne constantă. Cu o rachetă, totuși, masa sa se schimbă drastic, în timp ce forța, în acest caz, tracțiunea motoarelor rachetelor, rămâne aproape constantă. Acest lucru face ca accelerația spre sfârșitul fazei de impuls să crească de mai multe ori decât cea a gravitației normale. NASA utilizează centrifuge mari pentru a pregăti astronauții pentru această accelerație extremă. În această aplicație, forța centripetă este asigurată de spătarul scaunului împingând spre interior pe astronaut.
Un alt exemplu de aplicare a forței centripetale este centrifuga de laborator, care este utilizată pentru a accelera precipitația particulelor suspendate în lichid. O utilizare obișnuită a acestei tehnologii este pregătirea probelor de sânge pentru analiză. Potrivit site-ului web Experimental Biosciences de la Universitatea Rice, „Structura unică a sângelui face foarte ușoară separarea globulelor roșii de plasmă și celelalte elemente formate prin centrifugare diferențială”.
Sub forța normală a gravitației, mișcarea termică determină amestecarea continuă, care împiedică celulele sanguine să se stabilească dintr-o probă de sânge întreg. Cu toate acestea, o centrifugă tipică poate realiza accelerații care sunt de 600 până la 2.000 de ori mai mari decât cele ale gravitației normale. Acest lucru obligă globulele roșii grele să se așeze în partea de jos și stratifică diversele componente ale soluției în straturi în funcție de densitatea lor.
Acest articol a fost actualizat pe 10 mai 2019 de către Colaboratorul de Știință Live, Jennifer Leman.
