Formule di forza centrifuga, come calcolati, esempi, esercizi

IL forza centrifuga tende a spingere fuori i corpi che girano prendendo una curva. È considerato uno forza fittizia, pseudofuerza O forza inerziale, Perché non è causato dalle interazioni tra oggetti reali, ma è una manifestazione del inerzia dei corpi. L'inerzia è la proprietà che fa desiderare agli oggetti di mantenere il riposo o il movimento rettilineo uniforme, se lo hanno.

Il termine "forza centrifuga" fu coniato dallo scienziato Christian Huygens (1629-1695). Ha affermato che il movimento curvilineo dei pianeti tendeva a spostarli a meno che il sole non eserciti una certa forza per trattenerli e calcolava che questa forza era proporzionale al quadrato della velocità e inversamente proporzionale al raggio della circonferenza descritta.

Figura 1. Quando danno una curva, i passeggeri sperimentano una forza che tende a tirarli fuori. Fonte: libreshot.

Per coloro che viaggiano in auto, la forza centrifuga non è affatto fittizia. I passeggeri di un'auto che si gira a destra conduti a sinistra e viceversa, quando l'auto si gira a sinistra, le persone sperimentano una forza a destra, che sembra voler allontanare il centro della curva.

L'entità della forza centrifuga F_G È calcolato dalla seguente espressione:

 Dove:

-F_G È l'entità della forza centrifuga

-M È la massa dell'oggetto

-v È velocità

-R È il raggio della traiettoria curva.

La forza è un vettore, quindi la lettera in grassetto viene utilizzata per distinguerla dalla sua grandezza, che è uno scalare.

Devi sempre tenere a mente, quello F_G appare solo quando il movimento viene descritto usando un sistema di riferimento accelerato.

Nell'esempio descritto all'inizio, il tour che ruota costituisce un riferimento accelerato, poiché richiede il accelerazione centripeta, in modo che io possa girare.

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Come viene calcolata la forza centrifuga?

La scelta del sistema di riferimento è vitale per l'apprezzamento del movimento. Un sistema di riferimento accelerato è anche noto come sistema noninerziale.

In questo tipo di sistema, come un'auto che ruota, compaiono forze fittizie come la forza centrifuga, la cui origine non è una vera interazione tra gli oggetti. Un passeggero non poteva dire ciò che lo spinge fuori dalla curva, può solo affermare cosa succede in questo modo.

D'altra parte, in un sistema di riferimento inerziale, le interazioni sono fornite tra oggetti reali, come il corpo in movimento e la terra, che si traduce in peso, o tra il corpo e la superficie su cui si muove, che origina l'attrito e normale.

Un osservatore in piedi sul bordo della strada e che vede l'auto per dare la curva, è un buon esempio di sistema di riferimento inerziale. Per questo osservatore, l'auto ruota perché agisce una forza diretta verso il centro della curva, che lo costringe a non uscirne. Riguarda il forza centripeta prodotta per attrito tra pneumatici e pavimentazione.

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

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Infine, va notato che i sistemi di riferimento inerziale non dovrebbero necessariamente essere a riposo, come l'osservatore che guarda il veicolo per dare la curva. Un sistema di riferimento inerziale, noto come Quadro di riferimento di laboratorio, Può anche essere in movimento. Naturalmente, con velocità costante per quanto riguarda un inerziale.

Diagramma del corpo libero in un sistema inerziale e non inerciale

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 girando a causa della forza centripeta F_C prodotto dal muro della griglia sul retro di O '.

figura 2. Una persona in piedi su una piattaforma rotante è vista da due diversi sistemi di riferimento: uno fisso e uno che accompagna la persona. Fonte: Santillana Physics.

Solo nei sistemi di riferimento inerziali è valido applicare la seconda legge di Newton, che afferma che la forza netta è uguale al prodotto della massa per accelerazione. E nel farlo, con il diagramma del corpo libero mostrato, si ottiene:

F_C = Ma_C

F_C= MV² / R

Allo stesso modo, nella figura giusta c'è anche un diagramma del corpo libero che descrive ciò che l'osservatore vede o ". Dal suo punto di vista, è a riposo, quindi le forze su di lui sono bilanciate.

Queste forze sono: normale F, che il muro esercita su di esso, in rosso e diretto verso il centro e la forza centrifuga F_G che lo spinge fuori e che non ha origine da alcuna interazione, è una forza nonaorale che appare nei sistemi di riferimento in rotazione.

La forza centrifuga essendo fittizia, è bilanciata da una forza reale, dal contatto o dalla forza normale che indica il centro. Perciò:

∑f_X = 0 → F_G - F = 0

F_G = F

Esempi

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

- In qualsiasi gioco rotante di un parco di divertimenti, è presente la forza centrifuga. Si prende cura del fatto che "scappiamo dal centro" e offra una resistenza costante se provi a camminare verso il centro di una giostra in movimento. Nel seguente pendolo puoi vedere la forza centrifuga:

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https: // giphy.com/gifs/jtu3pnmkqomqdujwmo

- L'effetto Coriolis deriva dalla rotazione terrestre, che fa cessare la terra una struttura inerziale. Quindi appare la forza di Coriolis, che una pseudo-forza che devia lateralmente gli oggetti, come con le persone che cercano di camminare su una piattaforma rotante.

https: // giphy.com/gifs/the-x-files-sully-mulder-funlgylkhobs

Esercizi

Esercizio 1

Un'auto che ruota con accelerazione A A destra trasporta un giocattolo ripieno appeso allo specchietto retrovisore interno. Disegna e confronta i diagrammi del corpo senza giocattoli da:

a) Il telaio 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 avverte che il giocattolo si muove rapidamente, con accelerazione A A destra.

Figura 3. Diagramma del 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, Perciò:

W - tcosθ = 0

Il componente orizzontale della tensione: T. Senθ È la forza sbilanciata responsabile dell'accelerazione a destra, quindi la forza centripeta è:

F_C= T.Senθ = Ma_C

Soluzione b

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

Figura 4. Diagramma del corpo libero per l'esercizio 1b. Fonte: f. Zapata.

Come nel caso precedente, il peso e la componente verticale della tensione vengono compensati. Ma il componente orizzontale è bilanciato con la forza fittizia F_G = Ma, affinché:

-ma + tsenθ = 0

F_G = Ma

Esercizio 2

Una valuta è sul bordo di una vecchia attività in vinile, il cui raggio è di 15 cm e sta ruotando ad una velocità di 33 rivoluzioni / minuto. Trova il coefficiente di attrito statico minimo necessario per la manutenzione della valuta, utilizzando la valuta della valuta.

Soluzione

Nella figura è il diagramma del corpo libero per un osservatore che si muove con la valuta. Il normale N che i toadiscos esercita verticalmente verso l'alto si bilancia con il peso W, mentre la forza centrifuga F_G è compensato dallo sfregamento statico F_tocco.

Figura 5. Diagramma del corpo libero per l'esercizio 2. Fonte: f. Zapata.

N - w = 0

F_tocco - F_G = 0

L'entità della forza centrifuga è MV²/R, Come affermato all'inizio, quindi:

F_tocco = F_G = MV²/R

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

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F_{Reco =} μ_S.N

Dove μ_S È il coefficiente di sfregamento statico, una quantità scatenata il cui valore dipende da come sono le superfici in contatto. Sostituire questa equazione rimane:

μ_S.N = mv²/R → μ_S = MV²/R.N

Sarebbe necessario determinare l'entità di quella normale, che è correlata al peso secondo n = mg. Sostituire di nuovo:

μ_S = MV²/R.mg → μ_S = v²/Rg

Tornando alla dichiarazione, ciò riporta che la valuta ruota a una velocità di 33 rivoluzioni /minuto, che è velocità angolare o frequenza angolare Ω, correlato alla velocità lineare v:

v = ω.R = 33 rev/min . 2π Radias/Rev . 15 cm . (1 min/60 s) = 51. 8 cm/s

μ_S = v²/Rg = (51.8 cm/s)²/ (15 cm x 981 cm/ s²) = 0.18

I risultati di questo esercizio sarebbero stati gli stessi di aver selezionato un sistema di riferimento inerziale. In questo caso, l'unica forza in grado di originare l'accelerazione verso il centro è il tocco statico.

Applicazioni

Come abbiamo detto, la forza centrifuga è una forza fittizia, che non appare nei quadri inerziali, che sono gli unici in cui le leggi di Newton sono valide. 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 per la già conosciuta. Al contrario, è proprio questi che svolgono il ruolo delle forze centripeta quando appropriato. Ad esempio, la gravità che rende l'orbita lunare.

Tuttavia, poiché abbondano i sistemi di riferimento accelerati, le forze fittizie hanno effetti molto reali. Per il campione, ecco tre importanti applicazioni in cui hanno effetti tangibili:

Centrifugatori

I centrifugatori sono strumenti ampiamente usati in laboratorio. L'idea è di far girare una miscela di sostanze ad alta velocità e quelle sostanze con maggiore massa, sperimentare una maggiore forza centrifuga, secondo l'equazione descritta all'inizio.

Quindi le particelle più massicce tenderanno ad allontanarsi dall'asse di rotazione, quindi separate dal più leggero, che rimarrà più vicino al centro.

Lavatrici

Le lavatrici automatiche hanno vari cicli di compressione. In essi i vestiti sono centrifugati per eliminare l'acqua rimanente. Un più rivoluzioni del ciclo, meno bagnato saranno i vestiti alla fine del lavaggio.

Curva peralte

Le auto prendono meglio le curve sulle strade, grazie alla strada che si sporge un po 'verso il centro della curva, quello che è noto come Peralte. In questo modo l'auto non dipende esclusivamente dall'attrito statico tra le gomme e la strada per completare il turno senza lasciare la curva.

Riferimenti

1. Acosta, Victor. Costruzione di una guida didattica sulla forza centrifuga per gli studenti del ciclo V Grado 10.Recuperato da: bdigital.un i.Edu.co.
2. Toppr. Leggi del movimento: circolare di movimento. Recuperato da: toppr.com.
3. Resnick, r. (1999). Fisico. Vol. 1. 3a ed. in spagnolo. Azienda editoriale continentale S.A. di c.V.
4. Università autonoma dello stato di Hidalgo. Forza centrifuga. Recuperato da: uaeh.Edu.MX
5. Wikipedia. Centrifugatori. Recuperato da: è.Wikipedia.org.