La fuerza centrífuga es omnipresente en nuestra vida cotidiana, pero ¿es lo que creemos que es?
Lo experimentamos cuando doblamos una esquina en un automóvil o cuando un avión gira en una curva. Lo vemos en el ciclo de centrifugado de una lavadora o cuando los niños viajan en un carrusel. Un día incluso puede proporcionar gravedad artificial para naves espaciales y estaciones espaciales.
Pero la fuerza centrífuga a menudo se confunde con su contraparte, la fuerza centrípeta, porque están muy relacionados, esencialmente dos caras de la misma moneda.
La fuerza centrípeta se define como "la fuerza necesaria para mantener un objeto en movimiento en una trayectoria curva y que se dirige hacia adentro hacia el centro de rotación", mientras que la fuerza centrífuga se define como "la fuerza aparente que siente un objeto en movimiento en un camino curvo que actúa hacia afuera, lejos del centro de rotación ", según Merriam Webster Dictionary.
Tenga en cuenta que si bien la fuerza centrípeta es una fuerza real, la fuerza centrífuga se define como una fuerza aparente. En otras palabras, al girar una masa sobre una cuerda, la cuerda ejerce una fuerza centrípeta hacia adentro sobre la masa, mientras que la masa parece ejercer una fuerza centrífuga hacia afuera sobre la cuerda.
"La diferencia entre la fuerza centrípeta y la centrífuga tiene que ver con diferentes 'marcos de referencia', es decir, diferentes puntos de vista desde los cuales se mide algo", dijo Andrew A. Ganse, físico investigador de la Universidad de Washington. "La fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga son realmente la misma fuerza, solo en direcciones opuestas porque se experimentan desde diferentes marcos de referencia".
Si observa un sistema giratorio desde el exterior, verá una fuerza centrípeta hacia adentro que actúa para restringir el cuerpo giratorio a una trayectoria circular. Sin embargo, si usted es parte del sistema rotativo, experimenta una aparente fuerza centrífuga que lo aleja del centro del círculo, aunque lo que realmente siente es la fuerza centrípeta interna que le impide literalmente salir en una tangente. .
Las fuerzas obedecen las leyes de movimiento de Newton
Esta aparente fuerza externa se describe en las Leyes de movimiento de Newton. La Primera Ley de Newton establece que "un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él".
Si un cuerpo masivo se mueve a través del espacio en línea recta, su inercia hará que continúe en línea recta a menos que una fuerza externa haga que acelere, disminuya o cambie de dirección. Para que siga una trayectoria circular sin cambiar la velocidad, se debe aplicar una fuerza centrípeta continua en ángulo recto a su trayectoria. El radio (r) de este círculo es igual a la masa (m) multiplicada por el cuadrado de la velocidad (v) dividido por la fuerza centrípeta (F), o r = mv ^ 2 / F. La fuerza se puede calcular simplemente reorganizando la ecuación, F = mv ^ 2 / r.
La Tercera Ley de Newton establece que "para cada acción, hay una reacción igual y opuesta". Así como la gravedad hace que ejerzas una fuerza sobre el suelo, el suelo parece ejercer una fuerza igual y opuesta sobre tus pies. Cuando está en un automóvil que acelera, el asiento ejerce una fuerza hacia adelante sobre usted al igual que parece ejercer una fuerza hacia atrás sobre el asiento.
En el caso de un sistema giratorio, la fuerza centrípeta empuja la masa hacia adentro para seguir una trayectoria curva, mientras que la masa parece empujarse hacia afuera debido a su inercia. Sin embargo, en cada uno de estos casos, solo se aplica una fuerza real, mientras que la otra es solo una fuerza aparente.
Ejemplos de fuerza centrípeta en acción.
Hay muchas aplicaciones que explotan la fuerza centrípeta. Una es simular la aceleración de un lanzamiento espacial para el entrenamiento de astronautas. Cuando se lanza un cohete por primera vez, está tan cargado de combustible y oxidante que apenas puede moverse. Sin embargo, a medida que asciende, quema combustible a una velocidad tremenda, perdiendo masa continuamente. La segunda ley de Newton establece que la fuerza es igual a la masa por la aceleración, o F = ma.
En la mayoría de las situaciones, la masa permanece constante. Sin embargo, con un cohete, su masa cambia drásticamente, mientras que la fuerza, en este caso el empuje de los motores del cohete, permanece casi constante. Esto hace que la aceleración hacia el final de la fase de impulso aumente varias veces la de la gravedad normal. La NASA usa grandes centrifugadoras para preparar a los astronautas para esta aceleración extrema. En esta aplicación, la fuerza centrípeta es proporcionada por el respaldo del asiento empujando hacia adentro al astronauta.
Otro ejemplo de la aplicación de la fuerza centrípeta es la centrífuga de laboratorio, que se utiliza para acelerar la precipitación de partículas suspendidas en líquido. Un uso común de esta tecnología es para preparar muestras de sangre para análisis. Según el sitio web Experimental Biosciences de la Universidad de Rice, "la estructura única de la sangre hace que sea muy fácil separar los glóbulos rojos del plasma y los otros elementos formados por centrifugación diferencial".
Bajo la fuerza normal de la gravedad, el movimiento térmico provoca una mezcla continua que impide que las células sanguíneas se asienten de una muestra de sangre completa. Sin embargo, una centrífuga típica puede lograr aceleraciones que son 600 a 2,000 veces mayores que la gravedad normal. Esto obliga a los glóbulos rojos pesados a asentarse en el fondo y estratifica los diversos componentes de la solución en capas según su densidad.
Este artículo fue actualizado el 10 de mayo de 2019 por la directora de ciencia en vivo, Jennifer Leman.
