Formules de force centrifuges, comment calculé, exemples, exercices

La force centrifuge a tendance à pousser les corps qui tournent en prenant une courbe. Il est considéré comme un force fictive, pseudofuerza soit force inertielle, parce qu'il n'est pas causé par des interactions entre les objets réels, mais c'est une manifestation du inertie des corps. L'inertie est la propriété qui donne envie aux objets de garder son repos ou un mouvement rectiligne uniforme, s'ils l'ont.

Le terme «force centrifuge» a été inventé par le scientifique Christian Huygens (1629-1695). Il a affirmé que le mouvement curviligne des planètes aurait tendance à les éloigner à moins que le soleil n'ait exercé une force pour les conserver et a calculé que cette force était proportionnelle au carré de la vitesse et inversement proportionnel au rayon de la circonférence décrite.

Figure 1. Lorsque vous donnez une courbe, les passagers éprouvent une force qui a tendance à les en sortir. Source: Librehot.

Pour ceux qui voyagent en voiture, la force centrifuge n'est pas du tout fictive. Les passagers d'une voiture qui se tourne vers la droite se sentent conduits vers la gauche, et vice versa, lorsque la voiture se tourne vers la gauche, les gens éprouvent une force à droite, qui semble vouloir les éloigner du centre de la courbe.

L'ampleur de la force centrifuge F_g Il est calculé par l'expression suivante:

 Où:

-F_g C'est l'ampleur de la force centrifuge

-m C'est la masse de l'objet

-V C'est la vitesse

-R C'est le rayon de la trajectoire courbe.

La force est un vecteur, donc une lettre audacieuse est utilisée pour la distinguer de son ampleur, qui est un scalaire.

Vous devez toujours garder à l'esprit que F_g n'apparaît que lorsque le mouvement est décrit en utilisant un système de référence accéléré.

Dans l'exemple décrit au début, la visite qui tourne constitue une référence accélérée, car elle nécessite accélération centripète, pour que je puisse tourner.

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Comment la force centrifuge est-elle calculée?

Le choix du système de référence est vital pour l'appréciation du mouvement. Un système de référence accéléré est également connu sous le nom de système non inertial.

Dans ce type de système, comme une voiture qui tourne, des forces fictives telles que la force centrifuge apparaissent, dont l'origine n'est pas une véritable interaction entre les objets. Un passager ne pouvait pas dire ce qui le pousse hors de la courbe, il ne peut qu'affirmer ce qui se passe comme ça.

D'un autre côté, dans un système de référence inertielle, les interactions sont données entre des objets réels, tels que le corps en mouvement et la terre, ce qui entraîne un poids, ou entre le corps et la surface sur laquelle il se déplace, qui proviennent de la friction et normal.

Un observateur debout sur le bord de la route et qui voit la voiture pour donner la courbe, est un bon exemple de système de référence inertielle. Pour cet observateur, la voiture tourne car elle agit une force dirigée vers le centre de la courbe, ce qui l'oblige à ne pas s'en sortir. Il s'agit du Force centripète produite par la friction entre les pneus et la chaussée.

Dans un système de référence inertielle, la force centrifuge n'apparaît pas. Par conséquent, la première étape pour le calculer est de choisir soigneusement le système de référence qui sera utilisé pour décrire le mouvement.

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Enfin, il convient de noter que les systèmes de référence inertielle ne devraient pas nécessairement être au repos, comme l'observateur qui regarde le véhicule pour donner la courbe. Un système de référence inertiel, appelé Cadre de référence en laboratoire, Il peut aussi être en mouvement. Bien sûr, à une vitesse constante concernant une inertielle.

Diagramme corporel libre dans un système inertiel et non incertal

Dans la figure suivante de gauche, un observateur ou se tient debout et regarde O ', qui est sur la plate-forme qui tourne dans la direction indiquée. Pour o, qui est un cadre inertielle, certainement ou «est maintenu en se tournant en raison de la force centripète F_c produit par le mur de la grille à l'arrière de O '.

Figure 2. Une personne debout sur une plate-forme rotative est vue à partir de deux systèmes de référence différents: un fixe et un qui va avec la personne. Source: Santillana Physics.

Seulement dans les systèmes de référence inertielle qu'il est valable d'appliquer la deuxième loi de Newton, qui stipule que la force nette équivaut au produit de la masse par accélération. Et ce faisant, avec le diagramme du corps libre illustré, il est obtenu:

F_c = mA_c

F_c= mv² / R

De même, dans la bonne figure, il existe également un diagramme corporel libre qui décrit ce que l'observateur voit ou '. De son point de vue, il est au repos, donc les forces sur lui sont équilibrées.

Ces forces sont: normales F, que le mur exerce dessus, en rouge et dirigé vers le centre et la force centrifuge F_g qui le pousse et qui ne provient d'aucune interaction, c'est une force non aorieuse qui apparaît dans les systèmes de référence en rotation.

La force centrifuge étant fictive, est équilibrée par une force réelle, le contact ou la force normale qui pointe vers le centre. Donc:

∑F_X = 0 → F_g - F = 0

F_g = F

Exemples

Bien que la force centrifuge soit considérée comme un pseudo-frappeur, ses effets sont très réels, comme on peut le voir dans les exemples suivants:

- Dans tout jeu rotatif d'un parc d'attractions, la force centrifuge est présente. Elle prend soin que "nous nous enfuis du centre" et offre une résistance constante si vous essayez de marcher vers le centre d'un carrousel en mouvement. Dans le pendule suivant, vous pouvez voir la force centrifuge:

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https: // giphy.com / gifs / jtu3pnmkqomqdujwmo

- L'effet Coriolis découle de la rotation terrestre, ce qui fait que la terre cesse d'être un cadre inertiel. Ensuite, la force de Coriolis apparaît, qu'une pseudo-force qui détourne latéralement les objets, comme avec les personnes qui essaient de marcher sur une plate-forme rotative.

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Exercices

Exercice 1

Une voiture qui tourne avec l'accélération POUR À droite, il porte un jouet en peluche suspendu au rétroviseur interne. Dessinez et comparez les diagrammes corporels sans jouets à partir de:

a) Le cadre de référence inertielle d'un observateur se tenant sur la route.

b) un passager voyageant dans la voiture.

Solution à

Un observateur debout sur la route prévient que le jouet se déplace rapidement, avec accélération POUR À droite.

figure 3. Diagramme corporel libre pour l'exercice 1A. Source: F. Zapata.

Il y a deux forces agissant sur le jouet: d'une part la tension dans la corde T Et le poids vertical en bas W. Le poids est équilibré avec la composante verticale de la tension Tcosθ, donc:

W - tcosθ = 0

La composante horizontale de la tension: T. Senθ C'est la force déséquilibrée responsable de l'accélération à droite, donc la force centripète est:

F_c= T.Senθ = ma_c

Solution B

Pour un passager dans la voiture, le jouet est suspendu en équilibre et le diagramme est le suivant:

Figure 4. Diagramme corporel libre pour l'exercice 1b. Source: F. Zapata.

Comme dans le cas précédent, le poids et la composante verticale de la tension sont compensés. Mais la composante horizontale est équilibrée avec une force fictive F_g = mA, de telle sorte que:

-ma + tsenθ = 0

F_g = mA

Exercice 2

Une monnaie est au bord d'une vieille tâche en vinyle, dont le rayon est de 15 cm et tourne à un rythme de 33 révolutions / minute. Trouvez le coefficient de frottement statique minimum nécessaire pour que la devise soit maintenue en place, en utilisant la devise de la devise.

Solution

Dans la figure se trouve le schéma corporel libre pour un observateur qui se déplace avec la monnaie. Le normal N Que le Toadiscos exerce verticalement vers le haut est en équilibre avec le poids W, tandis que la force centrifuge F_g est compensé par le frottement statique F_touche.

Figure 5. Diagramme corporel libre pour l'exercice 2. Source: F. Zapata.

N - w = 0

F_touche - F_g = 0

L'ampleur de la force centrifuge est Mv²/ R, Comme indiqué au début, alors:

F_touche = F_g = mv²/ R

D'un autre côté, la force de frottement statique est donnée par:

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F_{Reco =} μ_s.N

Où μ_s C'est le coefficient de frottement statique, une quantité déclenchée dont la valeur dépend de la façon dont les surfaces sont en contact. Le remplacement de cette équation reste:

μ_s.N = mv²/ R → μ_s = mv²/ R.N

Il serait nécessaire de déterminer l'ampleur de celle normale, qui est liée au poids en fonction de n = mg. Remplacement à nouveau:

μ_s = mv²/ R.mg → μ_s = V²/ Rg

De retour à la déclaration, ceci rapporte que la monnaie tourne à un taux de 33 révolutions / minute, qui est la vitesse angulaire ou la fréquence angulaire Ω, lié à la vitesse linéaire V:

v = Ω.R = 33 Rev / min . 2π Radianes / 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

Les résultats de cet exercice auraient été les mêmes que d'avoir sélectionné un système de référence inertielle. Dans ce cas, la seule force capable d'origine l'accélération vers le centre est la touche statique.

Applications

Comme nous l'avons dit, la force centrifuge est une force fictive, qui n'apparaît pas dans les cadres inertiels, qui sont les seuls dans lesquels les lois de Newton sont valides. En eux, la force centripète est chargée de fournir au corps l'accélération nécessaire vers le centre.

La force centripète n'est pas une force différente pour le déjà connu. Au contraire, ce sont précisément ceux qui jouent le rôle des forces centripète, le cas échéant. Par exemple, la gravité qui fait l'orbite lune.

Cependant, à mesure que les systèmes de référence accélérés abondent, les forces fictives ont des effets très réels. Pour l'échantillon, voici trois applications importantes dans lesquelles ils ont des effets tangibles:

Centrifugateurs

Les centrifugateurs sont des instruments largement utilisés en laboratoire. L'idée est de faire tourner un mélange de substances à grande vitesse et les substances avec une plus grande masse, connaissent une plus grande force centrifuge, selon l'équation décrite au début.

Ensuite, les particules les plus massives auront tendance à s'éloigner de l'axe de rotation, étant ainsi séparés des plus légers, qui resteront plus proches du centre.

Machines à laver

Les machines à laver automatique ont divers cycles de compression. En eux, les vêtements sont centrifugés pour éliminer l'eau restante. Une plus révolutions du cycle, moins humide sera les vêtements à la fin du lavage.

Courbe Peralte

Les voitures prennent mieux les courbes sur les routes, grâce à la route qui se penche un peu vers le centre de la courbe, ce que l'on appelle Peralte. De cette façon, la voiture ne dépend pas exclusivement de la friction statique entre les pneus et la route pour terminer le virage sans quitter la courbe.

Les références

1. Acosta, Victor. Construction d'un guide didactique sur la force centrifuge pour les étudiants du cycle en 10e année.Récupéré de: bdigital.un je.Édu.co.
2. Toppr. Lois du mouvement: circulaire de mouvement. Récupéré de: toppr.com.
3. Resnick, r. (1999). Physique. Vol. 1. 3e édition. en espagnol. Société de rédaction continentale S.POUR. de c.V.
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5. Wikipédia. Centrifugateurs. Récupéré de: est.Wikipédia.org.