¿Qué es la fuerza centrípeta? Definición y ecuaciones
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La fuerza centrípeta se define como la fuerza que actúa sobre un cuerpo que se mueve en una trayectoria circular que se dirige hacia el centro alrededor del cual se mueve el cuerpo. El término proviene de las palabras latinas. centro para "centro" y petere, que significa "buscar".
La fuerza centrípeta puede considerarse la fuerza de búsqueda central. Su dirección es ortogonal (en ángulo recto) al movimiento del cuerpo en la dirección hacia el centro de curvatura de la trayectoria del cuerpo. La fuerza centrípeta altera la dirección del movimiento de un objeto sin cambiar su velocidad.
Conclusiones clave: fuerza centrípeta
- La fuerza centrípeta es la fuerza sobre un cuerpo que se mueve en un círculo que apunta hacia adentro hacia el punto alrededor del cual se mueve el objeto..
- La fuerza en la dirección opuesta, apuntando hacia afuera desde el centro de rotación, se llama fuerza centrífuga..
- Para un cuerpo giratorio, las fuerzas centrípetas y centrífugas son iguales en magnitud, pero opuestas en dirección.
Diferencia entre fuerza centrípeta y fuerza centrífuga
Mientras que la fuerza centrípeta actúa para atraer un cuerpo hacia el centro del punto de rotación, la fuerza centrífuga (fuerza de "fuga central") se aleja del centro.
Según la Primera Ley de Newton, "un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, mientras que un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él". En otras palabras, si las fuerzas que actúan sobre un objeto están equilibradas, el objeto continuará moviéndose a un ritmo constante sin aceleración.
La fuerza centrípeta permite que un cuerpo siga un camino circular sin volar en una tangente al actuar continuamente en ángulo recto con respecto a su camino. De esta manera, actúa sobre el objeto como una de las fuerzas de la Primera Ley de Newton, manteniendo así la inercia del objeto..
La segunda ley de Newton también se aplica en el caso de requisito de fuerza centrípeta, que dice que si un objeto se mueve en un círculo, la fuerza neta que actúa sobre él debe ser hacia adentro. La segunda ley de Newton dice que un objeto que se acelera sufre una fuerza neta, con la dirección de la fuerza neta igual que la dirección de la aceleración. Para un objeto que se mueve en un círculo, la fuerza centrípeta (la fuerza neta) debe estar presente para contrarrestar la fuerza centrífuga.
Desde el punto de vista de un objeto estacionario en el marco de referencia giratorio (por ejemplo, un asiento en un columpio), el centrípeto y el centrífugo son de igual magnitud, pero opuestos en dirección. La fuerza centrípeta actúa sobre el cuerpo en movimiento, mientras que la fuerza centrífuga no lo hace. Por esta razón, la fuerza centrífuga a veces se denomina fuerza "virtual".
Cómo calcular la fuerza centrípeta
La representación matemática de la fuerza centrípeta fue derivada por el físico holandés Christiaan Huygens en 1659. Para un cuerpo que sigue una trayectoria circular a velocidad constante, el radio del círculo (r) es igual a la masa del cuerpo (m) por el cuadrado de la velocidad (v) dividido por la fuerza centrípeta (F):
r = mv2/F
La ecuación se puede reorganizar para resolver la fuerza centrípeta:
F = mv2/ r
Un punto importante que debe tener en cuenta en la ecuación es que la fuerza centrípeta es proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto significa que duplicar la velocidad de un objeto necesita cuatro veces la fuerza centrípeta para mantener el objeto en movimiento en un círculo. Un ejemplo práctico de esto se ve al tomar una curva cerrada con un automóvil. Aquí, la fricción es la única fuerza que mantiene los neumáticos del vehículo en la carretera. El aumento de la velocidad aumenta en gran medida la fuerza, por lo que es más probable que un patín.
También tenga en cuenta que el cálculo de la fuerza centrípeta supone que no actúan fuerzas adicionales sobre el objeto.
Fórmula de aceleración centrípeta
Otro cálculo común es la aceleración centrípeta, que es el cambio en la velocidad dividido por el cambio en el tiempo. La aceleración es el cuadrado de la velocidad dividido por el radio del círculo:
Δv / Δt = a = v2/ r
Aplicaciones prácticas de la fuerza centrípeta
El ejemplo clásico de fuerza centrípeta es el caso de un objeto que se balancea sobre una cuerda. Aquí, la tensión en la cuerda suministra la fuerza centrípeta de "tracción".
La fuerza centrípeta es la fuerza de "empuje" en el caso de un motociclista del Muro de la Muerte.
La fuerza centrípeta se utiliza para centrifugadoras de laboratorio. Aquí, las partículas que están suspendidas en un líquido se separan del líquido mediante tubos de aceleración orientados de modo que las partículas más pesadas (es decir, objetos de mayor masa) se empujan hacia el fondo de los tubos. Si bien las centrifugadoras suelen separar sólidos de líquidos, también pueden fraccionar líquidos, como en muestras de sangre, o componentes separados de gases.
Las centrifugadoras de gas se utilizan para separar el isótopo más pesado uranio-238 del isótopo más ligero uranio-235. El isótopo más pesado se dibuja hacia el exterior de un cilindro giratorio. La fracción pesada se extrae y se envía a otra centrífuga. El proceso se repite hasta que el gas esté suficientemente "enriquecido".
Un telescopio de espejo líquido (LMT) se puede hacer girando un metal líquido reflectante, como el mercurio. La superficie del espejo asume una forma paraboloide porque la fuerza centrípeta depende del cuadrado de la velocidad. Debido a esto, la altura del metal líquido que gira es proporcional al cuadrado de su distancia desde el centro. La forma interesante asumida al hacer girar los líquidos se puede observar haciendo girar un balde de agua a una velocidad constante.
