La forza centrifuga è onnipresente nella nostra vita quotidiana, ma è quello che pensiamo che sia?
Lo sperimentiamo quando giriamo un angolo in una macchina o quando un aereo si inclina in una curva. Lo vediamo nella centrifuga di una lavatrice o quando i bambini viaggiano su una giostra. Un giorno potrebbe persino fornire gravità artificiale per le navi spaziali e le stazioni spaziali.
Ma la forza centrifuga è spesso confusa con la sua controparte, forza centripeta, perché sono così strettamente correlate - essenzialmente due facce della stessa medaglia.
La forza centripeta è definita come "la forza necessaria per mantenere un oggetto in movimento in un percorso curvo e che è diretta verso l'interno verso il centro di rotazione", mentre la forza centrifuga è definita come "la forza apparente che viene percepita da un oggetto in movimento in un percorso curvo che agisce esternamente lontano dal centro di rotazione ", secondo il Dizionario Webster Webster.
Si noti che mentre la forza centripeta è una forza effettiva, la forza centrifuga è definita come una forza apparente. In altre parole, quando si fa roteare una massa su una corda, la corda esercita una forza centripeta interna sulla massa, mentre la massa sembra esercitare una forza centrifuga verso l'esterno sulla corda.
"La differenza tra la forza centripeta e quella centrifuga ha a che fare con diversi" quadri di riferimento ", ovvero diversi punti di vista da cui si misura qualcosa", ha affermato Andrew A. Ganse, fisico ricercatore dell'Università di Washington. "La forza centripeta e la forza centrifuga sono in realtà la stessa forza esatta, solo in direzioni opposte perché provano da diversi quadri di riferimento."
Se stai osservando un sistema rotante dall'esterno, vedi una forza centripeta interiore che agisce per vincolare il corpo rotante a un percorso circolare. Tuttavia, se fai parte del sistema rotante, avverti un'apparente forza centrifuga che ti allontana dal centro del cerchio, anche se ciò che senti effettivamente è la forza centripeta interiore che ti impedisce di andare letteralmente su una tangente .
Le forze obbediscono alle leggi del movimento di Newton
Questa apparente forza esteriore è descritta dalle Regole del moto di Newton. La prima legge di Newton afferma che "un corpo a riposo rimarrà a riposo, e un corpo in movimento rimarrà in movimento a meno che non venga agito da una forza esterna".
Se un corpo massiccio si muove attraverso lo spazio in linea retta, la sua inerzia lo farà continuare in linea retta a meno che una forza esterna non gli faccia accelerare, rallentare o cambiare direzione. Affinché possa seguire un percorso circolare senza cambiare velocità, è necessario applicare una forza centripeta continua ad angolo retto rispetto al suo percorso. Il raggio (r) di questo cerchio è uguale alla massa (m) per il quadrato della velocità (v) divisa per la forza centripeta (F) o r = mv ^ 2 / F. La forza può essere calcolata semplicemente riorganizzando l'equazione, F = mv ^ 2 / r.
La terza legge di Newton afferma che "per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria". Proprio come la gravità ti fa esercitare una forza sul terreno, il terreno sembra esercitare una forza uguale e opposta sui tuoi piedi. Quando sei su un'auto in accelerazione, il sedile esercita una forza in avanti su di te proprio come sembra esercitare una forza all'indietro sul sedile.
Nel caso di un sistema rotante, la forza centripeta tira la massa verso l'interno per seguire un percorso curvo, mentre la massa sembra spingere verso l'esterno a causa della sua inerzia. In ognuno di questi casi, tuttavia, viene applicata solo una forza reale, mentre l'altra è solo una forza apparente.
Esempi di forza centripeta in azione
Esistono molte applicazioni che sfruttano la forza centripeta. Uno è simulare l'accelerazione di un lancio nello spazio per l'addestramento degli astronauti. Quando un razzo viene lanciato per la prima volta, è così carico di carburante e ossidante che riesce a malapena a muoversi. Tuttavia, man mano che sale, brucia carburante a una velocità incredibile, perdendo continuamente massa. La Seconda Legge di Newton afferma che la forza è uguale all'accelerazione dei tempi di massa, o F = ma.
Nella maggior parte dei casi, la massa rimane costante. Con un razzo, tuttavia, la sua massa cambia drasticamente, mentre la forza, in questo caso la spinta dei motori a razzo, rimane quasi costante. Questo fa sì che l'accelerazione verso la fine della fase di boost aumenti di parecchie volte quella della gravità normale. La NASA utilizza grandi centrifughe per preparare gli astronauti a questa estrema accelerazione. In questa applicazione, la forza centripeta è fornita dallo schienale che spinge verso l'interno l'astronauta.
Un altro esempio dell'applicazione della forza centripeta è la centrifuga da laboratorio, che viene utilizzata per accelerare la precipitazione delle particelle sospese nel liquido. Un uso comune di questa tecnologia è per la preparazione di campioni di sangue per l'analisi. Secondo il sito web della Experimental Biosciences della Rice University, "La struttura unica del sangue rende molto facile separare i globuli rossi dal plasma e dagli altri elementi formati mediante centrifugazione differenziale".
Sotto la normale forza di gravità, il movimento termico provoca una miscelazione continua che impedisce alle cellule del sangue di depositarsi su un campione di sangue intero. Tuttavia, una centrifuga tipica può raggiungere accelerazioni da 600 a 2.000 volte quella della gravità normale. Ciò costringe i globuli rossi pesanti a depositarsi sul fondo e stratifica i vari componenti della soluzione in strati in base alla loro densità.
Questo articolo è stato aggiornato il 10 maggio 2019 da Live Science Contributor, Jennifer Leman.
