MECÁNICA

 fuerza centrífuga es una fuerza inercial (también llamada fuerza "pseudo" o "ficticia") que parece actuar sobre todos los objetos cuando se ve en un marco de referencia giratorio . Se dirige lejos de un eje que pasa por el origen del sistema de coordenadas y paralelo al eje de rotación. Si el eje de rotación pasa por el origen del sistema de coordenadas, la fuerza centrífuga se dirige radialmente hacia afuera desde ese eje. El concepto de la fuerza centrífuga se puede aplicar en dispositivos, tales como la rotación centrífugas , bombas centrífugas , reguladores centrífugos , y embragues centrífugos , y enFerrocarriles centrífugos , órbitas planetarias y curvas agrupadas, cuando se analizan en un sistema de coordenadas de rotación . El término a veces también se ha utilizado para la fuerza centrífuga reactiva que es una reacción a una fuerza centrípeta .

En el marco de referencia inercial (parte superior de la imagen), la bola negra se mueve en línea recta. Sin embargo, el observador (punto marrón) que se encuentra en el marco de referencia giratorio / no inercial (parte inferior de la imagen) ve al objeto siguiendo un camino curvo debido a las fuerzas de Coriolis y centrífugas presentes en este marco.

Introducción [ editar ]

La fuerza centrífuga es una fuerza hacia afuera que se observa en un marco de referencia giratorio . ^{[1] [2] [3]} No existe cuando un sistema se describe en relación con un marco de referencia inercial . Todas las medidas de posición y velocidad deben hacerse en relación con algún marco de referencia. Por ejemplo, un análisis del movimiento de un objeto en un avión en vuelo podría hacerse con relación al avión, a la superficie de la Tierra, o incluso al Sol. ^[4] Un marco de referencia que está en reposo (o uno que se mueve sin rotación y a velocidad constante) en relación con las " estrellas fijas"generalmente se toma como un marco inercial. Cualquier sistema puede analizarse en un marco inercial (y por lo tanto sin fuerza centrífuga). Sin embargo, a menudo es más conveniente describir un sistema giratorio utilizando un marco giratorio; los cálculos son más simples. y descripciones más intuitivas. Cuando se hace esta elección, surgen fuerzas ficticias, incluida la fuerza centrífuga.

En un marco de referencia que gira alrededor de un eje a través de su origen, todos los objetos, independientemente de su estado de movimiento, parecen estar bajo la influencia de una fuerza exterior radial (desde el eje de rotación) que es proporcional a su masa, a la distancia desde el eje de rotación del marco, y hasta el cuadrado de la velocidad angular del marco. ^[5] [6] Esta es la fuerza centrífuga. Como los humanos suelen experimentar fuerza centrífuga desde el marco de referencia giratorio, por ejemplo, en un carrusel o vehículo, esto es mucho más conocido que la fuerza centrípeta.

El movimiento relativo a un marco giratorio da como resultado otra fuerza ficticia: la fuerza de Coriolis . Si la velocidad de rotación del marco cambia, se requiere una tercera fuerza ficticia (la fuerza de Euler ). Estas fuerzas ficticias son necesarias para la formulación de ecuaciones correctas de movimiento en un marco de referencia giratorio ^[7] [8] y permiten que las leyes de Newton se usen en su forma normal en tal marco (con una excepción: las fuerzas ficticias no obedecen La tercera ley de Newton: no tienen contrapartes iguales y opuestas). ^[7]

Ejemplos [ editar ]

La conducción del vehículo por una curva [ editar ]

Una experiencia común que da lugar a la idea de una fuerza centrífuga es que los pasajeros que viajan en un vehículo, como un automóvil, cambien de dirección. Si un automóvil viaja a una velocidad constante a lo largo de una carretera recta, entonces el pasajero no acelera y, según la segunda ley de movimiento de Newton, la fuerza neta que actúa sobre él es, por lo tanto, cero (todas las fuerzas que actúan sobre él se cancelan entre sí). Si el automóvil entra en una curva que se dobla a la izquierda, el pasajero experimenta una fuerza aparente que parece estar tirando de él hacia la derecha. Esta es la fuerza centrífuga ficticia. Es necesario, dentro del marco de referencia local del pasajero, explicar su repentina tendencia a comenzar a acelerar hacia la derecha en relación con el automóvil, una tendencia que debe resistir aplicando una fuerza hacia la derecha hacia el automóvil (por ejemplo, una fuerza de fricción contra el asiento). ) para permanecer en una posición fija en el interior. Dado que empuja el asiento hacia la derecha, la tercera ley de Newton dice que el asiento lo empuja hacia la izquierda. La fuerza centrífuga debe incluirse en el marco de referencia del pasajero (en el que el pasajero permanece en reposo):^[9] Sin embargo, sería evidente para un observador estacionario observando desde un paso elevado por encima que la fuerza de fricción ejercida sobre el pasajero por el asiento no está siendo balanceada; constituye una fuerza neta hacia la izquierda, lo que hace que el pasajero acelere hacia el interior de la curva, como debe hacerlo para seguir moviéndose con el automóvil en lugar de avanzar en línea recta como lo haría de otra manera. Así, la "fuerza centrífuga" que siente es el resultado de una "tendencia centrífuga" causada por la inercia. ^[10] Se encuentran efectos similares en aviones y montañas rusas donde la magnitud de la fuerza aparente se informa a menudo en " G's ".

Piedra en una cuerda [ editar ]

Si una piedra se gira alrededor de una cuerda, en un plano horizontal, la única fuerza real que actúa sobre la piedra en el plano horizontal es aplicada por la cuerda (la gravedad actúa verticalmente). Hay una fuerza neta sobre la piedra en el plano horizontal que actúa hacia el centro.

En un marco de referencia inercial , si no fuera por esta fuerza neta que actúa sobre la piedra, la piedra viajaría en línea recta, según la primera ley de movimiento de Newton . Para mantener la piedra moviéndose en una trayectoria circular, una fuerza centrípeta , en este caso proporcionada por la cuerda, debe aplicarse continuamente a la piedra. Tan pronto como se elimina (por ejemplo, si la cuerda se rompe), la piedra se mueve en línea recta. En este marco de inercia, el concepto de fuerza centrífuga no es necesario, ya que todo movimiento puede describirse correctamente utilizando solo fuerzas reales y las leyes de Newton del movimiento.

En un marco de referencia que gira con la piedra alrededor del mismo eje que la piedra, la piedra es estacionaria. Sin embargo, la fuerza aplicada por la cuerda todavía está actuando sobre la piedra. Si se aplicaran las leyes de Newton en su forma habitual (marco de inercia), se llegaría a la conclusión de que la piedra debería acelerar en la dirección de la fuerza neta aplicada (hacia el eje de rotación), lo cual no es así. La fuerza centrífuga y otras fuerzas ficticias deben incluirse junto con las fuerzas reales para aplicar las leyes de movimiento de Newton en el marco giratorio.

Tierra [ editar ]

La Tierra constituye un marco de referencia giratorio porque gira una vez al día sobre su eje. Debido a que la rotación es lenta, las fuerzas ficticias que produce son pequeñas y, en general, en situaciones cotidianas se pueden descuidar. Incluso en los cálculos que requieren alta precisión, la fuerza centrífuga generalmente no se incluye explícitamente, sino que se agrupa con la fuerza gravitacional : la fuerza y ​​dirección de la " gravedad " local en cualquier punto de la superficie de la Tierra es en realidad una combinación de gravedad y centrifugación efectivo.

Peso de un objeto en los polos y en el ecuador [ editar ]

Si un objeto se pesa con un simple balance de resorte en uno de los polos de la Tierra, hay dos fuerzas que actúan sobre el objeto: la gravedad de la Tierra, que actúa en una dirección hacia abajo, y la fuerza de restauración igual y opuesta en el resorte, que actúa hacia arriba. . Como el objeto es estacionario y no acelera, no hay una fuerza neta que actúe sobre el objeto y la fuerza del resorte es igual en magnitud a la fuerza de la gravedad en el objeto. En este caso, la balanza muestra el valor de la fuerza de gravedad en el objeto.

Cuando el mismo objeto se pesa en el ecuador , las mismas dos fuerzas reales actúan sobre el objeto. Sin embargo, el objeto se mueve en una trayectoria circular a medida que la Tierra gira y, por lo tanto, experimenta una aceleración centrípeta. Cuando se considera en un marco inercial (es decir, uno que no gira con la Tierra), la aceleración no cero significa que la fuerza de la gravedad no se equilibrará con la fuerza del resorte. Para tener una fuerza centrípeta neta, la magnitud de la fuerza de recuperación del resorte debe ser menor que la magnitud de la fuerza de la gravedad. Menos fuerza de restauración en el resorte se refleja en la báscula como menos peso, aproximadamente un 0.3% menos en el ecuador que en los polos. ^[11] En el marco de referencia de la Tierra (en el que el objeto que se pesa está en reposo), el objeto no parece estar acelerándose, sin embargo, las dos fuerzas reales, la gravedad y la fuerza del resorte, son de la misma magnitud y no se equilibran. La fuerza centrífuga debe incluirse para hacer que la suma de las fuerzas sea cero para que coincida con la aparente falta de aceleración.

Nota: De hecho, la diferencia de peso observada es mayor: alrededor del 0,53%. La gravedad de la Tierra es un poco más fuerte en los polos que en el ecuador, porque la Tierra no es una esfera perfecta , por lo que un objeto en los polos está ligeramente más cerca del centro de la Tierra que uno en el ecuador; este efecto se combina con la fuerza centrífuga para producir la diferencia de peso observada. ^[12]

Ferrocarril Ecuatorial [ editar ]

Este experimento mental es más complicado que los ejemplos anteriores, ya que requiere el uso de la fuerza de Coriolis así como la fuerza centrífuga.

Si hubiera una línea de ferrocarril que corriera alrededor del ecuador de la Tierra, un tren que se moviera hacia el oeste a lo largo de él lo suficientemente rápido permanecería estacionario en un cuadro que se mueve (pero no gira) con la Tierra; se detendría cuando la Tierra girara debajo de ella. En este marco inercial la situación es fácil de analizar. Las únicas fuerzas que actúan en el tren (suponiendo que no haya resistencia al viento u otras fuerzas horizontales) son su gravedad (hacia abajo) y la fuerza igual y opuesta (hacia arriba) de la vía. No hay fuerza neta en el tren y, por lo tanto, permanece estacionario.

En un marco que gira con la Tierra, el tren se mueve en una órbita circular mientras viaja alrededor de la Tierra. En este cuadro, la fuerza de reacción ascendente de la vía y la fuerza de gravedad en el tren siguen siendo las mismas, ya que son fuerzas reales. Sin embargo, en el marco (giratorio) de la Tierra, el tren viaja en una trayectoria circular y, por lo tanto, requiere una fuerza centrípeta (hacia abajo) para mantenerla en esta trayectoria. Debido a que utiliza un bastidor giratorio, la fuerza centrífuga (ficticia) debe aplicarse al tren. Es igual en valor a la fuerza centrípeta requerida, pero actúa en una dirección ascendente, en la dirección opuesta a la requerida. Parece que hay una fuerza ascendente neta en el tren y por lo tanto debería acelerar hacia arriba.

La resolución de esta paradoja radica en el hecho de que el tren está en movimiento con respecto al bastidor giratorio y está sujeto a (además de la fuerza centrífuga) la fuerza de Coriolis, que, en este ejemplo, actúa en dirección hacia abajo y es el doble. Fuerte como la fuerza centrífuga.

Derivación [ editar ]

Artículo principal: Marco de referencia giratorio.

Ver también: Fuerza ficticia y Mecánica del movimiento de partículas planas.

Para el siguiente formalismo, el marco de referencia giratorio se considera como un caso especial de un marco de referencia no inercial que gira en relación con un marco de referencia inercial denominado marco estacionario.

Derivadas del tiempo en un marco giratorio [ editar ]

En un marco de referencia giratorio, las derivadas de tiempo de cualquier función vectorial P del tiempo, como los vectores de velocidad y aceleración de un objeto, diferirán de sus derivadas de tiempo en el marco estacionario. Si P ₁ P ₂ , P ₃ son las componentes de P con respecto a los vectores unitarios i , j , k dirigidos a lo largo de los ejes del cuadro giratorio (es decir, P = P ₁ i + P ₂ j + P ₃ k ), entonces primera vez derivada [d P/ d t ] de P con respecto al marco giratorio es, por definición, d P ₁ / d t i + d P ₂ / d t j + d P ₃ / d t k . Si la velocidad angular absoluta del cuadro giratorio es ω , la derivada d P / d t de P con respecto al cuadro estacionario se relaciona con [d P / d t ] mediante la ecuación: ^[13]

$${\ displaystyle {\ frac {\ operatorname {d} {\ boldsymbol {P}}} {\ operatorname {d} t}} = \ left [{\ frac {\ operatorname {d} {\ boldsymbol {P}}} {\ operatorname {d} t}} \ right] + {\ boldsymbol {\ omega}} \ times {\ boldsymbol {P}} \,}

dónde $${\ displaystyle \ times}Denota el vector producto cruzado . En otras palabras, la tasa de cambio de P en el marco estacionario es la suma de su tasa de cambio aparente en el marco giratorio y una tasa de rotación$${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ omega}} \ times {\ boldsymbol {P}}}atribuible al movimiento del bastidor giratorio. El vector ω tiene una magnitud ω igual a la velocidad de rotación y se dirige a lo largo del eje de rotación de acuerdo con la regla de la mano derecha .

Aceleración [ editar ]

La ley de movimiento de Newton para una partícula de masa m escrita en forma vectorial es:

$${\ displaystyle {\ boldsymbol {F}} = m {\ boldsymbol {a}} \,}

donde F es la suma vectorial de las fuerzas físicas aplicadas a la partícula y a es la aceleración absoluta (es decir, la aceleración en un marco inercial ) de la partícula, dada por:

$${\ displaystyle {\ boldsymbol {a}} = {\ frac {\ operatorname {d} ^ {2} {\ boldsymbol {r}}} {\ operatorname {d} t ^ {2}}} \,}

donde r es el vector de posición de la partícula.

Aplicando la transformación anterior del estacionario al marco giratorio tres veces (dos veces para $${\ displaystyle {\ frac {\ operatorname {d} {\ boldsymbol {r}}} {\ operatorname {d} t}}} y una vez para $${\ displaystyle {\ frac {\ operatorname {d}} {\ operatorname {d} t}} \ left [{\ frac {\ operatorname {d} {\ boldsymbol {r}}} {\ operatorname {d} t} }\Correcto]}), la aceleración absoluta de la partícula se puede escribir como:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {a}}&={\frac {\operatorname {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t^{2}}}={\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} t}}{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}={\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} t}}\left(\left[{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}}\ \right)\\&=\left[{\frac {\operatorname {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t^{2}}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}\right]+{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\operatorname {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}+{\boldsymbol {\omega }}\times {\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}\\&=\left[{\frac {\operatorname {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t^{2}}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}\right]+{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\operatorname {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}+{\boldsymbol {\omega }}\times \left(\left[{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}}\ \right)\\&=\left[{\frac {\operatorname {d} ^{2}{\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t^{2}}}\right]+{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {\omega }}}{\operatorname {d} t}}\times {\boldsymbol {r}}+2{\boldsymbol {\omega }}\times \left[{\frac {\operatorname {d} {\boldsymbol {r}}}{\operatorname {d} t}}\right]+{\boldsymbol {\omega }}\times ({\boldsymbol {\omega }}\times {\boldsymbol {r}})\ .\end{aligned}}}$

Fuerza [ editar ]

La aceleración aparente en el cuadro giratorio es $${\ displaystyle \ left [{\ frac {d ^ {2} {\ boldsymbol {r}}} {dt ^ {2}}} \ right]}. Un observador que no esté al tanto de la rotación esperaría que esto fuera cero en ausencia de fuerzas externas. Sin embargo, las leyes del movimiento de Newton se aplican solo en el marco inercial y describen la dinámica en términos de la aceleración absoluta.$${\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} {\ boldsymbol {r}}} {dt ^ {2}}}}. Por lo tanto, el observador percibe los términos adicionales como contribuciones debido a fuerzas ficticias. Estos términos en la aceleración aparente son independientes de la masa; así parece que cada una de estas fuerzas ficticias, como la gravedad, tira de un objeto en proporción a su masa. Cuando se agregan estas fuerzas, la ecuación de movimiento tiene la forma: ^{[14] [15] [16]}

$${\ displaystyle {\ boldsymbol {F}} - m {\ frac {\ operatorname {d} {\ boldsymbol {\ omega}}} {\ operatorname {d} t}} \ times {\ boldsymbol {r}} - 2m {\ boldsymbol {\ omega}} \ times \ left [{\ frac {\ operatorname {d} {\ boldsymbol {r}}} {\ operatorname {d} t}} \ right] -m {\ boldsymbol {\ omega }} \ times ({\ boldsymbol {\ omega}} \ times {\ boldsymbol {r}})} $${\ displaystyle = m \ left [{\ frac {\ operatorname {d} ^ {2} {\ boldsymbol {r}}} {\ operatorname {d} t ^ {2}}} \ right] \.}

Desde la perspectiva del marco giratorio, los términos de fuerza adicionales se experimentan como las fuerzas externas reales y contribuyen a la aceleración aparente. ^[17] [18] Los términos adicionales en el lado de la fuerza de la ecuación se pueden reconocer como, leyendo de izquierda a derecha, la fuerza de Euler $${\ displaystyle -m \ operatorname {d} {\ boldsymbol {\ omega}} / \ operatorname {d} t \ times {\ boldsymbol {r}}}, la fuerza de Coriolis $${\ displaystyle -2m {\ boldsymbol {\ omega}} \ times \ left [\ operatorname {d} {\ boldsymbol {r}} / \ operatorname {d} t \ right]}, y la fuerza centrífuga $${\ displaystyle -m {\ boldsymbol {\ omega}} \ times ({\ boldsymbol {\ omega}} \ times {\ boldsymbol {r}})}, respectivamente. ^[19] A diferencia de las otras dos fuerzas ficticias, la fuerza centrífuga siempre apunta radialmente hacia afuera del eje de rotación del marco giratorio, con una magnitud m ω ² r , y a diferencia de la fuerza de Coriolis en particular, es independiente del movimiento de la Partícula en el marco giratorio. Como se esperaba, para un marco de referencia inercial no rotativo $${\ displaystyle ({\ boldsymbol {\ omega}} = 0)}La fuerza centrífuga y todas las demás fuerzas ficticias desaparecen. ^[20]De manera similar, como la fuerza centrífuga es proporcional a la distancia del objeto al eje de rotación del marco, la fuerza centrífuga se desvanece para los objetos que se encuentran sobre el eje.

Rotación absoluta [ editar ]

La interfaz de dos líquidos inmiscibles que giran alrededor de un eje vertical es un paraboloide circular de apertura hacia arriba.

Cuando se analiza en un marco de referencia giratorio del planeta, la fuerza centrífuga hace que los planetas giratorios adopten la forma de un esferoide oblato.

Artículo principal: Rotación absoluta.

Newton sugirió tres escenarios para responder a la pregunta de si se puede detectar la rotación absoluta de un marco local; es decir, si un observador puede decidir si un objeto observado está girando o si el observador está girando. ^[21] [22]

• La forma de la superficie del agua girando en un cubo . La forma de la superficie se vuelve cóncava para equilibrar la fuerza centrífuga contra las otras fuerzas sobre el líquido.
• La tensión en una cuerda que une dos esferas girando alrededor de su centro de masa. La tensión en la cuerda será proporcional a la fuerza centrífuga en cada esfera a medida que gira alrededor del centro de masa común.

En estos escenarios, los efectos atribuidos a la fuerza centrífuga solo se observan en el marco local (el marco en el que el objeto está estacionario) si el objeto está experimentando una rotación absoluta con respecto a un marco inercial. Por el contrario, en un marco inercial, los efectos observados surgen como consecuencia de la inercia y las fuerzas conocidas sin la necesidad de introducir una fuerza centrífuga. Basándose en este argumento, el marco privilegiado, en el que las leyes de la física toman la forma más simple, es un marco estacionario en el que no es necesario invocar fuerzas ficticias.

Dentro de esta visión de la física, cualquier otro fenómeno que generalmente se atribuye a la fuerza centrífuga puede usarse para identificar la rotación absoluta. Por ejemplo, la oblatenidad de una esfera de material que fluye libremente se explica a menudo en términos de fuerza centrífuga. La forma esferoidal oblata refleja, siguiendo el teorema de Clairaut , el equilibrio entre la contención por atracción gravitacional y la dispersión por fuerza centrífuga. Que la Tierra es en sí misma un esferoide oblato, abultado en el ecuador donde la distancia radial y, por lo tanto, la fuerza centrífuga es mayor, se toma como una de las evidencias de su rotación absoluta. ^[23]

Aplicaciones [ editar ]

Las operaciones de numerosos sistemas mecánicos rotativos comunes se conceptualizan más fácilmente en términos de fuerza centrífuga. Por ejemplo:

• Un gobernador centrífugo regula la velocidad de un motor mediante el uso de masas giratorias que se mueven radialmente, ajustando el acelerador , a medida que el motor cambia de velocidad. En el marco de referencia de las masas que giran, la fuerza centrífuga provoca el movimiento radial.
• Un embrague centrífugo se utiliza en pequeños dispositivos con motor, como sierras de cadena, karts y modelos de helicópteros. Permite que el motor arranque y funcione en ralentí sin conducir el dispositivo, pero se activa automáticamente y sin problemas a medida que aumenta la velocidad del motor. Los ascensores de freno de tambor inerciales utilizados en la escalada en roca y los carretes de inercia utilizados en muchos cinturones de seguridad de automóviles funcionan según el mismo principio.
• Las fuerzas centrífugas se pueden usar para generar gravedad artificial , como en los diseños propuestos para estaciones espaciales giratorias. El Biosatélite de gravedad de Marte habría estudiado los efectos de la gravedad de nivel de Marte en ratones con la gravedad simulada de esta manera.
• La fundición por centrifugación y la fundición centrífuga son métodos de producción que utilizan la fuerza centrífuga para dispersar el metal o plástico líquido en todo el espacio negativo de un molde.
• Las centrífugas se utilizan en la ciencia y la industria para separar sustancias. En el marco de referencia que gira con la centrífuga, la fuerza centrífuga induce un gradiente de presión hidrostática en tubos llenos de fluido orientados perpendicularmente al eje de rotación, dando lugar a grandes fuerzas flotantes que empujan las partículas de baja densidad hacia adentro. Los elementos o partículas más densas que el fluido se mueven hacia afuera bajo la influencia de la fuerza centrífuga. Este es efectivamente el principio de Arquímedes generado por la fuerza centrífuga en lugar de ser generado por la gravedad.
• Algunos juegos mecánicos hacen uso de fuerzas centrífugas. Por ejemplo, el giro de un Gravitron fuerza a los corredores contra una pared y les permite elevarlos sobre el piso de la máquina desafiando la gravedad de la Tierra. ^[24]

Sin embargo, todos estos sistemas también pueden describirse sin requerir el concepto de fuerza centrífuga, en términos de movimientos y fuerzas en un marco estacionario, al costo de tomar un poco más de cuidado al considerar las fuerzas y movimientos dentro del sistema.

Historia de las concepciones de las fuerzas centrífugas y centrípetas [ editar ]

Artículo principal: Historia de las fuerzas centrífugas y centrípetas.

La concepción de la fuerza centrífuga ha evolucionado desde la época de Huygens , Newton , Leibniz y Hooke,quienes expresaron sus primeras concepciones. Su concepción moderna como una fuerza ficticia surgida en un marco de referencia rotativo evolucionó en los siglos XVIII y XIX. ^{[ cita requerida ]}

La fuerza centrífuga también ha jugado un papel en los debates en mecánica clásica sobre la detección de movimiento absoluto. Newton sugirió dos argumentos para responder a la pregunta de si se puede detectar la rotación absoluta : el argumento del cubo giratorio y el argumento de las esferas giratorias . ^[25] Según Newton, en cada escenario, la fuerza centrífuga se observaría en el marco local del objeto (el marco donde el objeto está estacionario) solo si el marco girara con respecto al espacio absoluto. Casi dos siglos después, el principio de Mach.se propuso que, en lugar de la rotación absoluta, el movimiento de las estrellas distantes en relación con el marco inercial local dé lugar a través de alguna ley física (hipotética) a la fuerza centrífuga y otros efectos de inercia. La visión de hoy se basa en la idea de un marco de referencia inercial , que privilegia a los observadores por los cuales las leyes de la física toman su forma más simple, y en particular, los marcos que no usan fuerzas centrífugas en sus ecuaciones de movimiento para describir los movimientos. correctamente.

La analogía entre la fuerza centrífuga (a veces utilizada para crear la gravedad artificial ) y las fuerzas gravitacionales condujo al principio de equivalencia de la relatividad general . ^[26] [27]

Otros usos del término [ editar ]

Si bien la mayoría de la literatura científica utiliza el término fuerza centrífuga para referirse a la fuerza ficticia particular que surge en marcos rotativos, hay algunos casos limitados en la literatura del término aplicado a otros conceptos físicos distintos. Uno de estos casos ocurre en la mecánica lagrangiana . La mecánica de Lagrange formula la mecánica en términos de coordenadas generalizadas { q _k }, que pueden ser tan simples como las coordenadas polares habituales$${\ displaystyle (r, \ \ theta)}o una lista mucho más extensa de variables. ^[28] [29] Dentro de esta formulación, el movimiento se describe en términos de fuerzas generalizadas , utilizando en lugar de las leyes de Newton las ecuaciones de Euler-Lagrange . Entre las fuerzas generalizadas, las que involucran el cuadrado del tiempo derivadas {(d q _k    ⁄  dt  ) ² } a veces se llaman fuerzas centrífugas. ^{[30] [31] [32] [33]} En el caso del movimiento en un potencial central, la fuerza centrífuga de Lagrangian tiene la misma forma que la fuerza centrífuga ficticia derivada de un marco de rotación conjunta. ^[34]Sin embargo, el uso lagrangiano de la "fuerza centrífuga" en otros casos, más generales, solo tiene una conexión limitada con la definición newtoniana.

En otro caso, el término se refiere a la fuerza de reacción a una fuerza centrípeta o fuerza centrífuga reactiva . Un cuerpo que experimenta un movimiento curvo, como un movimiento circular , está acelerando hacia un centro en un momento determinado del tiempo. Esta aceleración centrípeta es proporcionada por una fuerza centrípeta , que se ejerce sobre el cuerpo en movimiento curvo por algún otro cuerpo. De acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton , el cuerpo en movimiento curvo ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el otro cuerpo. Esta fuerza reactiva es ejercida por el cuerpo en movimiento curvo sobreel otro cuerpo que proporciona la fuerza centrípeta y su dirección es de ese otro cuerpo hacia el cuerpo en movimiento curvo. ^{[35] [36] [37] [38]}

Esta fuerza de reacción se describe a veces como una reacción de inercia centrífuga , ^[39] [40] , es decir, una fuerza que es dirigida centrífuga, que es una fuerza reactiva igual y opuesta a la fuerza centrípeta que está curvando la trayectoria de la masa.

El concepto de la fuerza centrífuga reactiva se usa a veces en mecánica e ingeniería. A veces se lo denomina fuerza centrífuga en lugar de fuerza centrífuga reactiva ^[41] [42], aunque este uso está obsoleto en la mecánica elemental.