Force centripète vs force centrifuge: quelle est la différence et pourquoi c'est important

La force centripète et la force centrifuge sont deux termes que les étudiants en physique confondent ou comprennent mal.

Une idée fausse typique est que la force centripète est dirigée vers le centre de la trajectoire circulaire d'un objet, tandis que la force centrifuge est dirigée vers l'extérieur, comme si les deux agissaient dans des directions opposées. Cependant, un seul d'entre eux est en fait un réel Obliger!

La seule force provoquant le mouvement circulaire d'un objet est force centripète, qui est toujours dirigé vers le centre de la trajectoire circulaire. Si une voiture contourne un virage, par exemple, la force centripète la faisant se déplacer dans une courbe plutôt qu'une ligne droite est dirigée le long du rayon du cercle que la voiture trace.

• La force centrifuge est une force fictive, ce qui signifie qu'elle est pas une vraie force. Force centripète est vrai.

Force centrifuge, d'autre part, n'existe pas. Comme le condensateur de flux de "Retour vers le futur", le terme a été inventé pour aider à décrire quelque chose d'imaginaire, bien que basé sur des observations réelles. Les effets du mouvement en cercle ont tendance à donner à un objet l'impression qu'il « vole » vers l'extérieur, et l'idée d'un

Lorsqu'une voiture effectue un virage serré à gauche, les passagers peuvent se sentir « projetés » à droite de la voiture. Ou au bas d'une boucle sur des montagnes russes, les coureurs peuvent se sentir poussés dans leurs sièges.

Ces sentiments sont le résultat de inertie; cependant, ne pas une force (bien qu'elle puisse être qualifiée de force apparente). L'inertie décrit la tendance d'un objet à résister aux changements de son mouvement, comme décrit par la première loi de Newton, la loi d'inertie.

Lorsque la voiture prend un virage soudain ou que les montagnes russes plongent, les corps humains à l'intérieur se déplacent déjà avec une certaine vitesse dans une direction particulière. Selon la loi d'inertie, ces corps ont initialement résister changer leurs vitesses.

Les passagers avancent toujours dans l'espace lorsque la voiture commence à virer brusquement à gauche - donc plutôt que d'être « projetée à droite », la voiture est en fait s'écraser sur eux par la gauche alors qu'il se déplace soudainement. Une fois que leurs corps rattrapent leur retard et commencent également à se déplacer vers la gauche, la sensation d'écrasement prend fin.

De même dans les montagnes russes, les corps se déplacent toujours vers le bas lorsque les montagnes russes commencent à les pousser vers le haut. Jusqu'à ce que leur corps rattrape la nouvelle vitesse des montagnes russes, ils ont l'impression d'être projetés contre l'extérieur des chariots. Leurs corps se déplacent toujours vers les chariots alors que les chariots se déplacent maintenant vers leurs corps.

La force centripète n'est qu'une partie de la recette pour faire bouger quelque chose en cercle. L'autre ingrédient est vitesse lineaire. Un objet doit être en mouvement lorsqu'une force centripète agit à angle droit par rapport à son mouvement pour qu'il se déplace en cercle.

Considérons une balle au bout d'une ficelle. Pour qu'une personne le fasse tourner autour de sa tête, elle doit d'abord le lancer avec une composante horizontale (en d'autres termes, pas directement dans ou loin d'elle-même). La personne tend la ficelle et la balle commence à l'encercler plutôt que de s'envoler.

Deux choses doivent continuer à se produire pour que la balle sur la corde continue de tourner: La personne doit continuer à tendre la corde (en la tirant vers l'intérieur), et ils doivent continuer à ajouter de légers coups horizontaux pour maintenir le mouvement linéaire de la balle, qui autrement ralentirait du fait de la friction avec l'air. (Dans l'espace, cependant, la personne seul besoin de tirer sur la corde apprise car la balle ne perdrait aucune de sa vitesse linéaire en tournant dans le vide.)

Si la balle ne bougeait pas et que la personne tirait la corde tendue, la balle se déplacerait simplement vers l'intérieur vers la personne, pas un cercle. Si la balle sortait directement de la personne et qu'elle tirait sur la corde, la balle ralentissait d'abord, puis changeait de direction et revenait vers la personne, encore une fois pas un cercle.

Dans ces cas, il n'aurait même pas de sens d'appeler la force transmise à travers la corde une force centripète. C'est simplement une force de tension appliquée sur la balle.

Le mot centripète est juste une façon de décrire toute force agissant perpendiculairement à la vitesse linéaire d'un objet. De nombreux types d'objets ou d'interactions peuvent fournir des forces centripètes.

Par exemple, comme déjà mentionné, une corde tournant en cercle fournit une force centripète à un objet attaché à son extrémité. Une voiture tournant dans un virage subit une force centripète due au frottement entre ses pneus et la route. Un satellite en orbite continue de se déplacer en cercle en raison de la force gravitationnelle fournissant une force centripète vers le centre de la Terre.

Dans chacun de ces cas, si la source de la force centripète était supprimée soudainement, la corde, le frottement ou la gravité, l'objet s'arrêterait de se déplacer en cercle. Plus précisément, il s'envolerait à une tangente à ce cercle avec la vitesse linéaire qu'il aurait.

Parce que la force centripète est dirigée vers le centre de la trajectoire circulaire d'un objet et la force centrifuge n'existe pas pour le contrer, l'objet se déplaçant sur une trajectoire courbe doit subir une force nette vers le centre du cercle.

De la deuxième loi de Newton, F = ma, il s'ensuit qu'une force nette provoque une accélération. En effet, tout ce qui se déplace dans un cercle a une accélération, appelée accélération centripète, vers le centre du cercle.

Cela peut sembler contre-intuitif, étant donné qu'une accélération signifie une vitesse changeante, pourtant beaucoup de choses se déplacent en cercle à une vitesse apparemment constante.

Ici, il est utile de rappeler que la vitesse est un vecteur, avec à la fois une amplitude et une direction, et que changer l'un ou l'autre de ces éléments entraîne une nouvelle vitesse. Lorsqu'un objet se déplace en cercle, sa vitesse linéaire et son accélération centripète changent constamment de direction; à n'importe quel point le long du chemin, les flèches de chaque vecteur seront orientées différemment qu'à n'importe quel autre point le long du chemin.

Ainsi, l'objet continue de voyager à la même vitesse mais avec une direction en constante évolution. Les physiciens décrivent cela comme Mouvement circulaire uniforme.

Parce que la force centripète est toujours perpendiculaire à la vitesse linéaire d'un objet, elle décrit le rayon de la trajectoire circulaire de l'objet. Par conséquent, plus la force centripète est grande, plus le "tirage" vers l'intérieur est fort, plus le cercle sera étroit ou petit, et plus la force centripète sera faible, plus le chemin circulaire sera grand.

Cela peut avoir du sens intuitivement: tirer sur la corde tenant le ballon, ou prendre une courbe sur un surface collante avec plus de friction que sur une surface glissante, comme la glace, entraînera à la fois une plus petite circulaire mouvements. Rappelez-vous simplement que dans n'importe quelle situation, la seule force provoquant le mouvement circulaire est un force centripète vers l'intérieur. Aucune force centrifuge ne pousse jamais un objet "à l'extérieur" dans un cercle.