Forza centripeta e forza centrifuga: qual è la differenza e perché è importante

Forza centripeta e forza centrifuga sono due termini che gli studenti di fisica comunemente confondono o fraintendono.

Un tipico malinteso è che la forza centripeta è diretta verso il centro del percorso circolare di un oggetto, mentre la forza centrifuga è diretta verso l'esterno, come se i due agissero in direzioni opposte. Tuttavia, solo uno di questi è in realtà un vero vigore!

L'unica forza che causa il movimento circolare di un oggetto è forza centripeta, che è sempre diretto verso il centro del percorso circolare. Se un'auto sta percorrendo una curva, ad esempio, la forza centripeta che la fa muovere in una curva anziché in una linea retta è diretta lungo il raggio del cerchio che l'auto sta tracciando.

• La forza centrifuga è una forza fittizia, nel senso che lo è non una vera forza. Forza centripeta è reale.

Forza centrifuga, d'altro canto, non esiste. Come il condensatore di flusso di "Ritorno al futuro", il termine è stato inventato per aiutare a descrivere qualcosa di immaginario, sebbene basato su alcune osservazioni reali. Gli effetti del movimento in cerchio tendono a far sembrare un oggetto come se stesse "volando" verso l'esterno e l'idea di un

Quando un'auto fa una svolta brusca a sinistra, i passeggeri potrebbero sentirsi "gettati" a destra dell'auto. O nella parte inferiore di un anello su un ottovolante, i ciclisti potrebbero sentirsi spinti verso il basso nei loro sedili.

Questi sentimenti sono il risultato di inerzia; tuttavia, non una forza (sebbene possa essere definita an forza apparente). L'inerzia descrive la tendenza di un oggetto a resistere ai cambiamenti nel suo moto, come descritto dalla prima legge di Newton, la legge dell'inerzia.

Quando l'auto fa una svolta improvvisa, o le montagne russe si tuffano, i corpi umani all'interno si stanno già muovendo con una certa velocità in una particolare direzione. Secondo la Legge di Inerzia, questi corpi inizialmente resistere cambiando le loro velocità.

I passeggeri stanno ancora avanzando nello spazio quando l'auto inizia a girare bruscamente a sinistra, quindi invece di essere "buttata a destra", l'auto è in realtà schiantarsi contro di loro da sinistra mentre si muove improvvisamente. Una volta che i loro corpi si avvicinano e iniziano a muoversi anche a sinistra, la sensazione di schianto finisce.

Allo stesso modo nelle montagne russe, i corpi si stanno ancora muovendo verso il basso quando le montagne russe iniziano a spingerli verso l'alto. Fino a quando i loro corpi non raggiungono la nuova velocità delle montagne russe, si sentono come se venissero lanciati contro l'esterno dei carri. I loro corpi si stanno ancora muovendo verso i carri mentre i carri ora si muovono verso i loro corpi.

La forza centripeta è solo una parte della ricetta per far muovere qualcosa in un cerchio. L'altro ingrediente è velocità lineare. Un oggetto deve essere in movimento quando una forza centripeta agisce ad angolo retto rispetto al suo movimento affinché si muova in un cerchio.

Considera una palla all'estremità di una corda. Perché una persona lo faccia girare intorno alla testa, deve prima dargli un lancio con qualche componente orizzontale (in altre parole, non direttamente dentro o lontano da se stesso). La persona tende la corda e la palla inizia a circondarla invece di volare via.

Affinché la palla sulla fune continui a girare, devono continuare a succedere due cose: la persona deve continuare a tendere la fune (tirandola all'interno), e devono continuare ad aggiungere leggere spinte orizzontali per mantenere il movimento lineare della palla, che altrimenti rallenterebbe per attrito con l'aria. (Nello spazio, tuttavia, la persona sarebbe solo bisogno di tirare la corda insegnata poiché la palla non perderebbe la sua velocità lineare durante la rotazione nel vuoto.)

Se la palla non si muoveva e la persona ha tirato la corda tesa, la palla si sarebbe semplicemente spostata verso l'interno verso la persona, non un cerchio. Se la palla si muoveva direttamente fuori dalla persona e tiravano la corda, prima la palla rallentava, poi cambiava direzione e tornava indietro verso la persona, ancora una volta non un cerchio.

In questi casi non avrebbe nemmeno senso chiamare centripeta la forza trasmessa attraverso la fune. È semplicemente una forza di tensione applicata sulla palla.

La parola centripeta è solo un modo per descrivere qualsiasi forza che agisce perpendicolarmente alla velocità lineare di un oggetto. Molti tipi di oggetti o interazioni possono fornire forze centripete.

Ad esempio, come già accennato, una corda che gira in circolo fornisce forza centripeta a un oggetto legato all'estremità di essa. Un'auto che gira in curva subisce una forza centripeta dall'attrito tra i suoi pneumatici e la strada. Un satellite in orbita continua a muoversi in circolo a causa della forza gravitazionale che fornisce una forza centripeta verso il centro della Terra.

In ciascuno di questi casi, se la sorgente della forza centripeta venisse rimossa improvvisamente, la fune, l'attrito o la gravità, l'oggetto smetterebbe di muoversi in circolo. Più specificamente, volerebbe via tangente a quel cerchio con qualunque velocità lineare avesse.

Poiché la forza centripeta è diretta verso il centro del percorso circolare di un oggetto e la forza centrifuga non esiste per contrastarlo, l'oggetto che si muove in un percorso curvo deve sperimentare un forza netta verso il centro del cerchio.

Dalla seconda legge di Newton, F = ma, ne segue che una forza netta provoca un'accelerazione. Infatti, qualsiasi cosa si muova in un cerchio ha un'accelerazione, indicata come accelerazione centripeta, verso il centro del cerchio.

Questo può sembrare controintuitivo, considerando che un'accelerazione significa una velocità variabile, eppure molte cose si muovono in un cerchio a una velocità apparentemente costante.

Qui è utile ricordare che la velocità è un vettore, con sia una grandezza che una direzione, e la modifica di una di queste determina una nuova velocità. Quando un oggetto si muove in un cerchio, sia la sua velocità lineare che l'accelerazione centripeta cambiano continuamente direzione; in qualsiasi punto lungo il percorso, le frecce per ciascun vettore saranno rivolte in una direzione diversa rispetto a qualsiasi altro punto lungo il percorso.

Quindi l'oggetto continua a viaggiare al stessa velocità ma con una direzione in continuo cambiamento. I fisici descrivono questo come moto circolare uniforme.

Poiché la forza centripeta è sempre perpendicolare alla velocità lineare di un oggetto, descrive il raggio del percorso circolare dell'oggetto. Pertanto, maggiore è la forza centripeta, più forte è lo "strattone" verso l'interno, più stretto o più piccolo sarà il cerchio e più libera sarà la forza centripeta, maggiore sarà il percorso circolare.

Questo potrebbe avere un senso intuitivamente: tirare la corda che tiene la palla o fare una curva su a una superficie appiccicosa con più attrito rispetto a una liscia, come il ghiaccio, risulterà entrambe in una circonferenza più piccola movimenti. Ricorda solo che in ogni situazione l'unica forza che causa il movimento circolare è un verso l'interno, forza centripeta. Nessuna forza centrifuga spinge mai un oggetto "fuori" in un cerchio.