Fuerza centrífuga reactiva
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| Mecánica clásica |
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En la mecánica clásica , una fuerza centrífuga reactiva forma parte de un par acción-reacción con una fuerza centrípeta .
De acuerdo con la primera ley de movimiento de Newton , un objeto se mueve en línea recta en ausencia de una fuerza neta que actúe sobre él. Se produce una trayectoria curva cuando actúa sobre él una fuerza que es ortogonal al movimiento del objeto; esta fuerza a menudo se denomina fuerza centrípeta , ya que se dirige hacia el centro de curvatura de la trayectoria. Entonces, de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton , también habrá una fuerza igual y opuesta ejercida por el objeto sobre algún otro objeto, [1] [2] y esta fuerza de reacción a veces se denomina fuerza centrífuga reactiva , ya que se dirige en la dirección opuesta de la fuerza centrípeta.
En el caso de una pelota que se mantiene en movimiento circular mediante una cuerda, la fuerza centrípeta es la fuerza que ejerce la cuerda sobre la pelota. La fuerza centrífuga reactiva, por otro lado, es la fuerza que ejerce la pelota sobre la cuerda, poniéndola bajo tensión .
A diferencia de la fuerza inercial conocida como fuerza centrífuga , que existe únicamente en el marco de referencia giratorio , la fuerza reactiva es una fuerza newtoniana real que se observa en cualquier marco de referencia. Las dos fuerzas solo tendrán la misma magnitud en los casos especiales en los que se presente un movimiento circular y donde el eje de rotación sea el origen del marco de referencia giratorio. [3] [4] [5] [6]
Fuerzas emparejadas
La figura de la derecha muestra una pelota en movimiento circular uniforme que se mantiene en su trayectoria mediante una cuerda atada a un poste inamovible. En este sistema, una fuerza centrípeta ejercida por la cuerda sobre la pelota mantiene el movimiento circular, y la reacción a este movimiento, a la que algunos denominan fuerza centrífuga reactiva , actúa sobre la cuerda y el poste.
La primera ley de Newton requiere que cualquier cuerpo que se mueva a lo largo de cualquier trayectoria que no sea una línea recta esté sujeto a una fuerza neta distinta de cero, y el diagrama de cuerpo libre muestra la fuerza sobre la pelota (panel central) ejercida por la cuerda para mantener la pelota en su movimiento circular.
La tercera ley de acción y reacción de Newton establece que si la cuerda ejerce una fuerza centrípeta hacia adentro sobre la pelota, la pelota ejercerá una reacción igual pero hacia afuera sobre la cuerda, que se muestra en el diagrama de cuerpo libre de la cuerda (panel inferior) como la fuerza centrífuga reactiva .
La cuerda transmite la fuerza centrífuga reactiva de la pelota al poste fijo, tirando del poste. De nuevo, según la tercera ley de Newton, el poste ejerce una reacción sobre la cuerda, denominada reacción del poste , que tira de la cuerda. Las dos fuerzas sobre la cuerda son iguales y opuestas, y no ejercen ninguna fuerza neta sobre la cuerda (suponiendo que la cuerda no tiene masa), sino que la someten a tensión.
La razón por la que el poste parece "inamovible" es porque está fijado a la tierra. Si la bola giratoria estuviera atada al mástil de un barco, por ejemplo, tanto el mástil como la bola experimentarían rotación alrededor de un punto central.
Aplicaciones
Aunque la fuerza centrífuga reactiva rara vez se utiliza en los análisis de la literatura de física, el concepto se aplica en algunos conceptos de ingeniería mecánica. Un ejemplo de este tipo de concepto de ingeniería es el análisis de las tensiones dentro de un álabe de turbina que gira rápidamente. [1] El álabe puede tratarse como una pila de capas que van desde el eje hasta el borde del álabe. Cada capa ejerce una fuerza hacia afuera (centrífuga) sobre la capa inmediatamente adyacente, radialmente hacia adentro, y una fuerza hacia adentro (centrípeta) sobre la capa inmediatamente adyacente, radialmente hacia afuera. Al mismo tiempo, la capa interna ejerce una fuerza centrípeta elástica sobre la capa intermedia, mientras que la capa externa ejerce una fuerza centrífuga elástica, que da como resultado una tensión interna. Son las tensiones en el álabe y sus causas las que principalmente interesan a los ingenieros mecánicos en esta situación.
Otro ejemplo de un dispositivo giratorio en el que se puede identificar una fuerza centrífuga reactiva utilizada para describir el comportamiento del sistema es el embrague centrífugo . Un embrague centrífugo se utiliza en pequeños dispositivos impulsados por motor, como motosierras, karts y helicópteros modelo. Permite que el motor arranque y funcione al ralentí sin accionar el dispositivo, pero activa la transmisión de forma automática y suave a medida que aumenta la velocidad del motor. Se utiliza un resorte para restringir las zapatas giratorias del embrague. A bajas velocidades, el resorte proporciona la fuerza centrípeta a las zapatas, que se mueven a un radio mayor a medida que aumenta la velocidad y el resorte se estira bajo tensión. A velocidades más altas, cuando las zapatas no pueden moverse más hacia afuera para aumentar la tensión del resorte, debido al tambor exterior, el tambor proporciona parte de la fuerza centrípeta que mantiene las zapatas en movimiento en una trayectoria circular. La fuerza de tensión aplicada al resorte y la fuerza hacia afuera aplicada al tambor por las zapatas giratorias son las fuerzas centrífugas reactivas correspondientes. La fuerza mutua entre el tambor y las zapatas proporciona la fricción necesaria para acoplar el eje de transmisión de salida que está conectado al tambor. [7] Por lo tanto, el embrague centrífugo ilustra tanto la fuerza centrífuga ficticia como la fuerza centrífuga reactiva.
Diferencia con la pseudofuerza centrífuga
La "fuerza centrífuga reactiva" de la que se habla en este artículo no es lo mismo que la pseudofuerza centrífuga , que es lo que normalmente se entiende por el término "fuerza centrífuga".
La fuerza centrífuga reactiva, que es la mitad del par de reacción junto con la fuerza centrípeta, es un concepto que se aplica en cualquier sistema de referencia. Esto la distingue de la fuerza centrífuga inercial o ficticia, que aparece solo en sistemas rotatorios.
| Fuerza centrífuga reactiva | Fuerza centrífuga inercial | |
|---|---|---|
Marco de referencia | Cualquier | Solo marcos giratorios |
| Ejercido por | Cuerpos en rotación | Actúa como si emanara del eje de rotación, es una fuerza llamada ficticia. |
| Ejercido sobre | La restricción que provoca la fuerza centrípeta hacia adentro | Todos los cuerpos, en movimiento o no; si se mueven, la fuerza de Coriolis también está presente. |
| Dirección | Opuesto a la fuerza centrípeta | Lejos del eje de rotación, independientemente de la trayectoria del cuerpo |
| Análisis cinético | Parte de un par acción-reacción con una fuerza centrípeta según la tercera ley de Newton | Se incluye como una fuerza ficticia en la segunda ley de Newton y nunca es parte de un par acción-reacción con una fuerza centrípeta. |
Caso gravitacional de dos cuerpos
En una rotación de dos cuerpos, como un planeta y una luna que giran alrededor de su centro de masa común o baricentro , las fuerzas sobre ambos cuerpos son centrípetas. En ese caso, la reacción a la fuerza centrípeta del planeta sobre la luna es la fuerza centrípeta de la luna sobre el planeta. [6]
Referencias
- ^ ab Roche, John (2001). "Introducción del movimiento en un círculo". Educación en Física . 36 (5): 399–405. Bibcode :2001PhyEd..36..399R. doi :10.1088/0031-9120/36/5/305. S2CID 250827660.
- ^ Kobayashi, Yukio (2008). "Observaciones sobre la situación de observación en un marco giratorio". Revista Europea de Física . 29 (3): 599–606. Bibcode :2008EJPh...29..599K. doi :10.1088/0143-0807/29/3/019. S2CID 120947179.
- ^ Delo E. Mook y Thomas Vargish (1987). Inside Relativity. Princeton, Nueva Jersey: Princeton University Press. pág. 47. ISBN 0-691-02520-7.
- ^ JS Brar y RK Bansal (2004). Un libro de texto sobre teoría de máquinas (3.ª ed.). Firewall Media. pág. 39. ISBN 9788170084181.
- ^ De Volson Wood (1884). Los elementos de la mecánica analítica: sólidos y fluidos (4.ª ed.). J. Wiley & sons. pág. 310.
- ^ ab G. David Scott (1957). "Fuerzas centrífugas y leyes de movimiento de Newton". Vol. 25. American Journal of Physics. pág. 325. doi :10.1119/1.1934450.
- ^ Anthony G. Atkins, Tony Atkins y Marcel Escudier (2013). Diccionario de ingeniería mecánica. Oxford University Press. pág. 53. ISBN 9780199587438. Recuperado el 5 de junio de 2014 .
