Fuerza centrífuga reactiva
En 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 el objeto. Sin embargo, puede producirse una trayectoria curva cuando tal fuerza actúa sobre ella; esta fuerza a menudo se denomina fuerza centrípeta, ya que está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria. Entonces, de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton, también habrá una fuerza igual y opuesta ejercida por el objeto sobre algún otro objeto, como una restricción que obliga a la trayectoria a ser curva, y esta fuerza de reacción, el tema de este artículo., a veces se denomina fuerza centrífuga reactiva, ya que se dirige en dirección opuesta a la fuerza centrípeta.
A diferencia de la fuerza de inercia o fuerza ficticia conocida como fuerza centrífuga, que siempre existe además de la fuerza reactiva 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 surge el movimiento circular y donde el eje de rotación es el origen del marco de referencia giratorio. Es la fuerza reactiva que es el tema de este artículo.
Fuerzas emparejadas
La figura de la derecha muestra una pelota en movimiento circular uniforme sostenida en su camino por una cuerda atada a un poste inamovible. En este sistema, una fuerza centrípeta sobre la pelota proporcionada por la cuerda mantiene el movimiento circular, y la reacción a ella, a la que algunos se refieren como 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 camino 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 el reactivo fuerza centrífuga.
La cuerda transmite la fuerza centrífuga reactiva de la pelota al poste fijo, tirando del poste. Nuevamente, de acuerdo con la tercera ley de Newton, el poste ejerce una reacción sobre la cuerda, llamada post reacción, tirando de la cuerda. Las dos fuerzas sobre la cuerda son iguales y opuestas, no ejercen una fuerza neta sobre la cuerda (suponiendo que la cuerda no tiene masa), pero la ponen bajo 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, el mástil y la bola del barco experimentarían una rotación alrededor de un punto central.
Aplicaciones
Aunque la centrífuga reactiva rara vez se usa en análisis en la literatura de física, el concepto se aplica dentro de algunos conceptos de ingeniería mecánica. Un ejemplo de este tipo de concepto de ingeniería es un análisis de las tensiones dentro de un álabe de turbina que gira rápidamente.La hoja se puede tratar como una pila de capas que van desde el eje hasta el borde de la hoja. 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 interior ejerce una fuerza centrípeta elástica sobre la capa intermedia, mientras que la capa exterior ejerce una fuerza centrífuga elástica, lo que da como resultado una tensión interna. Son las tensiones en el álabe y sus causas lo que interesa principalmente 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 accionados por motor, como motosierras, karts y modelos de helicópteros. Permite que el motor arranque y funcione en ralentí sin conducir el dispositivo, pero automáticamente y sin problemas activa la transmisión a medida que aumenta la velocidad del motor. Se utiliza un resorte para restringir las zapatas del embrague que giran. 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 para aumentar la tensión del resorte, debido al tambor exterior, el tambor proporciona parte de la fuerza centrípeta que mantiene a las zapatas moviéndose 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 correspondientes fuerzas centrífugas reactivas. La fuerza mutua entre el tambor y las zapatas proporciona la fricción necesaria para engranar el eje impulsor de salida que está conectado al tambor.Así, el embrague centrífugo ilustra tanto la fuerza centrífuga ficticia como la fuerza centrífuga reactiva.
Diferencia de pseudofuerza centrífuga
La "fuerza centrífuga reactiva" discutida en este artículo no es lo mismo que la pseudofuerza centrífuga, que generalmente es lo que se entiende por el término "fuerza centrífuga".
La fuerza centrífuga reactiva, siendo la mitad del par de reacción junto con la fuerza centrípeta, es un concepto que se aplica en cualquier marco de referencia. Esto la distingue de la fuerza centrífuga inercial o ficticia, que aparece solo en marcos giratorios.
| Fuerza centrífuga reactiva | Fuerza centrífuga de inercia | |
|---|---|---|
| Marco de referencia | Ningún | Solo marcos giratorios |
| ejercido por | Cuerpos en rotación | Actúa como si emanara del eje de rotación,es una llamada fuerza ficticia |
| ejercido sobre | La restricción que causa la fuerza centrípeta hacia adentro. | Todos los cuerpos, en movimiento o no;si se mueve, la fuerza de Coriolis también está presente |
| Dirección | Opuesto a lafuerza centrípeta | Lejos del eje de rotación,independientemente de la trayectoria del cuerpo |
| Análisis cinético | Parte de un par acción-reacción con una fuerza centrípeta segúnla tercera ley de Newton | Incluido como una fuerza ficticia enla segunda ley de Newtony nunca es parte de un par acción-reacción con una fuerza centrípeta |
Caso de dos cuerpos gravitacional
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 en 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.