Che cos'è la forza centripeta? Definizione ed equazioni

La forza centripeta è definita come la forza che agisce su un corpo che si muove in un percorso circolare che è diretto verso il centro attorno al quale si muove il corpo. Il termine deriva dalle parole latine centrum per "center" e petere, significa "cercare".

La forza centripeta può essere considerata la forza che cerca il centro. La sua direzione è ortogonale (ad angolo retto) al movimento del corpo nella direzione verso il centro di curvatura del percorso del corpo. La forza centripeta modifica la direzione del movimento di un oggetto senza modificarne la velocità.

Key Takeaways: Centripetal Force

• La forza centripeta è la forza su un corpo che si muove in un cerchio che punta verso l'interno verso il punto attorno al quale si muove l'oggetto.
• La forza nella direzione opposta, che punta verso l'esterno dal centro di rotazione, è chiamata forza centrifuga.
• Per un corpo rotante, le forze centripete e centrifughe sono uguali in grandezza, ma opposte in direzione.

Differenza tra forza centripeta e forza centrifuga

Mentre la forza centripeta agisce per attirare un corpo verso il centro del punto di rotazione, la forza centrifuga (forza "in fuga dal centro") si allontana dal centro.

Secondo la Prima Legge di Newton, "un corpo a riposo rimarrà a riposo, mentre un corpo in movimento rimarrà in movimento a meno che non venga agito da una forza esterna". In altre parole, se le forze che agiscono su un oggetto sono bilanciate, l'oggetto continuerà a muoversi a un ritmo costante senza accelerazione.

La forza centripeta consente a un corpo di seguire un percorso circolare senza volare via da una tangente, agendo continuamente ad angolo retto rispetto al suo percorso. In questo modo, agisce sull'oggetto come una delle forze della Prima Legge di Newton, mantenendo così l'inerzia dell'oggetto.

La seconda legge di Newton si applica anche nel caso del requisito di forza centripeta, che dice che se un oggetto deve muoversi in un cerchio, la forza netta che agisce su di esso deve essere verso l'interno. La Seconda Legge di Newton afferma che un oggetto in fase di accelerazione subisce una forza netta, con la direzione della forza netta uguale alla direzione dell'accelerazione. Per un oggetto che si muove in un cerchio, la forza centripeta (la forza netta) deve essere presente per contrastare la forza centrifuga.

Dal punto di vista di un oggetto fermo sul telaio di riferimento rotante (ad es. Una sede su un'altalena), il centripeto e il centrifugo sono uguali in grandezza, ma nella direzione opposta. La forza centripeta agisce sul corpo in movimento, mentre la forza centrifuga no. Per questo motivo, la forza centrifuga viene talvolta chiamata forza "virtuale".

Come calcolare la forza centripeta

La rappresentazione matematica della forza centripeta è stata derivata dal fisico olandese Christiaan Huygens nel 1659. Per un corpo che segue un percorso circolare a velocità costante, il raggio del cerchio (r) è uguale alla massa del corpo (m) per il quadrato della velocità (v) diviso per la forza centripeta (F):

r = mv²/ F

L'equazione può essere riorganizzata per risolvere la forza centripeta:

F = mv²/ r

Un punto importante che dovresti notare dall'equazione è che la forza centripeta è proporzionale al quadrato della velocità. Ciò significa che il raddoppio della velocità di un oggetto ha bisogno di quattro volte la forza centripeta per mantenere l'oggetto in movimento in un cerchio. Un esempio pratico di questo è visto quando si prende una curva acuta con un'automobile. Qui, l'attrito è l'unica forza che mantiene le gomme del veicolo sulla strada. L'aumento della velocità aumenta notevolmente la forza, quindi una sbandata diventa più probabile.

Si noti inoltre che il calcolo della forza centripeta presuppone che nessuna forza aggiuntiva agisca sull'oggetto.

Formula di accelerazione centripeta

Un altro calcolo comune è l'accelerazione centripeta, che è la variazione di velocità divisa per la variazione nel tempo. L'accelerazione è il quadrato della velocità diviso per il raggio del cerchio:

Δv / Δt = a = v²/ r

Applicazioni pratiche della forza centripeta

Il classico esempio di forza centripeta è il caso di un oggetto fatto oscillare su una corda. Qui, la tensione sulla fune fornisce la forza di "trazione" centripeta.

La forza centripeta è la forza di "spinta" nel caso di un motociclista del Muro della Morte.

La forza centripeta viene utilizzata per centrifughe da laboratorio. Qui, le particelle che sono sospese in un liquido sono separate dal liquido accelerando i tubi orientati in modo che le particelle più pesanti (cioè oggetti di massa maggiore) siano tirate verso il fondo dei tubi. Mentre le centrifughe separano comunemente i solidi dai liquidi, possono anche frazionare i liquidi, come nei campioni di sangue, o separare i componenti dei gas.

Le centrifughe a gas vengono utilizzate per separare l'isotopo più pesante uranio-238 dall'isotopo più leggero uranio-235. L'isotopo più pesante viene attirato verso l'esterno di un cilindro rotante. La frazione pesante viene sfruttata e inviata a un'altra centrifuga. Il processo viene ripetuto fino a quando il gas non è sufficientemente "arricchito".

Un telescopio a specchio liquido (LMT) può essere realizzato ruotando un metallo liquido riflettente, come il mercurio. La superficie dello specchio assume una forma paraboloide perché la forza centripeta dipende dal quadrato della velocità. Per questo motivo, l'altezza del metallo liquido rotante è proporzionale al quadrato della sua distanza dal centro. La forma interessante assunta dalla rotazione dei liquidi può essere osservata facendo girare un secchio d'acqua a velocità costante.