Qué Es La Fuerza Centrípeta? Definición y Ecuaciones

La fuerza centrípeta se define como la fuerza que actúa sobre un cuerpo que se mueve en una trayectoria circular que se dirige hacia el centro alrededor del cual se mueve el cuerpo. El término proviene de las palabras latinas centro para "centro" y petre, que significa " buscar."

La fuerza centrípeta puede considerarse la fuerza que busca el centro. Su dirección es ortogonal (en ángulo recto) al movimiento del cuerpo en la dirección hacia el centro de curvatura de la trayectoria del cuerpo. La fuerza centrípeta altera la dirección del movimiento de un objeto sin cambiar su velocidad.

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Diferencia entre Fuerza Centrípeta y Centrífuga

Mientras que la fuerza centrípeta actúa para atraer un cuerpo hacia el centro del punto de rotación, la fuerza centrífuga (fuerza de" fuga del centro") se aleja del centro.

De acuerdo con la Primera Ley de Newton, " un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, mientras que un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa."En otras palabras, si las fuerzas que actúan sobre un objeto están equilibradas, el objeto continuará moviéndose a un ritmo constante sin aceleración.

La fuerza centrípeta permite que un cuerpo siga una trayectoria circular sin salirse volando en una tangente al actuar continuamente en ángulo recto con su trayectoria. De esta manera, actúa sobre el objeto como una de las fuerzas de la Primera Ley de Newton, manteniendo así la inercia del objeto.

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La Segunda Ley de Newton también se aplica en el caso de la requisito de fuerza centrípeta, que dice que si un objeto se mueve en círculo, la fuerza neta que actúa sobre él debe ser hacia adentro. La Segunda Ley de Newton dice que un objeto que se acelera experimenta una fuerza neta, con la dirección de la fuerza neta igual a la dirección de la aceleración. Para un objeto que se mueve en círculo, la fuerza centrípeta (la fuerza neta) debe estar presente para contrarrestar la fuerza centrífuga.

Desde el punto de vista de un objeto estacionario en el marco de referencia giratorio (por ejemplo, un asiento en un columpio), el centrípeto y el centrífugo son iguales en magnitud, pero opuestos en dirección. La fuerza centrípeta actúa sobre el cuerpo en movimiento, mientras que la fuerza centrífuga no. Por esta razón, la fuerza centrífuga a veces se denomina fuerza" virtual".

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Cómo Calcular la Fuerza Centrípeta

La representación matemática de la fuerza centrípeta fue derivada por el físico holandés Christiaan Huygens en 1659. Para un cuerpo que sigue una trayectoria circular a velocidad constante, el radio del círculo (r) es igual a la masa del cuerpo (m) multiplicado por el cuadrado de la velocidad (v) dividido por la fuerza centrípeta (F):

r = mv²/F

La ecuación se puede reorganizar para resolver la fuerza centrípeta:

F = mv²/r

Un punto importante que debes tener en cuenta de la ecuación es que la fuerza centrípeta es proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto significa que duplicar la velocidad de un objeto necesita cuatro veces la fuerza centrípeta para mantener el objeto en movimiento en un círculo. Un ejemplo práctico de esto se ve cuando se toma una curva cerrada con un automóvil. Aquí, la fricción es la única fuerza que mantiene los neumáticos del vehículo en la carretera. El aumento de la velocidad aumenta en gran medida la fuerza, por lo que es más probable que se produzca un deslizamiento.

También tenga en cuenta que el cálculo de la fuerza centrípeta supone que no actúan fuerzas adicionales sobre el objeto.

Fórmula de Aceleración Centrípeta

Otro cálculo común es la aceleración centrípeta, que es el cambio en la velocidad dividido por el cambio en el tiempo. La aceleración es el cuadrado de la velocidad dividido por el radio del círculo:

Δv / Δt = a = v²/r

Aplicaciones Prácticas de la Fuerza Centrípeta

El ejemplo clásico de fuerza centrípeta es el caso de un objeto que se balancea sobre una cuerda. Aquí, la tensión en la cuerda suministra la fuerza centrípeta de "tracción".

La fuerza centrípeta es la fuerza de "empuje" en el caso de un motociclista de la Pared de la Muerte.

La fuerza centrípeta se utiliza para centrifugadoras de laboratorio. Aquí, las partículas que están suspendidas en un líquido se separan del líquido mediante tubos de aceleración orientados de modo que las partículas más pesadas (es decir, objetos de mayor masa) se empujan hacia el fondo de los tubos. Aunque las centrifugadoras comúnmente separan sólidos de líquidos, también pueden fraccionar líquidos, como en muestras de sangre, o separar componentes de gases.

Las centrifugadoras de gas se utilizan para separar el isótopo más pesado uranio-238 del isótopo más ligero uranio-235. El isótopo más pesado es atraído hacia el exterior de un cilindro giratorio. La fracción pesada se extrae y se envía a otra centrífuga. El proceso se repite hasta que el gas está suficientemente "enriquecido"."

Se puede hacer un telescopio de espejo líquido (LMT) girando un metal líquido reflectante, como el mercurio. La superficie del espejo adopta una forma paraboloide porque la fuerza centrípeta depende del cuadrado de la velocidad. Debido a esto, la altura del metal líquido que gira es proporcional al cuadrado de su distancia desde el centro. La forma interesante asumida por los líquidos giratorios se puede observar girando un cubo de agua a una velocidad constante.