5.16: La fuerza centrífuga

Las fuerzas pseudo o fuerzas ficticias parecen actuar sobre un objeto en movimiento en un marco de referencia rotativo con respecto a un marco de referencia inercial. Estas fuerzas no son fuerzas reales, sino más bien construcciones matemáticas y se introducen para simplificar cálculos en un marco de referencia no inercial utilizando las leyes del movimiento de Newton. Ejemplos comunes de fuerzas pseudo incluyen fuerzas centrífugas, de Coriolis y de Euler. Estas fuerzas son esenciales en campos como la mecánica, la astrofísica y la dinámica de fluidos, donde el movimiento de objetos en marcos de referencia no inerciales se encuentra comúnmente.

Considera una pelota atada a una cuerda girando en un plano horizontal. Según la primera ley del movimiento de Newton, cuando se observa desde un marco de referencia inercial, la pelota se movería en línea recta. Sin embargo, la tensión en la cuerda proporciona la fuerza centrípeta continuamente para mantener la pelota moviéndose en una trayectoria circular. La fuerza centrífuga no es necesaria en este marco inercial, ya que todo el movimiento puede describirse adecuadamente utilizando solo fuerzas reales y las leyes del movimiento de Newton.

Ahora, considera un marco de referencia que gira con la pelota alrededor del mismo eje que la pelota. Desde este marco, la pelota está quieta. Sin embargo, la fuerza de tensión en la cuerda o la fuerza centrípeta aún actúan sobre la pelota dirigidas hacia el eje de rotación.

Esto contradice las leyes del movimiento de Newton, según las cuales la pelota debe acelerar en la dirección de la fuerza neta aplicada, es decir, hacia el eje de rotación. La introducción de una fuerza centrífuga igual y opuesta a la fuerza centrípeta resuelve el problema. La fuerza neta sobre la pelota es cero, lo que la mantiene quieta en el marco de referencia giratorio.

Las fuerzas ficticias son necesarias para formular ecuaciones de movimiento correctas utilizando las primeras dos leyes de Newton. Sin embargo, las fuerzas ficticias no obedecen la tercera ley de Newton, que requiere que las fuerzas iguales y opuestas existan en el mismo marco de referencia. Esto significa que las fuerzas centrífugas y centrípetas no son fuerzas de acción y reacción.

¿Alguna vez te has preguntado por qué una pelota vuela hacia afuera en un tiovivo giratorio?

A medida que el tiovivo gira, la bola traza un camino circular. El componente de la fuerza de tensión en la cuerda proporciona la fuerza centrípeta necesaria para el movimiento circular de la bola.

La fuerza centrípeta se dirige hacia el centro del círculo y se denota por el producto de la masa del objeto, el cuadrado de su velocidad angular y su distancia al eje de rotación.

Dado que la bola vuela hacia afuera, se deduce de la tercera ley de Newton que la fuerza centrípeta hacia adentro debe tener una fuerza de reacción hacia afuera igual y opuesta. Esta fuerza hacia afuera dirigida lejos del centro de rotación se denomina fuerza centrífuga.

La bola giratoria en el tiovivo experimenta una fuerza centrífuga que la empuja hacia afuera, alejándola del centro de rotación.

La fuerza centrífuga es una pseudo fuerza. Sólo se considera cuando el marco de observación no es inercial.