5.16: Force centrifuge

Les pseudoforces, ou forces fictives, semblent agir sur un objet en mouvement dans un référentiel en rotation par rapport à un référentiel inertiel. Ces forces ne sont pas réelles, mais plutôt des constructions mathématiques, introduites pour simplifier les calculs dans un référentiel non inertiel tout en utilisant les lois du mouvement de Newton. Des exemples courants de pseudoforces incluent les forces centrifuges, Coriolis et Euler. Ces forces sont essentielles dans des domaines tels que la mécanique, l'astrophysique et la dynamique des fluides, où le mouvement d'objets dans des référentiels non inertiels est couramment rencontré.

Considérons une balle attachée à une corde tournoyant dans un plan horizontal. Selon la première loi du mouvement de Newton, observée à partir d'un référentiel inertiel, la balle se déplacerait en ligne droite. Cependant, la tension dans la corde fournit en continu la force centripète nécessaire pour maintenir la balle en mouvement sur une trajectoire circulaire. La force centrifuge n'est pas requise dans ce référentiel inertiel, car tout mouvement peut être adéquatement décrit en utilisant uniquement des forces réelles et les lois du mouvement de Newton.

Maintenant, considérons un référentiel en rotation avec la balle autour du même axe que la balle. Vu de ce référentiel, la balle est immobile. Cependant, la force de tension dans la corde ou la force centripète agit toujours sur la balle dirigée vers l'axe de rotation.

Cela contredit les lois du mouvement de Newton, selon lesquelles la balle doit accélérer dans la direction de la force appliquée nette, c'est-à-dire vers l'axe de rotation. L'introduction d'une force centrifuge égale et opposée à la force centripète résout le problème. La force nette sur la balle est nulle, ce qui la maintient immobile dans le référentiel en rotation.

Les forces fictives sont nécessaires pour formuler les équations de mouvement correctes en utilisant les deux premières lois de Newton. Cependant, les forces fictives ne respectent pas la troisième loi de Newton, qui exige que les forces égales et opposées existent dans le même référentiel. Cela signifie que les forces centrifuges et centripètes ne sont pas des forces d'action et de réaction.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi une balle vole vers l’extérieur dans un manège rotatif ?

Lorsque le manège tourne, la balle trace une trajectoire circulaire. La composante de la force de tension dans la corde fournit la force centripète nécessaire au mouvement circulaire de la balle.

La force centripète est dirigée vers le centre du cercle et est désignée par le produit de la masse de l'objet, du carré de sa vitesse angulaire et de sa distance par rapport à l'axe de rotation.

Puisque la balle vole vers l'extérieur, il s'ensuit de la troisième loi de Newton que la force centripète vers l'intérieur doit avoir une force de réaction vers l'extérieur égale et opposée. Cette force vers l’extérieur dirigée à l’opposé du centre de rotation est appelée force centrifuge.

La balle en rotation dans le manège subit une force centrifuge qui la pousse vers l’extérieur en s’éloignant du centre de rotation.

La force centrifuge est une pseudo-force. Il n’est envisagé que lorsque le cadre d’observation est non inertiel.