5.16: Forza centrifuga

Le pseudo-forze, o forze fittizie, sembrano agire su un oggetto in movimento in un sistema di riferimento rotante rispetto a un sistema di riferimento inerziale. Queste forze non sono forze reali ma piuttosto costrutti matematici e vengono introdotte per semplificare i calcoli in un sistema di riferimento non inerziale utilizzando le leggi del moto di Newton. Esempi comuni di pseudo-forze includono la forza centrifuga, la forza di Coriolis e la forza di Euler. Queste forze sono fondamentali in campi come la meccanica, l'astrofisica e la dinamica dei fluidi, dove il moto degli oggetti in sistemi di riferimento non inerziali è comune.

Consideriamo una pallina legata a una corda che ruota in un piano orizzontale. Secondo la prima legge del moto di Newton, osservando da un sistema di riferimento inerziale, la pallina procederebbe in linea retta. Tuttavia, la tensione nella corda fornisce la forza centripeta continuamente per mantenere la pallina in movimento lungo un percorso circolare. In questo sistema di riferimento inerziale, la forza centrifuga non è necessaria poiché tutto il moto può essere adeguatamente descritto utilizzando solo forze reali e le leggi del moto di Newton.

Ora, consideriamo un sistema di riferimento che ruota con la pallina intorno allo stesso asse della pallina. Visto da questo sistema, la pallina è ferma. Tuttavia, la forza di tensione nella corda o la forza centripeta agisce comunque sulla pallina diretta verso l'asse di rotazione.

Questo contrasta con le leggi del moto di Newton, secondo le quali la pallina deve accelerare nella direzione della forza netta applicata, cioè verso l'asse di rotazione. Introducendo una forza centrifuga uguale e opposta alla forza centripeta si risolve il problema. La forza netta sulla pallina è zero, il che la mantiene ferma nel sistema di riferimento rotante.

Le forze fittizie sono necessarie per formulare corrette equazioni del moto utilizzando le prime due leggi di Newton. Tuttavia, le forze fittizie non rispettano la terza legge di Newton, che richiede che le forze uguali e opposte esistano nello stesso sistema di riferimento. Ciò significa che le forze centrifughe e centripete non sono forze azione e reazione.

Vi siete mai chiesti perché una palla vola verso l'esterno in una giostra rotante?

Mentre la giostra ruota, la palla traccia un percorso circolare. La componente della forza di tensione nella corda fornisce la forza centripeta necessaria per il movimento circolare della palla.

La forza centripeta è diretta verso il centro del cerchio ed è indicata dal prodotto della massa dell'oggetto, del quadrato della sua velocità angolare e della sua distanza dall'asse di rotazione.

Poiché la palla vola verso l'esterno, dalla terza legge di Newton segue che la forza centripeta verso l'interno dovrebbe avere una forza di reazione verso l'esterno uguale e opposta. Questa forza verso l'esterno diretta lontano dal centro di rotazione è chiamata forza centrifuga.

La sfera rotante nella giostra subisce una forza centrifuga che la spinge verso l'esterno lontano dal centro di rotazione.

La forza centrifuga è una pseudo forza. Viene considerato solo quando il sistema di osservazione non è inerziale.