5.16: Força centrífuga

Pseudo forças, ou forças inerciais fictícias, parecem agir sobre um objeto em movimento em um referencial rotativo em relação a um referencial inercial. Essas forças não são forças reais, mas sim construções matemáticas, e são introduzidas para simplificar cálculos em um referencial não-inercial durante o uso das leis de movimento de Newton. Exemplos comuns de pseudo forças incluem as forças centrífuga, de Coriolis e de Euler. Essas forças são essenciais em áreas de estudo como a mecânica, astrofísica e dinâmica dos fluidos, onde o movimento de objetos em referenciais não-inerciais é comum.

Considere uma bola amarrada a uma corda girando em um plano horizontal. De acordo com a primeira lei do movimento de Newton, quando observada de um referencial inercial, a bola iria viajar em linha reta. No entanto, a tensão na corda fornece uma força centrípeta contínua para manter a bola em movimento em uma trajetória circular. A força centrífuga não é necessária neste quadro inercial, pois todo o movimento pode ser adequadamente descrito usando apenas forças reais e as leis do movimento de Newton.

Agora, considere um referencial girando com a bola ao redor do mesmo eixo que a bola. Vista deste quadro, a bola está parada. No entanto, a força de tensão na corda, ou a força centrípeta, ainda age na bola, sendo direcionada para o eixo de rotação.

Isso contradiz as leis do movimento de Newton, segundo as quais a bola deve acelerar na direção da força aplicada resultante, ou seja, em direção ao eixo de rotação. Introduzir uma força centrífuga igual e oposta à força centrípeta resolve o problema. A força resultante na bola é zero, o que a mantém parada no referencial giratório.

As forças inerciais fictícias são necessárias para formular equações de movimento corretas usando as duas primeiras leis de Newton. No entanto, as forças fictícias não obedecem à terceira lei de Newton, que requer que forças iguais e opostas existam no mesmo referencial. Isso significa que as forças centrífuga e centrípeta não são forças de ação e reação.

Já se perguntou por que uma bola voa para fora em um carrossel giratório?

À medida que o carrossel gira, a bola traça um caminho circular. O componente da força de tensão na corda fornece a força centrípeta necessária para o movimento circular da bola.

A força centrípeta é direcionada para o centro do círculo e é denotada pelo produto da massa do objeto, o quadrado de sua velocidade angular e sua distância do eixo de rotação.

Como a bola voa para fora, segue-se da terceira lei de Newton que a força centrípeta interna deve ter uma força de reação externa igual e oposta. Essa força externa direcionada para longe do centro de rotação é chamada de força centrífuga.

A bola rotativa no carrossel experimenta uma força centrífuga que a empurra para fora, longe do centro de rotação.

A força centrífuga é uma pseudo força. É considerado apenas quando o quadro de observação não é inercial.