¿Qué son las fuerzas centrífugas y centrípeta?

La fuerza centrífuga es omnipresente en nuestra vida cotidiana, pero ¿es lo que pensamos que es?

Lo experimentamos cuando doblamos una esquina en un coche o cuando un avión se tambalea en una curva. Lo vemos en el ciclo de giro de una lavadora o cuando los niños montan en un tiovivo. Un día puede incluso proporcionar gravedad artificial para naves espaciales y estaciones espaciales.

Pero la fuerza centrífuga se confunde a menudo con su contraparte, la fuerza centrípeta, porque están tan estrechamente relacionadas -esencialmente dos caras de la misma moneda.

La fuerza centrípeta se define como «la fuerza necesaria para mantener un objeto en movimiento en una trayectoria curva y que se dirige hacia el centro de rotación», mientras que la fuerza centrífuga se define como «la fuerza aparente que siente un objeto que se mueve en una trayectoria curva que actúa hacia afuera alejándose del centro de rotación», según el diccionario Merriam Webster.

Nótese que mientras que la fuerza centrípeta es una fuerza real, la fuerza centrífuga se define como una fuerza aparente. En otras palabras, cuando se hace girar una masa sobre una cuerda, la cuerda ejerce una fuerza centrípeta hacia adentro sobre la masa, mientras que la masa parece ejercer una fuerza centrífuga hacia afuera sobre la cuerda.

«La diferencia entre la fuerza centrípeta y la centrífuga tiene que ver con diferentesmarcos de referencia, es decir, diferentes puntos de vista desde los que se mide algo», dijo Andrew A. Ganse, físico investigador de la Universidad de Washington. «La fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga son exactamente la misma fuerza, justo en direcciones opuestas porque se experimentan desde diferentes marcos de referencia.»

Si se observa un sistema rotatorio desde el exterior, se observa una fuerza centrípeta interna que actúa para limitar el cuerpo rotatorio a una trayectoria circular. Sin embargo, si eres parte del sistema rotatorio, experimentas una aparente fuerza centrífuga que te aleja del centro del círculo, aunque lo que realmente estás sintiendo es la fuerza centrípeta interna que está impidiendo que literalmente salgas por la tangente.

Las fuerzas obedecen las Leyes del Movimiento de Newton

Esta aparente fuerza externa se describe en las Leyes del Movimiento de Newton. La Primera Ley de Newton establece que «un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él».

Si un cuerpo masivo se mueve a través del espacio en línea recta, su inercia hará que continúe en línea recta a menos que una fuerza externa lo haga acelerar, disminuir la velocidad o cambiar de dirección. Para que pueda seguir una trayectoria circular sin cambiar la velocidad, debe aplicarse una fuerza centrípeta continua en ángulo recto a su trayectoria. El radio (r) de este círculo es igual a la masa (m) multiplicada por el cuadrado de la velocidad (v) dividido por la fuerza centrípeta (F), o r = mv^2/F. La fuerza puede calcularse simplemente reorganizando la ecuación, F= mv^2/r.

La Tercera Ley de Newton dice que «para cada acción, hay una reacción igual y opuesta». Así como la gravedad hace que ejerzas una fuerza sobre el suelo, el suelo parece ejercer una fuerza igual y opuesta sobre tus pies. Cuando usted está en un automóvil que acelera, el asiento ejerce una fuerza hacia adelante sobre usted de la misma manera que usted parece ejercer una fuerza hacia atrás sobre el asiento.

En el caso de un sistema rotativo, la fuerza centrípeta tira de la masa hacia adentro para seguir un camino curvo, mientras que la masa parece empujar hacia afuera debido a su inercia. En cada uno de estos casos, sin embargo, sólo se aplica una fuerza real, mientras que la otra es sólo una fuerza aparente.

Las centrifugadoras de laboratorio giran rápidamente y ejercen una fuerza centrípeta sobre líquidos como la sangre, que luego se separan en función de su densidad (Fotografía: Shutterstock).

Ejemplos de fuerza centrípeta en acción

Existen muchas aplicaciones que aprovechan la fuerza centrípeta. Una es simular la aceleración de un lanzamiento espacial para el entrenamiento de astronautas. Cuando se lanza un cohete por primera vez, está tan cargado de combustible y oxidante que apenas puede moverse. Sin embargo, a medida que asciende, quema combustible a un ritmo tremendo, perdiendo masa continuamente. La Segunda Ley de Newton establece que la fuerza es igual a la masa por la aceleración, o F = ma.

En la mayoría de las situaciones, la masa permanece constante. Con un cohete, sin embargo, su masa cambia drásticamente, mientras que la fuerza, en este caso el empuje de los motores de los cohetes, permanece casi constante. Esto hace que la aceleración hacia el final de la fase de impulsión aumente hasta varias veces la de la gravedad normal. La NASA utiliza grandes centrífugas para preparar a los astronautas para esta aceleración extrema. En esta aplicación, la fuerza centrípeta es proporcionada por el respaldo del asiento que empuja hacia adentro al astronauta.

Otro ejemplo de la aplicación de la fuerza centrípeta es la centrífuga de laboratorio, que se utiliza para acelerar la precipitación de partículas suspendidas en el líquido. Un uso común de esta tecnología es la preparación de muestras de sangre para el análisis. Según el sitio web de Experimental Biosciences de la Universidad de Rice, «La estructura única de la sangre hace que sea muy fácil separar los glóbulos rojos del plasma y de los otros elementos formados por centrifugación diferencial».

Bajo la fuerza normal de la gravedad, el movimiento térmico causa una mezcla continua que impide que las células sanguíneas se asienten a partir de una muestra de sangre total. Sin embargo, una centrífuga típica puede lograr aceleraciones que son de 600 a 2,000 veces mayores que la gravedad normal. Esto obliga a que los glóbulos rojos pesados se asienten en el fondo y estratifica los diversos componentes de la solución en capas de acuerdo con su densidad.

Recursos adicionales:

  • Lea más sobre la fuerza centrípeta en la Universidad Tecnológica de Swinburne.
  • Para más información sobre la fuerza centrífuga, visite el University of Virginia Physics Show.
  • Vea este video explicando y comparando las fuerzas centrípeta y centrífuga, de SciShow.

Este artículo fue actualizado el 10 de mayo de 2019 por Jennifer Leman, colaboradora de Misterius.net.

También te puede interesar

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *