Nel video viene spiegata la natura della forza centripeta e della forza centrifuga e dove è possibile trovarle nella vita di tutti i giorni. Tali forze sono state analizzate per la prima volta da Christiaan Huygens, che, rifacendosi alle analisi sul movimento di René Descartes, fornì un’analisi geometrica della natura del moto circolare come risultante dell’equilibrio fra forza centripeta e centrifuga. L’italiano Borelli dimostrò poi il ruolo della forza centrifuga in orbita. Infine, fu Newton a comprendere la natura di tali forze.
In particolare la forza centripeta è una forza che si manifesta su un corpo che si muove di moto circolare uniforme e agisce verso il centro della circonferenza, ed è quella che permette ad un corpo di rimanere in orbita, senza che esso proceda, per inerzia, lungo la direzione tangenziale. La forza centrifuga è invece una forza che ha modulo, dunque intensità, pari a quella della forza centripeta, ma verso opposto. La particolarità di tale forza è che è una forza apparente, dunque è percepibile esclusivamente da un osservatore che si muove di moto circolare uniforme in un sistema non inerziale. Per capire questo concetto è possibile mostrare l’esempio di una giostra in movimento con una persona(A) che si trova sul sistema pocanzi indicato e un’altra(B) che ,invece, si trova nel giardino antistante la giostra, dunque in un sistema inerziale. Quando la giostra è in movimento, A si sentirà sottoposto ad una forza che tende a spingerlo verso l’esterno, mentre B vedrà solamente l’azione della forza centripeta. Dunque il sistema di riferimento inerziale è quello in cui vale il primo principio della dinamica o principio di inerzia: un punto materiale mantiene costante la propria velocità se e solo se è soggetto a una forza totale nulla. In particolare, quando la velocità è nulla il corpo è inizialmente fermo e continua a rimanere fermo.
Nel filmato viene introdotta un’immagine relativa all’orbita di un satellite intorno ad un pianeta; anche in questo esempio vale lo stesso principio descritto sopra; la forza centripeta è costituita dalla forza di attrazione gravitazionale presente tra i due corpi celesti.
Un altro esempio in cui è possibile ravvisare la presenza della forza centripeta è l’attività del lancio del martello. In questo caso l’atleta, fintanto che mantiene la presa, esercita la forza centripeta sul martello tramite la fune, obbligandolo a compiere la traiettoria circolare , nel momento in cui lo lascia, esso procederà in direzione tangenziale, per inerzia.
Dal punto di vista fisico, tale forza esiste perché in un moto circolare uniforme la velocità è sempre la stessa in modulo, ma varia in continuazione nella direzione; ne consegue che l’accelerazione tangenziale è nulla, ma l’accelerazione normale non lo è: essa vale in modulo:
ed è un vettore diretto sempre verso il centro della circonferenza.
Si ipotizzi per esempio un corpo che percorre una circonferenza con moto uniforme, e si valuti il vettore velocità in due istanti successivi t e t’ (t’>t).
All’istante t il corpo ha velocità v, mentre all’istante t’ il corpo ha velocità v’.
Sia v che v’ hanno lo stesso modulo, ma hanno direzione differente.
Se si esegue la loro differenza, si ottiene il vettore Δv.
Dato che i vettori v e v’ hanno lo stesso modulo, si posizioni il vettore Δv nel punto medio della congiungente i punti di applicazione di v e v’.
Il vettore differenza Δv sarà diretto verso il centro della circonferenza. Δv rappresenta una variazione di velocità in un intervallo di tempo. Ciò significa che c’è un’ accelerazione e questa è appunto l’accelerazione normale chiamata anche accelerazione centripeta.
Per la seconda legge della dinamica(F=ma), deve esistere una forza in grado di provocare tale accelerazione; la forza in questione viene denominata forza centripeta, la quale sarà diretta verso il centro della traiettoria circolare e varrà in modulo:
La forza centrifuga è invece una forza che tende a spingere un corpo verso l’esterno della traiettoria circolare di un moto circolare uniforme. Un esempio che mostra l’azione di tale forza è il seguente: si supponga di compiere una curva su un automobile; in questo caso ci si sentirà sottoposti ad una forza che tende a spingere il corpo nella direzione opposta rispetto a quella in cui si sta compiendo la curva. Tale forza è appunto la forza centrifuga ed è dovuta soltanto al fatto che, per il principio di inerzia, il nostro corpo tende a mantenere la velocità che aveva prima. La sua intensità vale ovviamente:
, dal momento che è una forza uguale e contraria a quella centripeta (per il terzo principio della dinamica).
Anche la forza centrifuga viene rappresentata come un vettore disposto radialmente, ma orientato verso l’esterno della traiettoria. Il suo punto di applicazione, a differenza della forza centripeta coincide con il baricentro del corpo in moto. La diversità dei punti di applicazione delle due forze, centripeta e centrifuga, può creare problemi di equilibrio non indifferenti.
Le due forze, infatti, possono essere allineate, e quindi equilibrate (come indicato nel disegno) mentre, in altri casi, formano una coppia il cui effetto può compromettere l’equilibro di un corpo.
Si prenda in considerazione nuovamente il caso di una automobile che percorre una curva; la forza centripeta sarà applicata al vincolo, cioè al punto di contatto tra ruota ed asfalto, (forza di attrito) mentre la forza centrifuga sarà applicata al baricentro dell’auto.
Questa coppia di forze costituisce il momento ribaltante Mc.
Nell’affrontare la curva il veicolo si inclinerà verso l’esterno, a quel punto viene ad instaurarsi una seconda coppia, costituita dal momento raddrizzante Mr costituita dalla forza peso p e dalla reazione vincolare del piano di appoggio (in viola nel disegno).
Il video termina con la spiegazione di un effetto importante della forza centrifuga in orbita, che è lo schiacciamento della terra ai poli; infatti l’ equatore, che è più distante di qualsiasi altro punto della superficie terrestre rispetto all’asse di rotazione, ruota più velocemente ed è soggetto ad una forza centrifuga maggiore rispetto a quella dei poli, quindi tale forza causa la deformazione della terra.
Sitografia:
http://ebook.scuola.zanichelli.it/amaldiliceiscientifici
https://it.wikipedia.org/wiki/Forza_centrifuga
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