El requisito de fuerza centrípeta: definición, ejemplos y problemas

¿Qué es la fuerza centrípeta?

Siempre que un objeto se mueve en un círculo, tiene una fuerza centrípeta. ¿Pero qué es eso exactamente? Una fuerza centrípeta es una fuerza apuntada hacia el centro de un círculo que mantiene un objeto en movimiento en ese círculo. Sin él, un objeto saldría volando del círculo y continuaría en línea recta.

Sabemos esto debido a la Primera Ley de Newton, que dice que un objeto en movimiento permanece en movimiento y un objeto en reposo permanece en reposo a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada. Digamos que hizo rodar una pelota por el suelo. La fuerza de la gravedad tira de la pelota hacia el suelo, pero la fuerza normal contrarresta la gravedad y apunta lejos del suelo. Las dos fuerzas están equilibradas. En ausencia de cualquier otra fuerza, los objetos continúan en línea recta a una velocidad constante.

Toda la estructura del movimiento circular significa que las fuerzas no pueden equilibrarse. Para que ocurra un movimiento circular, la fuerza neta , o suma de todas las fuerzas, debe estar hacia adentro, apuntando hacia el centro del círculo. Cuando esto sucede, esas fuerzas se denominan centrípetas.

Ejemplos de fuerza centrípeta

La fuerza centrípeta no es algo mágico. Siempre hay una fuerza específica de la vida real que actúa como agente de la fuerza centrípeta. Por ejemplo,

• Si hace girar una pelota con una cuerda sobre su cabeza, la fuerza centrípeta es la fuerza de tensión.
• Si estás en una nave espacial orbitando la Tierra, la fuerza centrípeta es la fuerza de gravedad.
• Si conduce un automóvil en un círculo, la fuerza centrípeta es la fuerza de fricción entre la carretera y los neumáticos.

En un diagrama de fuerza, la fuerza siempre debe etiquetarse con la fuerza específica que actúa. A veces las cosas se complican un poco más. A veces, la fuerza centrípeta puede ser proporcionada por dos fuerzas. Veamos un ejemplo.

¿Has estado alguna vez en una montaña rusa? ¿Particularmente una montaña rusa que se da vuelta? Si es así, ha experimentado una fuerza centrípeta durante el ciclo.

Pero la fuente de esa fuerza era diferente en diferentes partes del bucle. En la parte inferior, la fuerza de gravedad apuntaba en dirección opuesta al centro del bucle. La fuerza de reacción normal (la fuerza que actúa contra la gravedad y sostiene un objeto en una superficie) entre usted y la pista apunta en la dirección opuesta. En la parte inferior del bucle, la fuerza de la gravedad y la fuerza normal estaban equilibradas.

Pero en la parte superior del bucle, la gravedad apuntaba hacia el centro del círculo. Entonces, en la parte superior, la gravedad y la fuerza normal estaban juntas apuntando hacia abajo, lo que resultó en una fuerza neta hacia adentro o fuerza centrípeta. Cuantas más fuerzas estén presentes en una situación, más complicadas pueden ser las cosas.

Ecuación de fuerza centrípeta

Podemos calcular la fuerza centrípeta usando esta ecuación:

Ecuación de fuerza centrípeta

Como puede ver en la pantalla, Fc es la fuerza centrípeta necesaria para mantener el objeto en un círculo, medida en newtons; m es la masa del objeto medida en kilogramos; v es la velocidad del objeto, medida en metros por segundo; y r es el radio del círculo, medido en metros.

Repasemos un problema de ejemplo. Digamos que estás haciendo girar una pelota sobre tu cabeza en un círculo horizontal. El círculo tiene un radio de 1 metro y la masa de la pelota es de 0.2 kilogramos y la pelota se mueve a una velocidad de 3 metros por segundo. ¿Cuál es la tensión necesaria en la cuerda para mantener la pelota en el círculo?

Como puede ver, para resolver esto, solo necesita insertar los números en la ecuación. M es igual a 0.2, v es igual a 3 y r es igual a 1. Pon todo eso en una calculadora y, como podemos ver, obtenemos una fuerza de 1.8 newtons.

Problema de ejemplo

Resumen de la lección

Dediquemos unos minutos a repasar lo que hemos aprendido. La fuerza centrípeta es una fuerza en la dirección del centro de un círculo para un objeto que se mueve en un círculo. Esta fuerza es siempre algo específico: gravedad, tensión, una fuerza normal o incluso una combinación de dos o más fuerzas que crean una fuerza neta hacia el centro del círculo. Si esta fuerza no existiera, un objeto saldría volando de un círculo en línea recta, tangente al círculo. Sabemos todo esto gracias a la Primera Ley de Newton , que dice que un objeto en movimiento permanece en movimiento, y un objeto en reposo permanece en reposo, a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada.

Podemos calcular la fuerza centrípeta requerida para mantener un objeto en un círculo usando la ecuación de fuerza centrípeta:

Ecuación de fuerza centrípeta

Esta ecuación requiere que sepamos la masa del objeto en kilogramos, la velocidad del objeto en metros por segundo y el radio del círculo en metros.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador