La fuerza centrípeta

Ya has visto que las aceleraciones vienen causadas por la existencia de una fuerza neta que actúa sobre el cuerpo. ¿Cuál es la fuerza que provoca ese cambio de dirección del vector velocidad? ¿Qué la produce? ¿Cuál es el origen de esa fuerza, llamada centrípeta? Ahora vas a ver algunos ejemplos en movimientos circulares, que son los más sencillos e importantes en los que hay fuerzas centrípetas.

Fíjate en el lanzador de martillo, que gira para imprimir velocidad al aparato y que llegue lo más lejos posible cuando lo suelte. Como ves en la imagen, él es quien realiza la fuerza centrípeta, tirando de la cadena y evitando que la bola salga de la trayectoria.

¿Y en el caso de los coches que toman una curva? Si te fijas en el vídeo, aparece una fuerza centrípeta, originada por el rozamiento de las ruedas con la carretera: si no hay rozamiento, el coche sale de la curva. ¿Has oído la expresión "salirse por la tangente"?

Por último, observa la imagen de la Luna girando alrededor de la Tierra. En este caso, la fuerza centrípeta es la fuerza de atracción gravitatoria con la que la Tierra atrae a la Luna.

El valor de la fuerza centrípeta

Ya has visto que las aceleraciones vienen causadas por la existencia de una fuerza neta que actúa sobre el cuerpo. ¿Cuál es la fuerza que provoca ese cambio de dirección del vector velocidad? ¿Qué la produce?

Esta fuerza centrípeta es la causa de los cambios de dirección de los móviles en su desplazamiento. Puede ser de contacto, como la sirga en un lanzamiento de martillo o el rozamiento entre las ruedas de un coche que toma una curva y el asfalto, o bien a distancia, como la atracción gravitatoria de la Tierra sobre un satélite o sobre un avión que hace un looping.

Va dirigida al centro de curvatura de la trayectoria (el centro de la circunferencia en el caso más sencillo).

Su módulo viene dado por la expresión , en la que m es la masa del móvil y, como ya sabes, es la aceleración centrípeta (es la velocidad y el radio de giro).

Recordando la relación entre las velocidades lineal y angular (, donde es la velocidad angular), también se puede escribir como .

Es decir, simplemente se aplica la ley de la dinámica F=ma.

No es habitual que los móviles describan trayectorias exactamente circulares. Sí se dan en las norias, pero los loopings que describen los aviones son casi circulares, y los cambios de rasante y las curvas de las carreteras son arcos de circunferencia.

Por tanto, para poder realizar un análisis de las situaciones que nos interese resolver, reduciremos los problemas a trayectorias total o bien parcialmente circulares.

¿Fuerza centrífuga?

Seguro que has oído este término muchas veces: la lavadora centrifuga a 1200 rpm, en el análisis de sangre los tubos se centrifugan en el laboratorio, etcétera. Pero ¿qué hace la fuerza centrífuga?: absolutamente nada, ya que la fuerza centrífuga no es una fuerza real que origine algún tipo de efecto relacionado con el giro de los cuerpos.

Imagina que estás sentado dentro de un coche, con los ojos cerrados. El coche circula con rapidez constante por una pista de pruebas, comenzando por una larga recta. En un momento dado, tienes la sensación de que una fuerza te desvía y te quedas pegado a la ventanilla. Como has experimentado una aceleración al cambiar la dirección de tu movimiento, deduces que una fuerza ha actuado sobre ti para provocar ese efecto: precisamente ésa es la fuerza centrífuga.

 

Si un observador externo hubiera visto la misma situación, ¿cómo la explicaría?: simplemente diría que el coche ha tomado una curva, que sobre él ha actuado una fuerza centrípeta que le obliga a girar (ya veremos más adelante que es la fuerza de rozamiento entre las ruedas y el asfalto), pero que como no actúa sobre ti, sigues con la trayectoria que llevabas, tangente a la trayectoria de la curva, y te desvías hacia la ventanilla.

Ten presente que tu movimiento no lo provoca ninguna fuerza, sino más bien la ausencia de una fuerza, la centrípeta. Eso sí, tú mismo puedes producir esa fuerza centrípeta, agarrándote al asidero que hay encima de la ventanilla.

Fíjate ahora en la montaña rusa: cuando la vagoneta pasa por los cambios de rasante (las cimas) hay que sujetarse para no salir despedido, y por eso se utilizan barras y arneses de retención. ¡Y no es la fuerza centrífuga la que hace salir despedido de las vagonetas, sino la ausencia de centrípeta!

Estudio de casos

Ahora es el momento de aplicar lo que sabes acerca de la fuerza centrípeta a algunas situaciones cercanas de gran interés.

¿Cómo vas abordar la interpretación de situaciones en las que hay aceleración centrípeta? Es aconsejable que sigas estos pasos:

Además, vas a considerar la influencia de diferentes factores sobre el movimiento: la velocidad del objeto, su masa, el radio de la trayectoria descrita, la tensión de la cuerda, el coeficiente de rozamiento o el ángulo de inclinación que producen la fuerza centrípeta, etcétera, como irás viendo en cada caso.

¿Qué situaciones analizarás?

• Cuerpos que giran por acción de una ligadura (cuerda, varilla, etcétera), como sucede en el lanzamiento de martillo.
• Coches que toman las curvas en carreteras planas por acción de la fuerza de rozamiento.
• Móviles que hacen un looping (rizan el rizo) por acción de su propio peso.
• Ciclistas y motoristas que se inclinan para tomar mejor las curvas, hasta casi rozar el suelo con la rodilla.
• Velódromos y pistas cubiertas de atletismo con curvas inclinadas (peraltadas).
• Satélites que giran alrededor de los planetas debido a la fuerza gravitatoria.
• Parques de atracciones: montañas rusas con rizos, curvas peraltadas, tubos de la muerte y carruseles.