Força centrípeta

A segunda lei de Newton nos diz que a força resultante que atua em um corpo é igual ao produto da massa pela sua aceleração. Da mesma forma, movimento provido de aceleração centrípeta temos uma força resultante na direção desta aceleração, denominada de Força Centrípeta.

Qual a origem da Força centrípeta?

A natureza desta força pode ser de origem elástica, gravitacional, elétrica, tensão     entre outras. Num corpo preso a um alfinete através de um cordão sobre uma mesa sem atrito, girando, a força centrípeta é a tensão.

Quando um carro faz uma curva, a força centrípeta que aparece direcionada para o centro, responsável pela mudança da direção da velocidade, é o atrito entre os pneus e a pista.

Quando a pista é horizontal e plana a força de atrito é a única força que contribui para que o carro faça a curva veja figura.

Em pistas de alta velocidade a contribuição do atrito não é suficiente, por isto que essas pistas têm uma sobrelevação (ângulo de inclinação em relação à horizontal).

Esta sobrelevação faz com que a normal N e a força peso P contribuam na mudança da direção da velocidade, pois a soma dessas duas forças resulta numa força para o centro que é uma força centrípeta e que depende do ângulo θ de inclinação da pista.

Quando uma pista possui uma sobrelevação, além da contribuição da soma vetorial do peso P e da normal N, há a força de atrito entre os pneus e a pista, sem a qual o móvel não se movimentaria.

Os motoqueiros e os ciclistas sempre usam desta propriedade, inclinando o seu corpo para o centro da curva para assim criar uma força adicional além do atrito e conseguirem fazer a curva mais facilmente. Observe a figura (Esquiador aquático).

Condições para uma curva segura

Um automóvel faz uma curva circular, plana e horizontal, de raio 30 m. O coeficiente de atrito estático entre os pneus e a pista é de μ_e = 0,8. Determine a máxima velocidade que o automóvel pode ter para fazer a curva sem derrapar.

SOLUÇÃO:

No momento da curva, a força de atrito de cada pneu proporciona uma força resultante dirigida para o centro de curvatura.Veja figura do caminhão de bombeiro. A força de atrito máxima será dada por:  F_at =μ_e.N= μ_e.mg  . Esta é a força centrípeta.

Daí temos:

 

Força centrífuga

Todos nós já sentimos a sensação de sermos jogados para fora, radialmente, quando estamos dentro de um carro e este faz uma curva com rapidez.

Portanto, para nós esta é uma força mais do que real e só não somos jogados porque a parede do carro nos sustenta com uma força normal, dirigida para o centro da curvatura.

A força que é sentida pelo passageiro do carro o jogando para fora é denominada de força centrífuga e só aparece em referenciais não inércias, ou seja, referencial acelerado tal como o carro fazendo curva que possui aceleração centrípeta.

A força centrífuga é denominada de força fictícia. As forças fictícias só aparem em referencias acelerados (referencial não Inercial).

Força centrífuga em um parque

Na figura abaixo, temos um brinquedo comum em parques de diversão, onde se encontram pessoas em movimento circular. Uma pessoa curioso que observa de fora a situação, diria que sobre as pessoas atua uma força radial para dentro, denominada de força centrípeta, e por isto que as pessoas conseguem fazer a curva, juntamente, com o brinquedo.

Quem está dentro do brinquedo em movimento sente o seu corpo comprimido sobre as grades de proteção, radialmente para fora, atribuindo, esse efeito a uma força centrífuga.

Apesar das pessoas terem esta sensação de uma força radial para fora atuando sobre elas, na verdade estas sensação é devido a tendência que as pessoas têm de seguir a direção da sua velocidade que é tangente a trajetória circular,ou seja, sair pela tangente, mas as ferragens não deixa, forçando ela seguir fielmente a trajetória circular.

As centrífugadoras de roupas usa deste princípio para secar roupas molhadas que são colocadas dentro delas. Os furos que há dentro são para a água sair pela tangente devido a grande velocidade de rotação, secando as roupas.

Logo a força centrípeta está relacionada ao Referencial Inercial  e a força centrífuga a referencial Não Inercial ( Referencial acelerado).

Exercício /Exemplo

Uma pedra de 200 g é amarrada num cordão e dar voltas em MCU sobre uma mesa sem atrito . Sabendo-se que o comprimento do cordão é de 1,5 m e que a tensão máxima suportada por ele é de 5 N , determine a maior velocidade que a pedra pode ter em MCU sem arrebentar o cordão.

Solução

A tensão sobre o cordão é a força centrípeta, logo F_c= 5 N .