Qu'est-ce que la force centripète? Définition et équations
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La force centripète est définie comme la force agissant sur un corps qui se déplace sur une trajectoire circulaire dirigée vers le centre autour duquel le corps se déplace. Le terme vient des mots latins centrum pour "centre" et petere, ce qui signifie «chercher».
La force centripète peut être considérée comme la force de recherche de centre. Sa direction est orthogonale (à angle droit) au mouvement du corps dans la direction du centre de courbure de la trajectoire du corps. La force centripète modifie la direction du mouvement d'un objet sans changer sa vitesse.
Points clés: Force centripète
- La force centripète est la force exercée sur un corps se déplaçant dans un cercle qui pointe vers l'intérieur vers le point autour duquel l'objet se déplace.
- La force dans la direction opposée, pointant vers l'extérieur à partir du centre de rotation, est appelée force centrifuge.
- Pour un corps en rotation, les forces centripètes et centrifuges sont de même ampleur, mais de sens opposé.
Différence entre la force centripète et la force centrifuge
Tandis que la force centripète agit pour attirer un corps vers le centre du point de rotation, la force centrifuge (force de "fuite au centre") s'éloigne du centre.
Selon la première loi de Newton, "un corps au repos restera au repos, tandis qu'un corps en mouvement restera en mouvement à moins d'être soumis à une force extérieure." En d'autres termes, si les forces agissant sur un objet sont équilibrées, l'objet continuera à se déplacer à un rythme régulier sans accélération.
La force centripète permet à un corps de suivre une trajectoire circulaire sans s'envoler à une tangente en agissant en continu à angle droit par rapport à sa trajectoire. De cette façon, il agit sur l'objet comme l'une des forces de la première loi de Newton, maintenant ainsi l'inertie de l'objet.
La deuxième loi de Newton s'applique également dans le cas exigence de force centripète, qui dit que si un objet doit se déplacer dans un cercle, la force nette agissant sur lui doit être intérieure. La deuxième loi de Newton dit qu'un objet accéléré subit une force nette, la direction de la force nette étant la même que la direction de l'accélération. Pour un objet se déplaçant en cercle, la force centripète (la force nette) doit être présente pour contrer la force centrifuge.
Du point de vue d'un objet stationnaire sur le cadre de référence rotatif (par exemple, un siège sur une balançoire), le centripète et le centrifuge sont de magnitude égale, mais de sens opposé. La force centripète agit sur le corps en mouvement, contrairement à la force centrifuge. Pour cette raison, la force centrifuge est parfois appelée force "virtuelle".
Comment calculer la force centripète
La représentation mathématique de la force centripète a été dérivée par le physicien néerlandais Christiaan Huygens en 1659. Pour un corps suivant un chemin circulaire à vitesse constante, le rayon du cercle (r) est égal à la masse du corps (m) multipliée par le carré de la vitesse (v) divisé par la force centripète (F):
r = mv2/F
L'équation peut être réorganisée pour résoudre la force centripète:
F = mv2/ r
Un point important que vous devez noter dans l'équation est que la force centripète est proportionnelle au carré de la vitesse. Cela signifie que doubler la vitesse d'un objet a besoin de quatre fois la force centripète pour maintenir l'objet en mouvement dans un cercle. Un exemple pratique de cela est vu lorsque vous prenez une courbe brusque avec une automobile. Ici, le frottement est la seule force qui maintient les pneus du véhicule sur la route. L'augmentation de la vitesse augmente considérablement la force, donc un dérapage devient plus probable.
Notez également que le calcul de la force centripète suppose qu'aucune force supplémentaire n'agit sur l'objet.
Formule d'accélération centripète
Un autre calcul courant est l'accélération centripète, qui est le changement de vitesse divisé par le changement de temps. L'accélération est le carré de la vitesse divisé par le rayon du cercle:
Δv / Δt = a = v2/ r
Applications pratiques de la force centripète
L'exemple classique de la force centripète est le cas d'un objet balancé sur une corde. Ici, la tension sur la corde fournit la force de "traction" centripète.
La force centripète est la force de «poussée» dans le cas d'un motocycliste du Mur de la mort.
La force centripète est utilisée pour les centrifugeuses de laboratoire. Ici, les particules en suspension dans un liquide sont séparées du liquide par des tubes accélérateurs orientés de sorte que les particules plus lourdes (c'est-à-dire des objets de masse supérieure) sont tirées vers le bas des tubes. Bien que les centrifugeuses séparent généralement les solides des liquides, elles peuvent également fractionner les liquides, comme dans les échantillons de sang, ou séparer les composants des gaz.
Les centrifugeuses à gaz sont utilisées pour séparer l'isotope plus lourd uranium-238 de l'isotope plus léger uranium-235. L'isotope le plus lourd est tiré vers l'extérieur d'un cylindre en rotation. La fraction lourde est prélevée et envoyée vers une autre centrifugeuse. Le processus est répété jusqu'à ce que le gaz soit suffisamment «enrichi».
Un télescope à miroir liquide (LMT) peut être fabriqué en faisant tourner un métal liquide réfléchissant, tel que le mercure. La surface du miroir prend une forme paraboloïde car la force centripète dépend du carré de la vitesse. Pour cette raison, la hauteur du métal liquide en rotation est proportionnelle au carré de sa distance du centre. La forme intéressante prise par la rotation des liquides peut être observée en faisant tourner un seau d'eau à vitesse constante.
