FORTA CENTRIFUGA In fizica, o forta este o marime fizica care exprima cantitativ o actiune ce determina la un obiect cu masa o modificare de viteza, de directie, sau de forma (aspect). Forta este o marime vectoriala ce are ata modul (valoare scalara sau intensitate) cat si directie. Forta centrifuga este orice forta care isi pastreaza pastreaza directia directia de actiune daca din exterior exterior nu intervine nimic care sa i-o schimbe. O masinuta din parcul de distractii, distractii, care se deplaseaza deplaseaza de-a lungul unei sine, ar continua sa mearga in linie dreapta daca sina -curbata - nu ar sili-o sa-si schimbe in permanenta permanenta directia. directia. O forta forta ce actionea actioneaza za in sensul sensul de mers mers ment mentin inee masi masinu nuta ta pe sina sina chia chiarr si in pozitie rasturnata. rasturnata.
este o fort fortaa care care oblog oblogaa corpu corpuri rile le sa desc deschie hie o trai traiect ector orie ie Forta Forta cent centripet ripeta a este circulara, opunandu-se ca efect fortei centrifuge.
Conform principiului al III-lea al dinamicii, simultan cu forta centripetal apare o forta egala si de sens contrat, numita forta centrifuga . Ea este aplicata in centrul de rotatie si tinde sa deplaseze acest centru spre periferie. Aceste doua forte (actiunea si reactiunea) sunt aplicate intotdeauna la corpuri diferite. In cazul corpului legat de o sfoara si rotit, forta centripetal (actiunea mainii) este aplicata corpului de masa m si dirijata spre centrul cercului descries, iar forta centrifuga in sens invers, este aplicata centrului si intinde sfoara, pe care o poate rupe daca viteza de miscare este suficient de mare. Pentru Pentru un observ observator ator aflat aflat in sistem sistemul ul de referi referinta nta acceler accelerat at (neiner (neinertial tial)) forta forta centrifuga apare ca o forta de inertie, aplocatta direct corpului de masa m, ca si forta centrip centripetal etal.. Deci, Deci, pentru pentru el forta forta centrif centrifuga uga este o forta forta reala, reala, care I se aplica aplica direct, direct, suportand suportand in intregime intregime toate efectele. efectele. In cazul ambilor ambilor observatori (cel aflat intr-un sistem de referinta fix sic el aflat in sistemul de referinta mobil), fenomenul fenomenul mecanic este acelasi, doar descrierea variaza. Prin urmare, studierea fortelor centrifuge a condos la o serie de aplicatii practice: construirea regulatorului centrifugal de la masinile cu aburi, separarea dintr-un amestec a
corpurilor cu densitati diferite, calculul inclinarii terasamentului pentru sosele si cai ferate etc. •
Forta centrifuga la curbe:
Pentru a evita lunecarile laterale (sau deraierea trenului), trebuie ca rezultanta dintre greutatea vehiculului si forta centrifuge, ambele aplicate în centrul de greutate al vehiculului, sa fie perpendiculara pe suprafata drumului. Daca aceasta forta cade perpendicular pe drum, ambele sine sunt egal solicitate. Unghiul de inclinare nu depinde de masa vehiculului, ci doar de viteza lui si de raza de curbura. Se considera ca un vagon de masa m incepe sa efectueze un viraj de raza r cu viteza v. Ca urmare, vagonul incepe sa aiba acceleratie centripetal orientate pe directia razei de curbura, spre centrul traiectoriri, si care este efectul actiunii sinelor asupra vagonului. La randul sau, vagonul actioneaza asupra sinelor cu forta centrifuga F cf . Astfel, pot sa apara efecte nedorite cum ar fi: uzarea sinei exterioare, rasturnarea vagoanelor, deraparea lor spre exterior (in cazul vehiculelor fara sine). Evitarea acestor efecte negative inseamna asigurarea conditiilor ca rezultanta dintre greutatea vagonului si reactiunea sinelor sa aiba rol de forta centripetal. Bazandu-se pe egalitatea a doua unghiuri, unghiul de inclinare al drumului se obtine din relatia: Tg α = F ci / G = mv2 / r · 1/mg = v2 / rg
,unde r este raza de curbura.
Din figura se vede ca F cf = mg tg α
Deci:
•
Aparatele de centrifugare:
Separatorul centrifugal este utilizat pentru separarea rapida a particulelor mici aflate in suspensie intr-un lichid. In acest sens, vasele cu lichid se asaza la masina centrifuga. Cand centrifuga este in repaus, particulele pot pluti in tot volumul de lichid. Daca
centrifuga este pusa in functiune, particulele, care au masa mai mare decat moleculele de lichid, se vor situa mai departe de axa de rotatie. Pentru ca rotirea este cu turatie mare, particulele vor fi impinse destul de repede spre capetele exterioare ale vaselor unde se vor depune. De asemenea acest dispozitiv este utilizat pentru separarea plasmei de globulele sanguine. Forta centrifuga creste cu patratul frecventei de rotatie v. Aparatele de centrifugare se construiesc pe aceasta baza. La turatii foarte mari, forta centrifuga ce actioneaza asupra unei particule centrifugate depaseste de milioane de ori greutatea acesteia. In ultracentrifuge, turatia atinge 2000-3000 de ture pe secunda. Ele se intrebuinteaza pentru separarea coloizilor din solutiile coloidale, pentru separarea izotopilor dintr-un amestec, pentru separarea moleculelor cu mase mari dintr-un amesctec cu molecule de mase mai mici etc. Se presupune ca raza aparaturlui de centrifugare este r = 3cm si acesta are turatia de 3000 de ture pe secunda. Acceleratia imprimata unei particule este: r ω2 = 3 · 10-2 · 4π2 · 9 · 106 = 10,65 · 106 m/s2 Se obtine, deci, o acceleratie mai mare de un milion de ori decat acceleratia gravitationala. Ca urmade, particulele de masa mai mari se depun pe peretele vasului. Tehnica actuala a realizat ultracentrifuge cu turatii mult mai mari (50.000 ture pe secunda). Cu ajutorul lor se poate separa substante care au densitati foarte apropiate. La purificarea oxidului de sulf (IV) de praf în cazul arderii piritei. Din cauza ca arderea are ca produs secundar şi praf sau carbune ce nu a ars complet, amestecul obtinut la ardere este trecut printr-un ciclon (o centrifugă) ce roteşte aerul astfel incat particulele de praf fiind selectate (aruncate la margine) de bioxidul de sulf. •
Centrarea pieselor care se rotesc cu turatii mari:
Fortele centrifuge ridica probleme la piesele care se rotesc cu turatii mari. Aceste piese trebuie se fie perfect centrate. O mica excentricitate da nastere, datorita fortelor centrifuge, la preciuni atat de mari asupra axului de rotatie incat acesta poate fi deformat sau chiar rupt. De exemplu, in cazulunui ax (cilindru de otel), cu raza de 5cm, pus in miscare de rotatie de o turbine cu 10.000 de turatii pe secunda, forta centrifuga care actioneaza asupra unui element de masa m, situate la periferia cilindrului, este F cf = m ω2 r = m 4π2 · 108 · 5 · 10-2 ≈ 20 · 106 G. Deci, asupra corpului excentric actioneaza o forta de aproximativ 20 milioane ori mai mare decat greutatea lui. Daca aceasta forta centrifuga nu este echilibrata de o alta forta simetrica fata de axa de rotatie, atunci efectele ei sunt distrugatoare. De acest fapt se tine seama si la constructia elicelor de avioane.
•
Mentinerea unui motociclist sau biciclist pe “zidul mortii”:
“Zidul mortii” (un cunoscut numar de circ) este o constructie cilindrica, cu pereti inalti de 10-12 m si diametru interior 15-20 m. Pentru mentinerea pe zid a motociclistului (biciclistului), cand acesta executa ture in viteza, trebuie ca forta de frecare (dintre rotile vehiculului si perete) sa fie egala cu greutatea totala. F f = μ F cf = μ m v2 / r ; G = μ m v2 / r . Se observa ca, mentinerea pe perete depinde numai de viteza alergatorului (celelalte marimi fiind constante). Viteza trebuie sa fie sufficient de mare pentru ca fortele de frecare sa fie mari.
•
Uscatorul centrifugal:
El permite separarea lichidelor de solide, bazandu-se pe acelasi principiu de functionare ca si separatorul centrifugal. Corpurile sunt introduce intr-un vas cilindric cu peretii perforate. Prin rotirea cu turatie mare a vasului interior, lichidul este impins in exterior, iese prin orificiile peretelui si se scurge in vasul exterior. Asemenea dispozitive se gasesc la masina de spalat si la masina utilizata pentru scoaterea mierii de albine din figure. Este folosit la masinile de spalat. Rufele se asaza intr-un vas cilindric perforat, fixat intr-un alt vas cilindric mai larg. Prin rotirea rapida a vasului interior, apa este impinsa spre exterior, iese prin orificiile peretelui si se scurge in vasul exterior. •
Miscarea satelitilor artificiali ai Pamantului
Deosebirea intre miscarea automobilului pe un pod cu convexitatea in sus si miscarea satelitului in jurul Pamantului este aceea ca asupra satelitului nu actiuoneaza forta N de reactiune. Ca urmare, conditia de echilibru a satelitului pe o orbita de raza R este: G + Fi = 0 sau G = Fcf De unde, mg = mv2 / R La aceasta viteza, satelitul este in stare de imponderabilitate. •
Alte exemple in care este utilizata forta centrifuga
- Din punct de vedere geometric, Pamantul este un ellipsoid de rotatie turtit la poli. Turtirea Pamantului este efectul fortelor centrifuge datorate rotatiei Pamantului in jurul axei proprii. Ca urmare, raza ecuatoriala este de 6378,16km si raza polara de 6356,68km. -Atmosfera efectueaza impreuna cu Pamantul miscarea de rotatie in jurul axei polilor; ca urmare este tot un elipsoid de rotatie, adica mai turtit la poli si mai bombat la Ecuator. Astfel, la poli grosimea troposferei, primul strat al atmosferei, esde de 7-9km, iar la ecuator poate sa atinga 16-18km. - Forta exercitata de Pamant in jurul Soarelui sau de Luna in jurul Pamantului pe o orbita circulara; forta centripetal este forta de atractie gravitationala exercitata de Soare asupra Pamantului si, respectiv de Pamant asupra Lunii, astefell se pot explica mareele - La viraje, biciclistii si motociclistii se inclina spre centrul curbei pentru a nu cadea - Pentru un electron care se roteste in jurul nucleului atomic, forta centripeta este forta de atractie dintre electron si nucleu, de natura electrostatica - Simulatoare de zbor, unde este simulata starea de imponderabilitate pentru pregatirea pilotilor de avioane supersonice pe principiul forta centrifuga este egala cu greutatea si de sens opus - Pompa centrifuga - aparat bazat pe efectul fortei centrifuge si folosit la pomparea apei - Pendulul conic - este un punct material constrans se se miste, fara frecare, pe un cerc situat in plan orizontal, la o distanta determinata de un punct fix, a carui proiectie pe planul cercului este chiar centrul cercului, asupra punctului material actionand doar greutatea sa proprie. - Regulatorul centrifugal - este folosit pentru reglarea automata a turatiei masinii cu vapori sau a automobilului cu carburator
Bibliografie:
Fizica manual pentru clasa a IX-a - Cleopatra Gherbanovschi, Nicolae Gherbanovschi Bucuresti: Editura Niculescu, 2004 http://www.didactic.ro/materiale-didactice/forta-centripeta-forta-centrifuga http:// www.didactic.ro/materiale-didactice/descarcare/133005 http://www.didactic.ro/materiale-didactice/86009_fisa-didactica-forta-in-miscareacirculara http://ro.wikipedia.org/wiki/For%C8%9B%C4%83 http://www.copilasul.com/curiozitati/Tehnica/Ce-este-forta-centrifuga-copilasul.php http://www.vladzhr.go.ro/mecanica/forta%20centripeta.html http://alexcurbet.com/2011/01/04/forta-centrifuga-sistem-soala-evolutie-planete-gazoase/ http://forum.softpedia.com/index.php?showtopic=720636 http://www.scribd.com/doc/87143969/Forta-centrifuga
