Concetti Chiave
- La forza centrifuga è una forza apparente che agisce su un corpo in movimento lungo una traiettoria curvilinea, esistente solo se il corpo ha una velocità non nulla.
- Le esperienze di laboratorio mirano a dimostrare l'esistenza della forza centrifuga e le sue proprietà attraverso l'uso di diversi materiali e configurazioni.
- Nella prima esperienza con le provette, si osserva che la forza centrifuga può superare la forza peso, facendo salire il mercurio e i piombini all'interno delle provette.
- La seconda esperienza evidenzia che la forza centrifuga aumenta con la massa del corpo, poiché la sfera più pesante subisce una forza centrifuga maggiore.
- Nella sesta esperienza, un corpo ovale deformabile in rotazione si schiaccia a causa della forza centrifuga, fornendo un'analisi della forma schiacciata della Terra ai poli.
In questo appunto viene descritta un'esperienza di laboratorio sulla forza centrifuga, di cui viene data la definizione generale.
La finalità delle esperienze è quella di provarne l’esistenza e tutte le caratteristiche di tale forza.
Le varie esperienze (6 per l’esattezza) verranno descritte tramite il materiale utilizzato e gli effetti riscontrati.
La forza centrifuga
La forza centrifuga è una forza apparente cui ogni corpo è sottoposto quando si trova a percorrere una traiettoria curvilinea ad una data velocità.Rientra nella categoria delle forze apparenti in quanto esiste solo in funzione del moto dell’oggetto che interessa.
Ogni volta che la velocità di un punto materiale è nulla, la forza centrifuga non esiste.
La sua espressione è data da:
[math]
F_c = m a_c
[/math]
Dove F_c = m a_c
[/math]
[math]
m
[/math]
è la massa dell’oggetto di cui si studia il motom
[/math]
[math]
a_c
[/math]
è la sua accelerazione centrifugaa_c
[/math]
[math]
a_c = \frac{v^2}{r}
[/math]
dovea_c = \frac{v^2}{r}
[/math]
[math]
v
[/math]
è la velocità tangenziale del punto in motov
[/math]
mentre
[math]
r
[/math]
è il raggio di curvatura ossia il raggio della circonferenza che meglio approssima la curva nel punto in esame.r
[/math]
La direzione della forza centrifuga è radiale rispetto al centro di curvatura ed il suo verso è tale da allontanarsi da questo (come appunto suggerisce il nome della forza stessa).
Finalità delle esperienze di laboratorio
La finalità di queste esperienze di laboratorio è dimostrare l'esistenza della forza centrifuga e di tutte le sue caratteristiche tramite l'utilizzo di una macchina centrifuga e di corpi di varie masse diverse.
Prima esperienza
Materiale occorrente: due provette A e B, una con dentro acqua e mercurio (naturalmente il mercurio si trova nel fondo della provetta perché essendo un metallo allo stato liquido ha densità e peso maggiore dell’acqua) e l’altra con due piombini, un sugherino e un gommino.Descrizione dell’esperienza: facendo roteare le due provette, tenendole in posizione inclinata rispetto all’orizzontale, notiamo che se aumentiamo la velocità, i piombini, il sugherino ed il gommino, in una provetta, e il mercurio nell’altra, salgono verso l’alto fino ad arrivare all’altra estremità superiore.
Tale fenomeno si spiega con il fatto che la forza centrifuga, per velocità sostenute, vince la forza peso dei corpi.
Seconda esperienza
Materiale occorrente: due sfere A e B di massa diversa legate da una catenella di 18 anellini.
La massa della sfera B è metà della massa della sfera A: [math]
m_A = 2 M_B
[/math]
Descrizione dell'esperienza: se le due sfere sono equidistanti dal centro, messe in rotazione notiamo che sulla massa maggiore (cioè A) agisce una maggiore forza centrifuga e quindi la sfera B tende a spostarsi verso la sfera A.m_A = 2 M_B
[/math]
Per mantenere il sistema in equilibrio, poniamo le due sfere ad una distanza dal centro inversamente proporzionale alla loro massa: infatti dato che gli anellini sono 18 e la sfera B ha una massa uguale a metà della sfera A, mettiamo la sfera A a distanza di 6 anellini (6x2=12) e la sfera B a distanza di 12 anellini (12x1=12). Si può inoltre notare che se posizioniamo la sfera A a distanza di 16 anellini dal centro trascina dalla sua parte la sfera B, ma se mettiamo quest’ultima a distanza di 16 anellini, dato che ha massa minore, riesce solo per qualche piccolo valore (di spazio) a trascinare la sfera maggiore.
Questa esperienza ci dimostra che la forza centrifuga è direttamente proporzionale alla massa dei corpi su cui agisce: maggiore è la massa maggiore la sarà la forza centrifuga che subisce.
Terza esperienza
Materiale occorrente: una sfera di metallo collegata ad un dinamometro che ci fornisce il valore della forza centrifuga.Descrizione dell'esperienza: mettiamo in rotazione su di un piano orizzontale la sfera collegata ad un dinamometro, facendo in modo d mantenere la velocità costante. Dalle letture sul dinamometro possiamo ricavare i valori della forza centrifuga: leggeremo valori maggiori per velocità di rotazione maggiori e valori minori per velocità minori.
Questa esperienza ci dimostra che la forza centrifuga dipende dalla velocità con cui un corpo sta ruotando.
Quarta esperienza
Materiale occorrente: due corpi con masse[math]
m_1
[/math]
ed m_1
[/math]
[math]
m_2
[/math]
diverse (tali che m1>m2) posti in posizione perpendicolare fra loro (m_2
[/math]
[math]
m_2
[/math]
orizzontalmente e m_2
[/math]
[math]
m_1
[/math]
verticalmente) e collegati tramite una catenella.m_1
[/math]
Descrizione dell'esperienza: essendo
[math]
m_1
[/math]
ed m_1
[/math]
[math]
m_2
[/math]
collegati tra loro, quando agisce una forza centrifuga impressa da una rotazione, la massa m_2
[/math]
[math]
m_1
[/math]
si solleva anche se è di massa maggiore rispetto ad m_1
[/math]
[math]
m_2
[/math]
; invece in condizioni normali è m_2
[/math]
[math]
m_1
[/math]
che tira m_1
[/math]
[math]
m_2
[/math]
. In rotazione m_2
[/math]
[math]
m_1
[/math]
è solo soggetta alla forza peso, mentre m_1
[/math]
[math]
m_2
[/math]
, oltre che alla forza peso, è soggetta anche alla forza centrifuga che gli permette di sollevare m_2
[/math]
[math]
m_1
[/math]
.m_1
[/math]
Quinta esperienza
Materiale occorrente: due sfere aventi massa diversa poste su una guida circolare.Descrizione dell'esperienza: quando mettiamo in rotazione queste due sfere sulla guida circolare con velocità sostenute, notiamo che per mezzo della forza centrifuga salgono verso la parte alta della guida.
Questo fenomeno si spiega col fatto che per certi valori della velocità la forza centrifuga supera di intensità la l'opposizione offerta dalla forza peso.
La sferetta di massa minore arriva più in alto di quella di massa maggiore, perchè la forza centrifuga deve vincere una forza [url=https://www.skuola.net/fisica/meccanica/definizione-massa.html#:~:text=Il%20PESO%20%C3%A8%20la%20forza,%C3%A8%20il%20N%20(Newton).]peso[/url] più piccola.
Sesta esperienza
Materiale occorrente: corpo ovale deformabile.Descrizione dell'esperienza: se posto in rotazione tale corpo con una certa velocità, notiamo che durante il moto di rotazione, sempre per mezzo della forza centrifuga la sfera tende a deformarsi schiacciandosi. La spiegazione è dovuta al fatto che la forza centrifuga durante la rotazione tende a spostare la massa del corpo deformabile sulla parte esterna della sua sagoma.
Tramite questo esperimento possiamo dare una spiegazione al fatto che la Terra ha una forma schiacciata ai poli e depressa all’equatore, ossia è un ellissoide di rotazione: la forza centrifuga dovuta al suo moto di rotazione ha fatto sì che la massa si spostasse verso l’esterno.
per ulteriori approfondimenti sulla forza centrifuga vedi anche qua
Domande da interrogazione
- Cos'è la forza centrifuga e come si manifesta?
- Qual è l'obiettivo delle esperienze di laboratorio sulla forza centrifuga?
- Come si comportano corpi di massa diversa in rotazione secondo la seconda esperienza?
- In che modo la velocità influisce sulla forza centrifuga, come dimostrato nella terza esperienza?
- Qual è la relazione tra la forza centrifuga e la deformazione di un corpo ovale, come descritto nell'ultima esperienza?
La forza centrifuga è una forza apparente che agisce su un corpo in movimento lungo una traiettoria curvilinea. Essa esiste solo in funzione del moto dell'oggetto e non si manifesta quando la velocità è nulla. La sua espressione è data da \( F_c = m a_c \), dove \( a_c \) è l'accelerazione centrifuga.
L'obiettivo delle esperienze di laboratorio è dimostrare l'esistenza della forza centrifuga e le sue caratteristiche utilizzando vari materiali e corpi di masse diverse, come descritto nel testo.
Nella seconda esperienza, si osserva che la sfera di massa maggiore (A) subisce una forza centrifuga maggiore, facendo sì che la sfera di massa minore (B) si sposti verso di essa. Per mantenere l'equilibrio, le sfere devono essere posizionate a distanze inversamente proporzionali alle loro masse.
Nella terza esperienza, si evidenzia che la forza centrifuga dipende dalla velocità di rotazione: valori maggiori di velocità corrispondono a letture più elevate della forza centrifuga sul dinamometro.
Nell'ultima esperienza, si osserva che un corpo ovale deformabile, posto in rotazione, tende a schiacciarsi a causa della forza centrifuga, che sposta la massa verso l'esterno. Questo fenomeno spiega la forma schiacciata della Terra ai poli e depressa all'equatore.
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