Secundaria Fuerza centrífuga: real o ficticia?

[oscarmuinhos]

Planteo en este hilo una pregunta que, -al hilo (y disculpar la redundancia) de algunos problemas que se han planteado y he leído en este foro-, tengo interés en poder matizar. trata sobre la naturaleza de la llamada fuerza centrífuga. Tal vez sea un problema de metafísica más que de física, pero no sé bien donde ponerlo
Vamos suponer el sencillo ejemplo de una masa atada a un hilo que se hace girar en un plano horizontal
-cuando estudiaba bachillerato aprendí a resolver este tipo de problemas poniendo dos fuerzas sobre el cuerpo: la tensión del hilo de la cuerda y la llamada fuerza centrífuga (siempre igual a $m\frac{{v}^{2}}{ R}$ )
-cuando en segundo de químicas estudiaba la mecánica, aprendí que se trataba de una fuerza ficticia, pero que estos productos de masa por aceleración se podían tratar como tales fuerzas (ficticias), permitiendo plantear (y resolver) los problemas de dinámica como si se tratase de problemas de estática;
Ahora que mis ocupaciones me han permitido un poco de tiempo para volver a la física, encuentro más bien que esto de hablar de fuerzas reales y ficticias es como no decir nada si previamente no se dice cual es nuestro sistema de referencia.

Que opinais por el foro?

[arivasm]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Totalmente de acuerdo. Las fuerzas ficticias sólo se deben introducir en un sistema de referencia no inercial (y entonces acelerado) como vía para "salvar" el cumplimiento de la 2ª ley de Newton (pero no las otras dos).

[angel relativamente]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

pero no las otras dos

Bueno, la primera Ley tampoco funciona en un SRNI, como caso particular de la segunda. Lo que varía al cambiar de un SRI a un SRNI son solo las magnitudes cinemáticas (posición, velocidad, aceleración y, si nos modernizamos un poco, tiempo). De hecho nuestro profesor nos comentó que uno de los métodos para saber si el sistema desde el que medías era o no inercial, es ver si algo que debe estar en reposo o en MRU respecto a las estrellas fijas está acelerado.

Saludos,

[simploke]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Hola a todos. La pregunta sobre la naturaleza de la fuerza centrífuga que plantea oscarmuinhos es bastante interesante, por la confusión y errores, a mi entender, que se tiene sobre este concepto. En el mundo con el que interactuamos sólo existen fuerzas reales, ¿podría ser de otra manera?, por tanto cómo podemos hablar o referirnos a fuerzas ficticias; es un contrasentido.
Comenzaré enunciando dos aseveraciones: 1. Para describir los movimientos circulares de un cuerpo la fuerza centrífuga nunca se aplica ; 2. La suma de las fuerzas reales, interacción entre masas, dirigidas al centro en un movimiento circular forman la fuerza centrípeta, única responsable de este movimiento y que es proporcional a la masa del cuerpo y al cuadrado de la velocidad con la que gira.
Un ejemplo sería el de la cuerda sujeta a un cuerpo describiendo un movimiento circular en un plano horizontal, sin contar con la fuerza de la gravedad. ¿Cuál es la fuerza centripeta?, la tensión de la cuerda que actúa sobre la masa, y solo ésta. Alguno se preguntará: ¿y la fuerza centrífuga que aparece según la tercera ley de Newton?; le contestaría que sí, que existe y es real, no ficticia, es la fuerza que la masa actua sobre la cuerda: acción-reacción, pero ésta no contribuye para nada al movimiento que describe el cuerpo. Otro ejemplo es el de la Tierra-Luna, la única fuerza responsable del movimiento circular de la Luna es la fuerza de gravedad que la Tierra realiza sobre ella. Si, como muchos explican, se utiliza la fuerza centrífuga para argumentar que la Luna no se escapa de su órbita, estaríamos en una contradición, pues si realizamos la operación de sumas de fuerzas aplicadas a la Luna: fuerza centripeta menos fuerza centrífuga, se anularían y se escaparía tangencialmente de su trayectoria alrededor de la Tierra. Para entender el comportamiento de los cuerpos habrá que contar solo con las fuerzas que actuan entre ellos y sus puntos de aplicación. Otro ejemplo es el del coche que gira en una curva y nosotros nos desplazamos en sentido contrario al centro de dicho recorrido: las fuerzas aplicadas al coche son las del rozamiento de la calzada con las ruedas: la fuerza centripeta, única responsable del giro. ¿Y la fuerza centrífuga que siento cuando estoy sentado en el coche?, pues es la fuerza de reacción que ejerzo sobre el asiento debido a la fuerza de acción que este aplica sobré mí, lo que ocurre es que esta fuerza se efectua sobre mi trasero, que se anula con la fuerza de rozamiento del asiento, pero el resto de mi cuerpo se inclinará como un péndulo; os habéis preguntado si la mosca que vuela dentro del automovil percibe la fuerza centrífuga cuando este gira. En definitiva, la fuerza centrífuga no influye para nada en los movimientos circulares, solo son una consecuencia de la tercera Ley de Newton y son reales no ficticios. En la película de '2001, una odisea del espacio', en unas cuantas escenas aparece un hombre corriendo en la superficie interior de un anillo de grandes dimensiones. De dónde procede la fuerza de 'gravedad artificial' que mantiene al hombre sobre el suelo: si el anillo gira alrededor de su eje con una velocidad angular suficiente para causar una aceleración centripeta equivalente a 'g', el hombre ejercerá una fuerza, por reacción, contra la superficie del anillo de la misma magnitud, lo que llamamos fuerza centrífuga. En el momento que este dé un salto, dejará de actuar dicha 'gravedad artificial'. Yo sentenciaría, para terminar, que argumentar con fuerzas ficticias para explicar ciertos comportamientos físicos es como tratar de evidenciar la sensibilidad o el intelecto con el alma. Un saludo.

[felmon38]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Hola:
Creo que el origen de la confusión viene por haber interpretado mal a D' Alambert, ya que a este se le ocurrió escribir la ecuación fundamental de la Dinamica así: F-ma = 0 por lo que se podía transformar un problema de dinámica como uno de estática si se formula la ecuación de la siguiente manera:
"Si al sistema de fuerzas se le añade el vector -ma el sistema de vectores es equivalente a cero"
Como esto es un poco farragoso, se fue transformando este principio en:
"Si al sistema de fuerzas que actúa sobre un punto material se le añade la fuerza centrífuga (vector -ma) el punto está en equilibrio"
y de aquí viene todo el lio. Esperemos que nos olvidemos de la fuerza centrífuga.
Naturalmente a es la aceleración del punto respecto de un sistema inercial.

[angel relativamente]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

En el mundo con el que interactuamos sólo existen fuerzas reales, ¿podría ser de otra manera?, por tanto cómo podemos hablar o referirnos a fuerzas ficticias; es un contrasentido.

Correcto que sólo existen fuerzas reales, pero eso no quita que no podamos usar el concepto de fuerzas ficticias para describir la naturaleza.

1. Para describir los movimientos circulares de un cuerpo la fuerza centrífuga nunca se aplica

Depende de desde dónde lo quieras describir.

Alguno se preguntará: ¿y la fuerza centrífuga que aparece según la tercera ley de Newton?; le contestaría que sí, que existe y es real, no ficticia, es la fuerza que la masa actua sobre la cuerda: acción-reacción, pero ésta no contribuye para nada al movimiento que describe el cuerpo.

No estoy de acuerdo con la naturaleza que le atribuyes a la fuerza centrífuga. Es cierto que la tensión es una fuerza real que actúa sobre la masa, y que según la tercera ley de Newton aparece otra fuerza real aplicada sobre la cuerda, que es reacción a la tensión. Pero esa no es la fuerza centrífuga. Todo y que tiene el mismo módulo, dirección y sentido, la fuerza centrífuga es una fuerza ficticia que actúa sobre la masa. ¿Y por qué introducir tal fuerza que no tiene origen físico?, pues porque si nos ponemos sobre la bola surge la pregunta, ¿cómo es que estoy en equilibrio si hay una fuerza que tira de mí?, y la única respuesta que se nos ocurre es: Pues porque debe de haber otra fuerza que tire de mí en sentido contrario. Todo esto ocurre al intentar introducir las leyes de Newton a un sistema de referencia no inercial, donde en principio no se cumplen.
No obstante, no debe sorprendernos el uso de las fuerzas ficticias. Si tenemos un sistema de referencia inercial o y un sistema de referencia no inercial o' que se mueve con respecto al otro con una aceleración $\vec A$. Si el primer sistema mide sobre un punto una aceleración $\vec a$, el segundo medirá sobre ese mismo punto una aceleración $\vec a' = \vec a - \vec A$ (transformadas de Galileo). Si hubiese una masa en tal punto, el sistema o dirá sin lugar a dudas que $\vec F= m\vec a$, mientras que el segundo dirá que $\vec F'=m\vec a' =m\vec a - m\vec A$. La expresión $-m\vec A$ tiene unidades de fuerza, pero no tiene ningún agente que la cause ya que $\vec A$ simplemente mide una aceleración relativa entre ambos sistemas. Así que es de sentido común llamarle a dicha expresión "fuerza ficticia", y su uso solo es necesario para salvaguardar las leyes de Newton en sistemas no inerciales.

Esperemos que nos olvidemos de la fuerza centrífuga.

Pues tengo entendido que el concepto es bastante útil, de hecho nuestro profesor nos resolvió algún problema utilizando sistemas de referencia no inerciales (y por tanto usando fuerzas ficticias) en los que se resolvía mucho más rápido que tratando el problema desde un sistema inercial.

Lo único que hay que tener cuidado, tanto en este tema como en otros, es saber separar realidad y ficción

Un saludo.

[simploke]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Hola angel relativamente. Agradezco la consideración que tienes al comentar algunos aspectos sobre mi comentario.

Una puntualización y una pregunta:

- No he negado la existencia de la fuerza centrífuga. Solo digo que es real, no ficticia, que surge de la interacción de las masas. No niego la construcción artificiosa que se puede realizar con ella para comprender ciertos fenómenos físicos.

-La pregunta es la siguiente: en el caso de la cuerda con el cuerpo girando, según tu razonamiento, observo tres fuerzas en el sistema cuerda-cuerpo. Una, la tensión de la cuerda, aplicada al cuerpo; dos, la fuerza de reacción del cuerpo aplicada a la cuerda; tres, la fuerza centrífuga, aplicada al cuerpo. Sobre el cuerpo actuan dos fuerzas de igual magnitud pero de sentido contrario, luego se anulan; solo nos queda la fuerza del cuerpo sobre la cuerda que va dirigida hacia el exterior y perpendicular al circulo que describe. ¿Me quieres decir, entonces, que esta única fuerza, puesto que las otras dos se anulan, describe el movimiento circular del cuerpo?.

Un saludo.

[arivasm]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

- No he negado la existencia de la fuerza centrífuga. Solo digo que es real, no ficticia, que surge de la interacción de las masas.

Si nos movemos en el ámbito de la Física newtoniana la fuerza centrífuga no es real, entendiendo por fuerza real la que procede de la interacción entre *dos* cuerpos (recordemos que fuerza es la influencia que un cuerpo ejerce sobre el movimiento de otro). La fuerza centrífuga no procede de una segunda masa, sino que, como dije antes, es un artificio que hacemos para salvar la 2ª ley de Newton en un sistema de referencia no inercial ("matando" entonces el principio de inercia y la ley de acción y reacción -lo que es mucho matar-).

en el caso de la cuerda con el cuerpo girando, según tu razonamiento, observo tres fuerzas en el sistema cuerda-cuerpo. Una, la tensión de la cuerda, aplicada al cuerpo; dos, la fuerza de reacción del cuerpo aplicada a la cuerda; tres, la fuerza centrífuga, aplicada al cuerpo. Sobre el cuerpo actuan dos fuerzas de igual magnitud pero de sentido contrario, luego se anulan; solo nos queda la fuerza del cuerpo sobre la cuerda que va dirigida hacia el exterior y perpendicular al circulo que describe. ¿Me quieres decir, entonces, que esta única fuerza, puesto que las otras dos se anulan, describe el movimiento circular del cuerpo?.

En primer lugar, si metes en danza la fuerza centrífuga sobre el cuerpo es que estás tomando un sistema de referencia rotante en el que tanto el cuerpo como la cuerda estarían en reposo. También debes meter una *nueva* fuerza (centrífuga) sobre la cuerda.

En segundo lugar, en dicho sistema de referencia no habría movimiento circular de nada, sino reposo. Otra cosa diferente es que después se haga el paso al sistema de referencia inercial teniendo en cuenta la rotación del primer sistema de referencia.

De todos modos: ¿qué ganamos con ese baile de sistemas de referencia, el sacrificio de dos de las leyes de Newton y la introducción (con calzador) de fuerzas inexistentes? Respuesta: absolutamente nada. Moraleja: si "necesito" introducir fuerzas centrífugas es señal de que hay algo que no he entendido bien...(*)

(*) Para que no se me malinterprete, como que hago burla de nadie, he aquí un reto típico al respecto: el origen de las mareas oceánicas...

[Chusg]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Estoy de acuerdo con el anterior mensaje de Arivasm, pero creo que parte de la aparente discrepancia con simploke se debe a que en algunos libros de texto se llama "fuerza centrífuga" a la fuerza que ejerce la masa rotante sobre el eje al que va sujeta la cuerda. Por la tercera ley de Newton, sería una fuerza con el mismo módulo y dirección que la fuerza centrípeta, pero con sentido contrario. Esta fuerza NO actúa sobre la masa que gira y por tanto no se debe incluir a la hora de calcular su aceleración.

Sin embargo lo que se suele llamar fuerza centrífuga por la mayoría de los autores no es eso. Es otra cosa. Como ya han explicado, es una fuerza ficticia que actúa sobre la masa y que tendríamos que usar sólamente en un sistema de referencia en el cual la masa está en reposo (y por tanto no tiene aceleración). Matemáticamente ambas definiciones de fuerza centrífuga vienen a ser lo mismo, pero conceptualmente son muy diferentes.

Estoy de acuerdo en que muchas veces se abusa de las fuerzas de inercia o ficticias y se utilizan sin necesidad. Sin embargo en algunos casos algo más complicados, donde tenemos que analizar la dinámica de cosas que se mueven respecto a un sistema de referencia no inercial en rotación, resulta casi imprescindible utilizar fuerzas de inercia, y no sólo la centrífuga, también la de Coriolis (por ejemplo en meteorología). Si no recuerdo mal, en el caso más general hay 4 fuerzas de inercia: la de arrastre, la centrífuga, la de Coriolis y la acimutal. Aunque dudo que en la práctica haya algún problema donde se tengan que utilizar todas ellas.

[simploke]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Admito que la fuerza de reacción del cuerpo que gira sobre la cuerda no es la fuerza centrífuga. Es inapropiado. Usé esta denominación para no abandonar tal idea, pero, he advertido que crea más confusión que claridad. Convendrás conmigo, que en este caso, desde un sistema de referencia en reposo respecto al sistema cuerda-cuerpo que giran, la fuerza centrífuga no existe, porque llegaríamos a un absurdo, como plantee en el comentario anterior.

Me dices que es ficticia y que sólo actúa sobre la masa en un sistema de referencia que está en reposo, y por tanto no tiene aceleración, pero esto es una trampa, estás, como dicen los filósofos, substancializando el sistema. Es decir, lo tratas como si estuviera sólo en el universo; porque solamente en este caso habría que introducir esa fuerza necesariamente. Pero la masa que sí está en reposo respecto a mí, como observador, está acelerada respecto a las estrellas, a otros cuerpos de referencia. Por tanto esto sería suficiente para no usar ningún artificio que no contradiga las leyes de Newton, pues está claro que se observaría empíricamente que yo y la masa estaríamos en un movimiento circular, y por tanto acelerado con una fuerza centrípeta central de la masa dirigida hacia mí. Me hablas de la fuerza de Coriolis, ¿es ficticia?, ¿acaso, no se puede medir?. Precisamente porque es real es por lo que deduzco que mi sistema de referencia gira, porque es ese movimiento el que provoca dicha fuerza.

En fin, no se trata de convencer, sino de confrontar con argumentos, equivocados o no. Y como la cuestión en este hilo es sobre la naturaleza de la fuerza centrífuga, real o ficticia, mi posición es la siguiente: Desde un punto de vista ontológico sólo existen fuerzas procedentes de la interacción entre las diversas partes materiales que constituyen nuestro universo.

Solo decir que esto me recuerda mucho sobre la substancia ficticia, que llamaron eter, a finales del siglo XIX, para justificar o explicar la propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío.

Un saludo.

[Chusg]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Convendrás conmigo, que en este caso, desde un sistema de referencia en reposo respecto al sistema cuerda-cuerpo que giran, la fuerza centrífuga no existe, porque llegaríamos a un absurdo, como plantee en el comentario anterior.

Si utilizamos un sistema de referencia rotatorio en el cual el sistema cuerda-cuerpo no giran (la aceleración de la masa sería cero respecto a este sistema) es necesario utilizar una fuerza "ficticia" que actua sobre la masa y que tiene sentido opuesto a la fuerza centrípeta. Ejemplo: nos ponemos en el sistema de referencia de un satélite que orbite la Tierra. En ese sistema de referencia la fuerza de la gravedad sigue existiendo, y está dirigida hacia el centro de la Tierra. Pero si sólo consideras esa fuerza, en este sistema de referencia no se cumpliría la 2ª ley de Newton (habría fuerza y sin embargo la aceleración sería cero). Necesitas introducir fuerzas ficticias como la centrífuga para poder utilizar la segunda ley de Newton. No es ningún absurdo, es algo totalmente natural siempre que pretendas utilizar un sistema no inercial para estudiar algún problema. Otra cosa es si realmente tiene alguna utilidad describir las cosas desde el sistema no inercial. En muchos casos no merece la pena, pero en otros sí.

Me dices que es ficticia y que sólo actúa sobre la masa en un sistema de referencia que está en reposo, y por tanto no tiene aceleración

No, sólo actúa sobre la masa cuando utilizamos un sistema de referencia *en el que la masa está en reposo*, la que no tiene aceleración es la masa (respecto a ese sistema de referencia).

Me hablas de la fuerza de Coriolis, ¿es ficticia?, ¿acaso, no se puede medir?. Precisamente porque es real es por lo que deduzco que mi sistema de referencia gira, porque es ese movimiento el que provoca dicha fuerza.

La fuerza de Coriolis no es real, en el sentido de que no procede de ninguna de las interacciones fundamentales. Es ficticia en el mismo sentido que lo es la fuerza de inercia que aparentemente me empuja hacia adelante cuando voy en el coche y freno bruscamente. Por ejemplo a un proyectil de largo alcance le afecta la fuerza de Coriolis, pero si analizamos su movimiento desde un sistema de referencia inercial (que no rote con la Tierra), la unica fuerza que necesitas para describir su dinámica es la gravedad (bueno, y quizá el rozamiento). La de coriolis es sólo una fuerza "aparente", igual que la centrífuga, o igual que la fuerza de inercia "que me empuja" al frenar el coche. Pero a pesar de no ser una fuerza real, muchas cosas resultan complicadas de entender sin recurrir al concepo de fuerza de Coriolis (se puede, pero es más complicado).

Desde un punto de vista ontológico sólo existen fuerzas procedentes de la interacción entre las diversas partes materiales que constituyen nuestro universo.
Solo decir que esto me recuerda mucho sobre la substancia ficticia, que llamaron eter, a finales del siglo XIX, para justificar o explicar la propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío.

Nadie pretende dar entidad "ontológica" a las fuerzas de inercia como la centrífuga, por eso también se las llamas fuerzas ficticias. Son sólo una herramienta de trabajo, esto es lo que debe quedar claro. En los casos más simples probablemente no se aprecie bien la utilidad de este concepto, pero en otros casos son la única manera práctica de abordar ciertos asuntos.

[felmon38]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Perdona Chusg pero la segunda ley de Newton establece que la fuerza que actúa sobre un punto material es ma. Pero esta aceleración , aunque hay textos que no lo indican, es la aceleración del punto ¡¡respecto de un sistema inercial !!. Así que un punto puede tener aceleración nula respecto de un sistema y sin embargo que actúe una fuerza sobre el, y si esto no es intuitivo, hay que olvidarse de la intuición y someterse a las leyes de la Mecanica Newtoniana, si la estamos utilizando.
Pero entonces,¿si el sistema no es inercial que hacemos? Pues sencillamente aplicar la ecuación cinemática que relaciona la aceleración de un punto respecto de dos sistemas de referencia:a=ar+aa+ac.
¿Me puedes decir el caso al que te refieres en el que sea necesario introducir la fuerza centrífuga para resolver el problema ?

[Chusg]

Re: Fuerza centrífuga: real o ficticia?

Perdona Chusg pero la segunda ley de Newton establece que la fuerza que actúa sobre un punto material es ma. Pero esta aceleración , aunque hay textos que no lo indican, es la aceleración del punto ¡¡respecto de un sistema inercial !!. Así que un punto puede tener aceleración nula respecto de un sistema y sin embargo que actúe una fuerza sobre el

No veo que esto contradiga en nada a lo que he dicho yo. En realidad la segunda ley de Newton sólo vale en un sistema inercial, pero trabajar en un sistema no inercial significa utilizar las aceleraciones respecto ese sistema no inercial. Y esto se puede hacer a costa de introducir la fuerzas de inercia (centrífuga, Coriolis, etc). Si no quereis llamarlo fuerzas podeis llamarlo "componente raro de la aceleración multiplicado por la masa", pero al final funciona como si fuera una fuerza.

¿Me puedes decir el caso al que te refieres en el que sea necesario introducir la fuerza centrífuga para resolver el problema ?

Estrictamente necesario no es nunca, pero en algunos casos puede ser más simple utilizar fuerzas de inercia, al menos como herramienta conceptual. En el caso de la fuerza centrífuga ahora mismo no se me ocurre ningún problema en el que ayude de forma clara, porque los problemas en los que la única fuerza de inercia es la centrífuga suelen ser bastante simples. He puesto un ejemplo, sin embargo, con la fuerza de Coriolis (que es otra fuerza de inercia, aparente, ficticia o como querais llamarlas, y sale de la misma fórmula que la fuerza centrífuga, cuando se plantea el problema de modo general). Por ejemplo en meteorología, no es útil utilizar un sistema inercial ni plantear cuál es la aceleración de una masa de aire respecto al sistema inercial "de las estrellas fijas". Se trabaja directamente con velocidades y aceleraciones respecto a la superficie de la Tierra, que es lo que interesa; y no siempre se plantean las ecuaciones completas, a veces es suficiente con hacer un análisis más cualitativo, para saber si el viento se va a desviar para allá o para acá. Y en esas situaciones resulta muy útil el concepto de fuerza de Coriolis.

Por hacer una analogía con otras ramas de la Física (aunque no estoy seguro de si ayudará o si liará más a alguien), sería algo parecido al concepto de "huecos" o de "fonones" en física del estado sólido. No son partículas reales, pero para ciertas cosas ambos conceptos se tratan como si fueran partículas que existen dentro del sólido (los primeros para estudiar la corriente eléctrica en semiconductores, y los segundos para estudiar la transmisión de energía por la vibración del cristal). Estas "partículas efectivas" que no existen físicamente serían algo parecido a las "fuerzas aparentes" de las que venimos hablando, simplemente una herramienta. No obstante, estoy de acuerdo en que a veces se abusa de estas imágenes, y alguien podría caer en la tentación de atribuirles a estas cosas una entidad física que no tienen.