Si la fuerza neta sobre un cuerpo no tiene la misma dirección de la velocidad, se rompe el equilibrio produciéndose un movimiento curvilíneo. Si además, dicha fuerza se dirige siempre hacia un centro fijo (fuerza centrípeta), la trayectoria del objeto será circular.
La aceleración que cambia la dirección de la velocidad, está dirigida (como la fuerza centrípeta) hacia el centro de la trayectoria circular. Se llama también aceleración centrípeta (normal o radial) y su magnitud es la siguiente:
Así, por segunda ley de Newton, tendremos que:
Luego:
Si la rapidez (velocidad tangencial) varía junto a la dirección, el movimiento circular deja de ser uniforme apareciendo una aceleración tangencial. La fuerza resultante tangencial que la origina, se rige también por la segunda ley:
Ejemplo 1
Un avión de combate que hace un rizo en el aire, experimenta la acción de la fuerza centrípeta. Si la aceleración tangencial es nula, la velocidad tangencial es constante.
OBSERVACIÓN N°1
Existe una diferencia entre la velocidad tangencial y la angular. Es importante tenerla clara para entender la dinámica circular.
A) Velocidad Tangencial (V)
Se entiende como la rapidez lineal a lo largo de una trayectoria curva. Se expresa en m/s.
B) Velocidad angular (ω)
Se entiende como la rapidez de rotación (ángulo girado por unidad de tiempo). Se expresa en rad/s o RPM (revoluciones por minuto).
OBSERVACIÓN N°2
Para resolver un problema de dinámica circular, hay que hacer el DCL del cuerpo que lleva movimiento circular. Uno de los ejes debe coincidir con el radio de curvatura (eje radial). El sentido positivo de la aceleración centrípeta (ac) es el sentido positivo del eje radial (osea, siempre hacia el centro de la trayectoria). En éste eje radial se aplica la segunda ley.
Ejemplo 2
La figura muestra una esferita de 80N sujetas por dos cuerdas a los extremos de un eje vertical que gira con velocidad angular constante ω=4 rad/s. ¿Cuál es el valor de las tensiones? ¿Son iguales?
¿Qué velocidad angular debe tener el sistema para que la tensión A sea 1,6 veces la tensión B? La cuerda A tiene 25 cm de longitud.
Un cubo de 1kg gira dentro del embudo con velocidad constante. El embudo forma 37° con la horizontal y su pared interna es rugosa (μ=0,5). ¿Cuál es la velocidad angular máxima y mínima para las cuales el cubo, que se encuentra a 20cm del eje giratorio, no se mueve respecto al embudo ?
OBSERVACIÓN N°3
Finalmente, hay dos conceptos que se utilizan a veces y que se vinculan al tema. Los repasaremos brevemente:
A) Fuerza Centrífuga
Es una fuerza “ficticia” dirigida hacia el exterior que se experimenta en un marco de referencia giratorio. Para entenderlo, imaginemos un insecto dentro de una lata que hacemos girar.
Desde el marco de referencia interior de la lata (marco de referencia no inercial por estar acelerado) el insecto siente una fuerza centrífuga (tan real como la gravedad).
Desde nuestro marco de referencia externo (inercial, no rotatorio) sólo actúa sobre el insecto la fuerza centrípeta.
