Ambos são experimentados por objetos em rotação, mas não são a mesma coisa.

Crédito da imagem: Anthony Ching/Getty Images

As forças centrípetas e centrífugas são as forças experimentadas por objetos em rotação. A força centrípeta mantém um objeto se movendo em um círculo e sempre aponta para o centro desse círculo. Por exemplo, a força gravitacional do sol é uma força centrípeta que mantém a Terra orbitando ao seu redor. Enquanto isso, a força centrífuga é uma força externa aparente em um objeto que está se movendo em um círculo. Um exemplo de força centrífuga seria a sensação que você tem ao andar de carrossel que faz você querer voar para fora.

A DIFERENÇA ENTRE AS FORÇAS CENTRÍPETAS E CENTRÍFUGAS

A principal diferença entre as forças centrípetas e centrífugas é que a força centrípeta é a força que aponta para o centro de um círculo, que mantém um objeto se movendo em uma trajetória circular, enquanto a força centrífuga é a sensação que um objeto sente quando se move nesse caminho circular, com a sensação de estar parecendo afastá-lo do centro do círculo.

As pessoas experimentam a força centrífuga quando fazem uma curva em um carro ou quando um avião faz uma curva. Ocorre no ciclo de centrifugação de uma máquina de lavar ou quando as crianças andam em um carrossel. Um dia pode até fornecer gravidade artificial para naves espaciais e estações espaciais, se conseguirmos que as naves espaciais girem com rapidez suficiente, a força centrífuga pode fornecer alguma semelhança com a sensação normal de gravidade.

Mas a força centrífuga é muitas vezes confundida com sua contraparte, a força centrípeta, porque estão intimamente relacionadas, essencialmente dois lados da mesma moeda.

Força centrípeta é o nome dado a qualquer força que mantém um objeto se movendo em círculo, pense em uma pedra amarrada na ponta de uma corda, com a outra ponta amarrada a algo ou em sua mão. Quando a corda é girada, a tensão nessa corda impede que a pedra voe para longe em linha reta. Essa tensão aponta para dentro, em direção ao centro do círculo. Como outro exemplo, a gravidade do sol fornece a força centrípeta que mantém os planetas se movendo em suas órbitas.

A força centrípeta sempre aponta perpendicularmente à direção do movimento de um objeto. Se você estiver andando de carro e a estrada inclinar e curvar para a esquerda, a força normal da estrada inclinada empurrará o carro para a esquerda. Se a força centrípeta desaparecesse repentinamente, o carro continuaria se movendo em linha reta.

Por outro lado, a força centrífuga é uma força aparente que um objeto sente enquanto se move ao longo de um caminho curvo; e essa força aparente é apontada em uma direção distante do centro do caminho de rotação, de acordo com Christopher S. Baird, da West Universidade Texas A&M.

Centrífuga é a força externa enquanto centrípeta puxa um objeto giratório para dentro. Crédito da imagem: Futuro

Observe que enquanto a força centrípeta é uma força real, a força centrífuga é definida como uma força aparente. Em outras palavras, ao girar uma massa em uma corda, a corda exerce uma força centrípeta para dentro da massa, enquanto a massa "parece" exercer uma força centrífuga para fora na corda.

"A diferença entre força centrípeta e centrífuga tem a ver com diferentes 'frames de referência', ou seja, diferentes pontos de vista a partir dos quais você mede algo", disse Andrew A. Ganse, físico pesquisador da Universidade de Washington. "A força centrípeta e a força centrífuga são realmente exatamente a mesma força, apenas em direções opostas porque são experimentadas a partir de diferentes referenciais".

Se você estiver observando um sistema giratório de fora, verá uma força centrípeta interna agindo para restringir o corpo giratório a uma trajetória circular. No entanto, se você faz parte do sistema rotativo, você experimenta uma aparente força centrífuga empurrando você para longe do centro do círculo, mesmo que o que você esteja realmente sentindo seja a força centrípeta interna que está impedindo você de literalmente sair pela tangente.

Vamos voltar ao exemplo do carro seguindo uma curva inclinada. Se você estiver observando de fora, poderá observar a força centrípeta empurrando o carro para dentro em direção ao centro, mantendo-o se movendo em círculo. Mas se você está dentro do carro, você sente uma força tentando empurrá-lo para longe do centro do círculo, esta é a força centrífuga.

FORÇA CENTRÍFUGA E AS LEIS DO MOVIMENTO DE NEWTON

Essa aparente força externa é descrita pelas leis do movimento de Newton. A primeira lei de Newton afirma que "um corpo em repouso permanecerá em repouso, e um corpo em movimento permanecerá em movimento a menos que seja acionado por uma força externa".

Se um corpo maciço está se movendo pelo espaço em linha reta, sua inércia fará com que ele continue em linha reta, a menos que uma força externa faça com que ele acelere, diminua a velocidade ou mude de direção. Para que ele siga uma trajetória circular sem mudar de velocidade, uma força centrípeta contínua deve ser aplicada em um ângulo reto com sua trajetória. O raio (r) desse círculo é igual à massa (m) vezes o quadrado da velocidade (v) dividido pela força centrípeta (F), ou r = mv^2/F. A força pode ser calculada simplesmente reorganizando a equação — F= mv^2/r.

A terceira lei de Newton afirma que "para cada ação, há uma reação igual e oposta". Assim como a gravidade faz com que você exerça uma força no solo, o solo parece exercer uma força igual e oposta em seus pés. Quando você está em um carro em aceleração, o assento exerce uma força para frente em você, assim como você parece exercer uma força para trás no assento.

No caso de um sistema rotativo, a força centrípeta puxa a massa para dentro para seguir um caminho curvo, enquanto a massa parece empurrar para fora devido à sua inércia. Em cada um desses casos, porém, há apenas uma força real sendo aplicada, enquanto a outra é apenas uma força aparente.

EXEMPLOS DE FORÇA CENTRÍPETA

Existem muitas aplicações que exploram a força centrípeta. Uma delas é simular a aceleração de um lançamento espacial para treinamento de astronautas. Quando um foguete é lançado pela primeira vez, ele está tão carregado de combustível e oxidante que mal consegue se mover. No entanto, à medida que sobe, queima combustível a uma taxa tremenda, perdendo massa continuamente. A segunda lei de Newton afirma que a força é igual à massa vezes a aceleração, ou F = ma.

Na maioria das situações, a massa permanece constante. Com um foguete, porém, sua massa muda drasticamente, enquanto a força, neste caso, o empuxo dos motores do foguete, permanece quase constante. Isso faz com que a aceleração no final da fase de impulso aumente para várias vezes a da gravidade normal. A NASA usa grandes centrífugas para preparar os astronautas para essa aceleração extrema. Nesta aplicação, a força centrípeta é fornecida pela parte de trás do assento empurrando o astronauta para o interior.

As centrífugas de laboratório giram rapidamente e exercem força centrípeta em líquidos como o sangue, que são então separados com base em sua densidade. Crédito da imagem: Shutterstock

Outro exemplo da aplicação da força centrípeta são as centrífugas de laboratório, que são utilizadas para acelerar a precipitação de partículas suspensas no líquido. Um uso comum desta tecnologia é para preparar amostras de sangue para análise. De acordo com o site Experimental Biosciences da Rice University, "a estrutura única do sangue torna muito fácil separar os glóbulos vermelhos do plasma e de outros elementos formados por centrifugação diferencial".

Sob a força normal da gravidade, o movimento térmico causa uma mistura contínua, o que impede que as células sanguíneas se depositem em uma amostra de sangue total. No entanto, uma centrífuga de laboratório típica pode atingir acelerações de 600 a 2.000 vezes maiores que a gravidade normal. Isso força os glóbulos vermelhos pesados a se acomodarem no fundo e estratifica os vários componentes da solução em camadas de acordo com sua densidade.

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RECURSOS ADICIONAIS

• Você pode ler mais sobre os fundamentos da força centrípeta na Swinburne University of Technology. 
• O SciShow fornece um ótimo vídeo de introdução ao tópico, onde eles explicam e comparam as forças centrípetas e centrífugas. 
• A Khan Academy oferece uma discussão matemática do tópico neste artigo.

BIBLIOGRAFIA

• Kuhn, Karl F., "Física Básica: Um Guia Autodidata", Jossey-Bass (2020)
• Morin, David, "Introdução à Mecânica Clássica", Cambridge University Press (2008)

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Referência:

LUCAS, Jim; BIGGS, Ben. What are centrifugal and centripetal forces? Live Science, Nova York, 07, mar. 2022. Referência. Disponível em: <https://www.livescience.com/52488-centrifugal-centripetal-forces.html>. Acesso em: 04, mai. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.