Fuerza Inercial

Es una fuerza que aparece cuando se realiza la descripción de un movimiento con respecto a un sistema de referencia no inercial, y que por tanto no corresponde a una fuerza genuina en el contexto de la descripción del movimiento del que se ocupan las leyes de Newton que están enunciadas para sistemas de referencia inerciales.

Las fuerzas de inercia son, por tanto, términos correctivos a las fuerzas reales, que logran que se pueda aplicar de forma inalterada el formalismo de las leyes de Newton a fenómenos que se describen con respecto a un sistema de referencia no inercial.

Estas definiciones tienen gran utilidad cuando el contexto más natural o más próximo para la descripción de un fenómeno es una entidad que sufre aceleraciones. En el importante caso particular de entidades de referencia que rotan (por ejemplo la Tierra), aparecen dos términos de fuerza ficticia que son conocidos como: fuerza centrífuga; y fuerza de Coriolis.

Las fuerzas ficticias desempeñan un papel primordial en la Teoría General de la Relatividad (TGR). En esta teoría la interacción gravitatoria se explica como un efecto de la deformación del espacio-tiempo debida a la presencia local de materia y/o energía. Esta deformación tiene como consecuencia que los sistemas de referencia dejan de ser inerciales. Por ello en la TGR la fuerza gravitatoria es una fuerza de inercia.

Ejemplo

El pasajero de un automóvil, que toma este como referencia para medir la aceleración de su propio cuerpo, cuando el vehículo frena o describe una curva, siente una «fuerza» que le empuja hacia delante o a un lateral. En realidad lo que actúa sobre su cuerpo no es una fuerza, sino la inercia (causada por la velocidad de la masa) que hace que tenga tendencia a mantener la dirección y cantidad de movimiento.

Si en lugar de tomar como referencia el propio automóvil (sistema de referencia no inercial) para medir la aceleración que sufren sus ocupantes, tomamos como referencia el suelo de la carretera (sistema de referencia inercial), y determinamos la trayectoria del automóvil, vemos que la variación de velocidad le sucede al coche y que el pasajero se limita a seguir su inercia según la primera ley de Newton.

Ejercicio:

1. Supongamos que un conductor de 75 kg que circula en coche a 140 km/h entra en una situación de choque frontal.

a) Al ver el peligro tarda en reaccionar 0,5s e inicia una frenada que dura 4 s antes de iniciar el contacto. Iniciado el choque, desde que contacta hasta que se detiene totalmente transcurre 0,1s. ¿Cuál será la máxima fuerza que soporta, si la frenada previa redujo su velocidad hasta 72 km/h?

b) Antes de entrar en choque frontal, frena rozando durante 5s contra un talud lateral hasta bajar su velocidad a 36 km/h. Finalmente choca frontalmente tardando 0,1s en detenerse. ¿Cuál es la fuerza máxima que soporta en esta situación?

Recuerda: la Fi mata. ¡No mata la velocidad a la que viajes, mata la aceleración con que te detienes!

Fuerza Centrifuga:

En la mecánica clásica o mecánica newtoniana, la fuerza centrífuga es una fuerza ficticia que aparece cuando se describe el movimiento de un cuerpo en un sistema de referencia en rotación, o equivalentemente la fuerza aparente que percibe un observador no inercial que se encuentra en un sistema de referencia rotatorio.

El calificativo de "centrífuga" significa que "huye del centro". En efecto, un observador no inercial situado sobre una plataforma giratoria siente que existe una «fuerza» que actúa sobre él, que le impide permanecer en reposo sobre la plataforma a menos que él mismo aplique otra fuerza dirigida hacia el eje de rotación. Así, aparentemente, la fuerza centrífuga tiende a alejar los objetos del eje de rotación. El término también se utiliza en la mecánica de Lagrange para describir ciertos términos en la fuerza generalizada que dependen de la elección de las coordenadas generalizadas.

Ejercicios:

1. Una centrífuga tiene un rotor cuyo radio es 10 cm. Cuando el rotor gira a 1000 rpm,

a) calcule la fuerza centrífuga desarrollada, expresada con respecto a la aceleración gravitatoria (g);

b) compare esa fuerza con la que se daría en un rotor con radio 20 cm girando a la misma velocidad.

2. Suponga que no dispone de una centrífuga y quiere usar la gravitación normal para conseguir la misma función. Explique por qué esto no sería práctico.

3. Explique qué es una ultracentrífuga y qué ventaja especial proporciona.

4. ¿Qué tipo de centrifugación debe usarse para separar lipoproteínas (d = 0.91g/ml) de lisozima (d = 1.39g/ml)?