Force centrifuge

La force centrifuge est un cas particulier de force fictive qui apparaît en physique dans le contexte de l'étude du mouvement des objets dans des référentiels non inertiels. L'effet ressenti est dû aux mouvements de rotation de ces référentiels et se traduit par une tendance à éloigner les corps du centre de rotation. C'est, par exemple, la sensation d'éjection d'un voyageur dans un véhicule qui effectue un virage.

Description

== Expression de la force centrifuge

L'expression de la force centrifuge est :

où

• a est l'accélération
• m est la masse de l'objet étudié ;
• ω est la vitesse de rotation du référentiel tournant par rapport au référentiel inertiel ;
• R est la distance du centre de rotation au centre de gravité de l'objet ;

toutes mesurées depuis un seul et même référentiel non-inertiel. Dans le cas d'un véhicule roulant à une vitesse v, on a : et R est alors le rayon de courbure de la trajectoire du référentiel

Exemples

Il existe des cas où l'effet centrifuge peut être recherché, par exemple lors de l'essorage du linge dans un tambour de machine ; Inévitable pour les systèmes en rotation, il peut constituer un désagrément, pour les passagers d'un véhicule négociant un changement de direction, on a alors recours à des artifices pour annuler, ou plutôt compenser cet effet : Combinaison anti-G des pilotes d'avion de chasse, système pendulaire de certains trains, virages relevés des routes, inclinaison des véhicules à moins de trois roues dans les virages.

Essorage du linge

C'est l'emploi le plus simple de l'effet centrifuge. Le mouvement de rotation imposé au linge induit des accélérations transmises aussi aux particules d'eau. Alors qu'elles restaient collées au repos, par viscosité aux textiles, les forces de cohésion deviennent insuffisantes lorsque l'ensemble tourne suffisamment vite. L'équilibre local n'est plus garanti, l'eau est éjectée.

Séparation de liquides

C'est le même principe employé pour séparer les éléments constituant des liquides non homogènes, comme le sang. Le champ de force induit par l'effet centrifuge s'apparente à un champ de pesanteur plus fort qui favorise la séparation d'éléments de densités différentes.

L'enrichissement de l'uranium repose sur ce principe, mais est technologiquement plus compliqué, puisqu'il faut « rendre liquide ce métal » pour pouvoir le centrifuger. C'est-à-dire incorporer les atomes de l'uranium « métal » dans une substance liquide (ou gazeuse), comme l'hexafluorure d'uranium.

Régulateurs à effet centrifuge (sur anciennes machines à vapeur)

Le schéma donné reproduit le principe du régulateur de James Watt. Entraîné, via la courroie, par la machine, le rotor voit ses masselottes s'écarter. Une tringlerie commande alors une vanne. L'action sur la vanne a un effet inverse sur la puissance fournie à la machine: c'est le principe de l'asservissement. Trop vite on ferme la vapeur, trop lent on ouvre, le système finissant par trouver le juste équilibre, et par conséquent un régime régulé.

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  Exemple de régulateur

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  Principe d'un régulateur à effet centrifuge

Train pendulaire

Intérêt du train pendulaire

Les voyages en train sont souvent longs. Il est donc appréciable de pouvoir circuler dans les voitures pour se dégourdir les jambes. Les lignes anciennes sont parfois sinueuses, et les déplacements dans les allées sont alors difficiles à négocier. L'idée du train pendulaire exploite l'effet centrifuge pour incliner les voitures, de telle sorte que la force centrifuge s'ajoute au poids pour donner un poids apparent exactement perpendiculaire au plancher. De ce fait les passagers ne ressentent plus les efforts de cisaillement le long du corps qui tendent à faire perdre l'équilibre.

Dans certains cas cela permet d'augmenter la vitesse mais l'effet est alors reporté sur les voies qui doivent retenir les trains. Là encore on a recours aux virages relevés pour reprendre avec une meilleure incidence la force centripète appliquée aux essieux. Ce qui impose un passage en courbe à une vitesse bien particulière: trop faible, le train penche vers l'intérieur, trop forte on est attiré vers l'extérieur.

La relation pour calculer l'angle auquel les rails doivent être inclinées est:

Poids

La Terre ne constitue pas un référentiel strictement inertiel. Par rapport au référentiel géocentrique, la Terre est animée d'un mouvement de rotation (qui produit par ailleurs l'alternance jour/nuit). Les corps sur Terre sont donc soumis à la force centrifuge ; c'est pour cette raison que les pas de tir des fusées sont situés de préférence à proximité de l'équateur, car c'est là que l'effet est maximal (effet de « fronde ») ; c'est le cas du Centre spatial de Kourou (env. 5 ° de latitude Nord) et de Cap Kennedy (env. 28 ° de latitude Nord).

Cette force centrifuge fait partie du poids, celui-ci ne se limite donc pas à l'attraction terrestre.

Cycle dans les courbes

Avion effectuant un virage dans le ciel

Pour bien comprendre, il faut imaginer que l'avion vire dans un même plan (un peu comme le dessin sur la démonstration de la Force Centrifuge au-dessus). Le calcul reste valable si l'avion exécute un virage plus "complexe".

Comme le montre la formule plus haut, l'accélération centrifuge (et donc la Force centrifuge) est directement liée à la vitesse linéaire de l'appareil.

F = M * V² / R⇔A = V² / R puisque F = M * A d'après la formule de Newton

Considerez un Tomcat F-14 Grumman, capable de voler à 2 485 km/h, ou un Mig-29, atteignant Mach 2,3 ( 2,3 fois la vitesse du son) et vous comprendrez qu'un pilote, aux commandes de ce type d'avion, prenne 8 ou 9 G ( 8 ou 9 fois la gravité terrestre).

Les pilotes de chasse sont spécialement entraînés pour encaisser ces accélérations extrêmes. De plus, ils sont équipés d'une combinaison anti-G pour contrebalancer les effets qu'elles pourraient entraîner (Voile Rouge ou Voile Noir).

Ces deux effets néfastes sont dus à des accélérations, que le pilote perçoit comme positive ou négative (et j'insiste sur le fait que c'est le pilote qui perçoit l'accélération alors que cette dernière n'a pas changé (comme dans le dessin au-dessus) ). Le Voile Rouge consiste en un afflux de sang dans la tête alors que le Voile Noir est le reflux du sang vers les jambes. La combinaison anti-G est un ensemble de poches qui se gonflent pour bloquer ces phénomènes.

Vibreurs de téléphone portable

Une petite masse est fixée excentrée sur l'arbre d'un micro-moteur. Entraînée à grande vitesse de rotation, l'effet centrifuge provoque la réaction du palier qui fait vibrer le combiné.

Notes

Idées fausses

• la force centrifuge est la réaction à la force centripète.
• la force centrifuge obéit au principe d'action-réaction.
• la force centrifuge est une force comme les autres.

Voir aussi

• Centrifugation
• Centrifugation analytique
• Force centripète
• Force de Coriolis

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