¿Cómo es que los objetos pueden atravesar bucles cuando están en la parte superior cuando la fuerza centrípeta y la gravedad actúan hacia abajo?

Las leyes de Newton nos dicen que un objeto no se moverá en una trayectoria curva a menos que una fuerza lo empuje de lado hacia el lado cóncavo de la curva. Cualquier fuerza que tenga ese efecto se llama fuerza “centrípeta”, independientemente de cuál sea la fuente de esa fuerza.

La palabra “centrípeta” proviene de antiguas palabras que significan “búsqueda de centro”, porque la fuerza acelera el objeto hacia el centro de curvatura de su trayectoria.

Un automóvil que negocia una curva en la carretera lo hace con la fuerza centrípeta suministrada por la resistencia de los neumáticos contra el deslizamiento lateral en una carretera.

Una bola lanzada a través del camino de arco familiar (aproximadamente parabólico, descuidando los efectos aerodinámicos) se mueve a lo largo de un camino de curvatura hacia abajo. La fuerza centrípeta que hace que se curve de esa manera es la fuerza gravitacional. La fuerza gravitacional siempre actúa sobre la bola cuando está cerca de la superficie de la Tierra. Cuando la fuerza gravitacional es responsable de la curvatura hacia abajo de la trayectoria de una bola o de cualquier otra cosa, funciona como una fuerza centrípeta.

La palabra “bucle” sugiere la trayectoria de una aeronave que realiza la maniobra acrobática de ese nombre, comenzando y terminando con un vuelo nivelado. Dado que las alas son necesarias para el vuelo nivelado, las fuerzas aerodinámicas pueden entrar en vigor. Sin embargo, en la parte superior de un bucle, el piloto puede optar por hacer que las alas ejerzan fuerza de varias maneras, mediante la manipulación del elevador:

• La fuerza hacia abajo agregará fuerza centrípeta adicional en forma de fuerza aerodinámica a la fuerza gravitacional, y así apretará la curvatura hacia abajo. Los ocupantes de la aeronave serán empujados a sus asientos incluso en la parte superior del circuito.
• La fuerza hacia arriba reducirá la fuerza centrípeta, atenuando la curvatura hacia abajo. Los ocupantes de la aeronave serán retirados de sus asientos, con suerte retenidos por sus cinturones de seguridad. Las alas son menos eficientes cuando se empuja de esta manera, excepto en aviones acrobáticos especializados con alas simétricas, por lo que esta opción es menos popular.
• Mantener un equilibrio entre esas alternativas hará que el avión siga el mismo camino que una pelota con la misma velocidad.

Cuando los objetos están en la parte superior de un bucle, comienzan a caerse, pero también tienen impulso hacia adelante, por lo que no caerán verticalmente, sino que, dejando de lado los efectos aerodinámicos, siguen un camino parabólico. Lo cual, por supuesto, apunta a otro problema. Los únicos objetos que realizan bucles son los aviones que utilizan la aerodinámica para crear fuerzas adicionales que les permiten viajar en un bucle. Un objeto cotidiano, como una roca o una pelota, seguirá un camino parabólico asumiendo que ha sido lanzado con un componente horizontal y vertical a su velocidad (si no hay un componente horizontal, irá hacia arriba y luego hacia abajo nuevamente, suponiendo que esté en el aire quieto).

La fuerza causa aceleración, la aceleración es un cambio de velocidad y puede (y a menudo lo hace) apuntar en una dirección diferente de la velocidad. En movimiento circular con velocidad angular constante en cada punto, la velocidad lineal es un vector tangente pero la aceleración es un vector radial que apunta hacia el centro del círculo.

Esta cayendo Pero está cayendo más rápido de lo que la gravedad solo puede acelerarlo, por lo que aún necesita la fuerza adicional de los rieles (o lo que sea) para compensar la diferencia.

Considere una pelota atada a una cuerda que está balanceando en círculo. La fuerza centrípeta necesaria para evitar que la pelota salga volando proviene de tirar de la cuerda.

Cuando un objeto en el aire libre está haciendo un bucle, ¿de dónde vendría la fuerza? La respuesta, en parte, es la gravedad. Entonces, la fuerza centrípeta no se agrega a la gravedad al evaluar la fuerza hacia abajo sobre el objeto, sino que se resta.

En cualquier caso, el objeto cae hacia abajo cuando está en la parte superior del bucle. Si no, se movería hacia adelante y no haría un bucle.

Tiene la fuerza de dirección incorrecta sobre el objeto en el bucle. Cuando doblas una curva en un automóvil, la fuerza centrífuga te empuja hacia el exterior del circuito. Si esto excede la gravedad en el circuito, una fuerza neta lo empuja hacia la pista, lo que resulta en una fuerza centrípeta equilibrada de la pista que lo empuja hacia atrás.

En un paseo de carnaval, en la parte superior del circuito, te mueves lo suficientemente rápido como para que la aceleración centrípeta apuntada hacia abajo sea mayor de 9.8 ms ^ 2. Eso significa que el asiento en su paseo de carnaval debe empujarlo hacia abajo para lograr esta aceleración. Esto se siente como la gravedad (aunque no del mismo tamaño). Por lo tanto, permanecerá en su asiento y no se caerá.

Sin embargo, si el paseo de carnaval se mueve demasiado lento, la aceleración hacia abajo será inferior a 9.8 y luego la gravedad lo sacará de su asiento y se caerá (a menos que el cinturón de seguridad esté abrochado).