XKCD e la forza centrifuga

You spin me right round, baby, right round, in a manner depriving me of an inertial reference frame. Baby.

Il quote è così bello che merita di essere pubblicato in lingua originale. Qua sotto comunque la traduzione:
Mi fai girare tutto intorno, baby, tutto intorno, in un modo che mi priva di un sistema di riferimento inerziale, baby. LOL!

La forza centrifuga

Secondo i vecchi professori di meccanica la forza centrifuga è come il Molise: non esiste; il motivo non è una pura pippa mentale come potrebbe sembrare, ma deriva, ancora una volta, dalla differenza tra le osservazioni di due osservatori, cosa che mi permette di usare per la decima volta il tag relatività in un mio articolo e di introdurre il concetto di forza apparente.
Prendiamo una macchina che affronta una curva e due osservatori: un pedone (che può essere fermo o in moto a velocità costante, ci mettiamo, per semplicità, nel primo caso) e l’autista del veicolo.
Il pedone osserverà la macchina curvare, cosa che, per le leggi di Newton, può far risalire ad una forza che attira l’auto verso il centro della curva. Questa forza è detta forza centripeta. Anche il guidatore sarà soggetto a questa forza.

Un osservatore si dice inerziale se su di esso non agiscono forze e le leggi della dinamica si basano su osservatori inerziali. Il pedone lo è, ma l’autista no perché, abbiamo visto, è soggetto ad una accelerazione. L’autista si trova fermo rispetto il sistema di riferimento dell’automobile (si dice che l’autista è solidale al sistema di riferimento dell’auto), perché vi è seduto dentro. Essendo fermo la risultante delle forze a lui applicate deve essere nullo, altrimenti la presenza di una forza lo accelererebbe.
Ora, nel momento in cui l’auto affronta la curva,l’autista all’interno della macchina, che, ricordiamo, è un sistema di riferimento non-inerziale, comincerà ad avvertire delle forze dette apparenti dovute al fatto che il sistema di riferimento a cui è solidale sta accelerando. Nel caso della curva ne avvertirà una sola: quella centrifuga, che sarà opposta a quella centripeta, così da rendere la risultante delle forze nulla, così come era richiesto affinché fosse “fermo”.
Questo giochino, tanto semplice quanto incomprensibile ci permette di capire, tra le altre cose, perché quando il pullman frena veniamo sbalzati in avanti, il discorso infatti è lo stesso e, per motivi analoghi, alla decelerazione del mezzo (una forza all’indietro) corrisponde una forza apparente in avanti.

Un’altra applicazione di queste forze apparenti è il pendolo di Foucault, che dimostra la rotazione terrestre misurando la forza di Coriolis, un’altra forza apparente che è molto importante per il clima o per il lancio di oggetti ad alta velocità a lunghe distanze (esempio: un missile balistico o il proiettile per uccidere Zakhaev in Call of Duty 4).
Alla fine della fiera, entrambi i sistemi di riferimento sono validi. Quello inerziale è più semplice ed intuitivo, perché permette di associare ad ogni forza, scambio di energia o quantità di moto una causa ben specifica, ma esistono casi in cui la trattazione in un sistema di riferimento non-inerziale semplifica notevolmente i conti, pagando però il prezzo delle forze apparenti.

Vignetta originale su XKCD

APPROFONDIMENTI:
-Forza centrifuga
-Forza apparente
-Pendolo di Foucault
-Forza di Coriolis
-Sistema di riferimento non inerziale