Physique – L’effet centrifuge

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La force centrifuge,

nom courant mais « abusif » de l’effet 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.


Force et accélération centrifuge :

La force centrifuge et le poids s’exerçant sur un objet de masse m sont deux forces qui sont proportionnelles à m, (selon le principe d’équivalence). Aussi, est t-il souvent plus évocateur de considérer, non pas les forces F, mais les accélérations F/m.

L’accélération est une grandeur cinématique, dont l’unité SI est le mètre par seconde carrée, (m/s²).

On peut également utiliser le nombre de g, défini par le rapport entre l’accélération considérée et l’accélération de la pesanteur terrestre, laquelle est environ 9,8 m/s².

En langage courant le nombre de g est donc le dixième de la valeur de l’accélération exprimée en m/s²

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Exemples de quelques ordres de grandeurs pour des accélérations centrifuges

Selon les vitesses (linéaires ou angulaires) et les rayons de courbure R, le calcul numérique donne approximativement :

  • 0,1 g : train TGV, 360 km/h, R= 10 km.
  • 0,5 g : vélo incliné de 26° par rapport à la verticale, 36 km/h, R = 20m.
  • 1 g : future gravité artificielle dans un habitat spatial, 2 tr/min, R = 224 m.
  • 3 g: graine de pois sur plateforme rotative, 366,2 tr/min, R = 2 cm
  • 5 g : ressource ou virage d’un avion à réaction, 1800 km/h, R = 5 km ; ou avion à hélice, 180 km/h, R = 50 m.
  • 8 g : ressource ou virage d’un avion à hélice, 720 km/h, R = 500 m.
  • 13 g : centrifugeuse humaine pour l’entraînement des pilotes de chasse, 0,64 tr/s, R = 8 m.
  • 504 g : essorage du linge d’une machine à laver, 1400 tr/min, R = 23 cm (diamètre du tambour = 46 cm).
  • 25 000 g : centrifugeuse de laboratoire, 15000 tr/min, R = 10,14 cm.
  • 1 000 000 g : centrifugeuse pour l’enrichissement de l’uranium, 100 000 tr/min, R = 9,1 cm (hypothétique).

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 quatre roues dans les virages, [vélos, motos et scooters à 2 roues, scooters à 3 roues équipés de l’Hydraulic Tilting System]

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 capillarité 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.

Inertie :

Mécanique quantique Théorie des CordesA

En physique, l’inertie d’un corps dans un référentiel galiléen (dit inertiel) est sa résistance à une variation de vitesse. L’inertie est fonction de la masse du corps : plus celle-ci est grande, plus la force requise pour modifier son mouvement sera importante1.

La notion d’inertie est à la base du principe d’inertie, première loi de Newton. Elle est encore considérée comme la norme en physique classique. Elle a dû être réinterprétée et augmentée afin de refléter les développements de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique.

L’inertie est une propriété précisée par le principe d’inertie, valable dans les référentiels inertiels (plus exactement : il définit ces référentiels).

L’inertie, notion qualitative, est quantifiée par la masse inerte qui intervient dès la définition de la force, qui elle-même est une quantification de l’idée d’effort nécessaire à influer sur le mouvement inertiel tel que l’expose le principe d’inertie.

Il n’y a pas de théorie unique acceptée qui explique la source de l’inertie. Divers efforts notables à ce niveau ont été faits par des physiciens tels Ernst Mach (voir le principe de Mach), Albert Einstein, Dennis W. Sciama et Bernard Haisch, mais ces efforts ont tous été critiqués par d’autres théoriciens.

Parmi les traitements récents de la question, on peut citer des travaux de C. Johan Masreliez (2006-2009), pour l’édification d’une théorie du cosmos à expansion d’échelle, et ceux de Vesselin Petkov (2009).

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