Sciences · Physique
La force centrifuge
La force centrifuge est la poussée vers l’extérieur ressentie dans un objet qui tourne. Ce n’est pas une force réelle mais une force d’inertie : elle n’apparaît que dans le référentiel en rotation.
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Dans un manège, on se sent plaqué contre le siège extérieur ; dans une voiture qui tourne, contre la portière ; dans une essoreuse, le linge se colle à la paroi du tambour. On attribue souvent ces effets à la « force centrifuge ». La physique en donne une explication plus précise : vu de l’extérieur, aucune force ne pousse vers l’extérieur. C’est l'inertie qui tend à faire continuer chaque objet en ligne droite.
Deux points de vue sur un même virage
Vu de l’extérieur (référentiel du sol)
Un passager dans une voiture qui tourne tend, par inertie, à continuer tout droit. La voiture, elle, tourne. Pour que le passager suive la courbe, il faut qu’une force le tire vers le centre du virage : c’est la portière, la ceinture ou le siège qui la fournit. Cette force réelle, orientée vers le centre, est la force centripète (voir mouvement circulaire). Il n’existe aucune force vers l’extérieur.
Vu de l’intérieur (référentiel de la voiture)
Pour le passager, il est immobile par rapport à la voiture. Or la portière le pousse vers le centre. Pour expliquer cet « équilibre » apparent, il faut imaginer une force égale et opposée, dirigée vers l’extérieur : la force centrifuge. Elle est fictive au sens où aucun objet ne l’exerce, mais ses effets sont bien réels pour qui se trouve dans le référentiel tournant.
| Force centripète | Force centrifuge | |
|---|---|---|
| Direction | vers le centre | vers l’extérieur |
| Nature | force réelle (tension, frottement, gravité, réaction) | force d’inertie (fictive) |
| Référentiel | tous, notamment galiléen | uniquement le référentiel en rotation |
| Exercée par | un objet identifiable | aucun objet |
| Formule | m v² / r | m v² / r |
Pourquoi le linge s’essore
Dans le tambour d’un lave-linge qui tourne à 1 200 tours par minute, le linge est retenu par la paroi, qui le force à tourner. L’eau, elle, passe par les trous : rien ne la retient et elle s’échappe en suivant la tangente, en ligne droite. Vu du tambour, on dirait qu’une force centrifuge projette l’eau vers l’extérieur.
La centrifugeuse
Les laboratoires utilisent des centrifugeuses pour séparer les constituants d’un mélange selon leur densité. Les particules les plus denses migrent vers le fond des tubes, sous l’effet d’une accélération qui peut atteindre des dizaines de milliers de fois la pesanteur g, et jusqu’à plusieurs centaines de milliers pour les ultracentrifugeuses.
| Application | Ce que l’on sépare |
|---|---|
| Analyses de sang | plasma, globules rouges, globules blancs et plaquettes |
| Laiterie | crème et lait écrémé |
| Biologie moléculaire | ADN, organites cellulaires, protéines |
| Industrie nucléaire | isotopes de l’uranium (centrifugation gazeuse) |
| Entraînement des pilotes et astronautes | simulation de fortes accélérations |
La force centrifuge sur Terre
La Terre tourne sur elle-même : son référentiel n’est pas tout à fait galiléen. À l’équateur, l’accélération centrifuge due à la rotation vaut environ 0,034 m/s², soit environ 0,3 % de la gravitation. Ses conséquences :
- l’intensité de la pesanteur est un peu plus faible à l’équateur (environ 9,78 m/s²) qu’aux pôles (environ 9,83 m/s²), aussi parce que l’équateur est plus loin du centre ;
- la Terre est légèrement aplatie aux pôles : son rayon équatorial dépasse son rayon polaire d’environ 21 km ;
- les bases de lancement sont placées près de l’équateur (comme Kourou, en Guyane) pour profiter de la vitesse de rotation du sol.
La force de Coriolis, l’autre force d’inertie
Dans un référentiel en rotation, un objet qui se déplace subit une seconde force d’inertie : la force de Coriolis, perpendiculaire à sa vitesse. Sur Terre, elle dévie les masses d’air vers la droite dans l’hémisphère Nord et vers la gauche dans l’hémisphère Sud, ce qui fait tourner les cyclones (voir cyclones tropicaux) et les grands courants. Contrairement à une idée reçue, elle est beaucoup trop faible pour déterminer le sens de rotation de l’eau dans un lavabo.
La gravité artificielle
Une station spatiale en forme d’anneau, mise en rotation, permettrait à ses occupants d’être plaqués contre le sol extérieur, recréant une pesanteur artificielle. Pour obtenir 1 g avec un anneau de 100 m de rayon, il faudrait environ 3 tours par minute. Le principe est connu et souvent représenté en science-fiction, mais aucune station de ce type n’a encore été construite.
Questions fréquentes
La force centrifuge existe-t-elle vraiment ?
Elle n’est pas exercée par un objet : c’est une force d’inertie, qui n’apparaît que lorsqu’on décrit le mouvement depuis un référentiel en rotation. Ses effets, eux, sont bien réels pour qui se trouve dans ce référentiel.
Quelle est la différence entre force centrifuge et centripète ?
La force centripète est réelle et dirigée vers le centre : c’est elle qui courbe la trajectoire. La force centrifuge est fictive, dirigée vers l’extérieur, et n’existe que dans le référentiel qui tourne.
Pourquoi l’eau ne tombe-t-elle pas d’un seau qu’on fait tourner à la verticale ?
En haut de la boucle, si le seau va assez vite, le fond du seau doit pousser l’eau vers le centre pour qu’elle suive le cercle : l’eau reste plaquée contre lui. Il faut pour cela que v² / r dépasse g.
Quelle est la formule de la force centrifuge ?
F = m v² / r = m ω² r, avec m la masse en kg, v la vitesse en m/s, r la distance à l’axe en m et ω la vitesse angulaire en rad/s.