Qu’est-ce que l’accélération centrifuge ?
Découverte par Christian Huygens en 1659, la notion d’accélération centrifuge est communément appelée « force centrifuge ». Pourtant, c’est une erreur. En effet, le terme exact est « accélération centrifuge » ou « effet centrifuge » ; la notion de force sera démontrée quelques années plus tard par Isaac Newton.
Depuis Galilée, la loi du mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA) est connue. Celle-ci reconnaît à un objet se déplaçant en ligne droite une accélération constante. De son côté, Huygens démontre qu’un corps exerce une traction sur un fil qui le retient lorsque ce corps a tendance à se déplacer dans le prolongement du fil d’un mouvement accéléré.
Il applique ce procédé aux corps immobiles et aux corps en rotation au bout d’un fil autour d’un point fixe.
Observé quotidiennement dans nos activités, l’effet centrifuge est partout, lors d’un virage en voiture, pour le fonctionnement d’un manège ou dans les processus industriels proposés par Le Garrec, spécialiste des fluides industriels.
Définition et principe de l’accélération centrifuge
Littéralement, l’accélération centrifuge signifie « qui fuit le centre ».
On observe l’accélération d’un corps lorsqu’il est projeté depuis un centre donné et orienté dans la direction qui fuit le centre.
La force centrifuge, qui résulte de la masse multipliée par cette accélération centrifuge, est une résistance au changement de direction imposé par une force centripète.
Nous pouvons en déduire que le concept d’accélération centrifuge est lié à l’accélération acquise par un objet sous l’effet d’une force centrifuge. Cette force centrifuge appartient aux forces d’inertie.
L’accélération centrifuge est la conséquence directe du changement de direction appliqué à un corps en mouvement, causée par une force centripète.
L’accélération a est une grandeur cinématique, dont l’unité SI est le mètre par seconde carrée (m/s2).
L’effet centrifuge est fréquemment utilisé pour le traitement des effluents dans les installations industrielles.
Le saviez-vous ?
Selon les vitesses et les rayons de courbure R, voici quelques ordres de grandeur d’accélérations centrifuges :
- 1 g : train TGV, 360 km/h, R = 10 km.
- 5 g : virage d’un avion à hélice, 1 800 km/h, R = 5 km.
- 13 g : centrifugeuse humaine pour les entraînements des pilotes de chasse, 0.67 tr/s, R = 8 m.
- 504 g : programme essorage d’un lave-linge, 1400 tr/min, R = 23 cm.
- 25 000 g : centrifugeuse de laboratoire, 15 000 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.
Comment calculer l’accélération centrifuge ?
La formule mathématique de l’accélération centrifuge est :
Fc = mv2 / r
avec :
Fc = force centrifuge en N (Newtons)
m = masse en kg
v = vitesse en m/s (mètre par seconde)
r = le rayon en m
L’accélération centrifuge augmente à mesure que la force centrifuge augmente, en augmentant la masse et en réduisant le rayon de giration. On en déduit que l’accélération centrifuge peut être maîtrisée en agissant sur les 3 paramètres suivants :
- la masse (m) ;
- la vitesse (v) ;
- le rayon (R).
Accélération centrifuge et accélération centripète
Tout corps décrivant une trajectoire de ce type possède en coordonnées cylindriques une accélération radiale non nulle, appelée accélération centripète, qui va se diriger vers le centre de la courbure.
Il est important de distinguer la force centrifuge de la force centripète.
- Lors de l’observation d’un système de rotation, on remarque que la force centrifuge est ressentie de l’intérieur du dispositif comme une force qui éloigne du centre du cercle.
- Alors, que vue de l’extérieur, la force centripète va contraindre le corps choisi pour la rotation à une trajectoire circulaire.
Associée à l’exercice d’une rotation rapide d’un corps, la force centrifuge est la résistance au changement de direction imposé par la force centripète, dû à l’inertie de la masse.
Les nombreuses applications industrielles de l’accélération centrifuge
Dans le domaine pharmaceutique et les laboratoires, on utilise la centrifugeuse pour séparer les particules dans un milieu liquide par sédimentation. Les mélanges hétérogènes liquides/solides sont ainsi séparés en poussant les éléments hors du centre de rotation. On parle d’ultracentrifugation.
L’accélération centrifuge est constatée dans de nombreuses applications domestiques :
- pompes primaires dans les habitations ;
- lors d’un virage en voiture ;
- dans le fonctionnement d’une machine à laver.
Nous retrouvons également des pompes centrifuges dans les domaines professionnels et industriels :
- de l’agriculture ;
- des infrastructures pétrolières et chimiques ;
- de l’agroalimentaire ;
- de la cosmétique ;
- de la production d’électricité ;
- du traitement des eaux usées ;
- des systèmes de chaudières.
Les centrifugeuses ne sont pas particulièrement adaptées aux liquides à haute viscosité, plus le produit sera visqueux et plus la rotation sera diminuée.
L’accélération centrifuge est indiscutablement liée à la force centrifuge, à la force centripète et à la gravité terrestre. Appartenant à la mécanique newtonienne, notamment à l’étude du mouvement des corps, l’accélération centrifuge est une avancée majeure dans la conception d’outils industriels performants.
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