¿Qué velocidad de aceleración constante le daría a un rodamiento de bolas de un gramo una fuerza gravitacional mayor que Alpha Centauri en el momento en que llegó allí, comenzando desde una posición “estacionaria” en la Tierra?

Creo que la respuesta aquí es bastante trivial. A continuación se muestra la dificultad con la suposición relativamente simplista de que un aumento relativista en la masa aumenta proporcionalmente la gravedad.

Suponga que el rodamiento de bolas de 1 gramo en realidad viaja a una velocidad fenomenalmente alta demasiado cerca de ‘c’ después de haber sido suficientemente acelerado (digamos según los cálculos de Todd Gardiner aquí). Pero de nuevo, esto sigue siendo solo la velocidad ‘relativa’ a la tierra. Desde el marco de referencia de la pelota en sí, solo curva el espacio-tiempo de una manera específica determinada por su 1 gramo de masa en reposo. Y, esta es la baja gravedad familiar que esperamos de una masa de 1 gramo (en comparación con Alpha Centauri). En esta imagen, todo lo demás está corriendo hacia esta área curva del espacio-tiempo a velocidades increíbles. No es obvio que la gravitación experimentada por estas otras partículas de materia será dictada exactamente por el aumento relativo de la masa del rodamiento de bolas solo en este caso. La curvatura del espacio-tiempo debido al rodamiento de bolas sigue siendo realmente la misma, pero el hecho de que la otra materia esté corriendo hacia esta región del espacio-tiempo también puede determinar definitivamente los efectos gravitacionales reales sobre ella. ¿Pero esperamos que esto sea proporcional al aumento de masa relativista? No lo creo.

En realidad, hay otros componentes en el tensor de energía de estrés que determinan la curvatura real del espacio-tiempo, y estos componentes no son masa en sí mismos. Y, estos componentes también se transforman mientras se mueve de un marco de referencia a otro. La imagen real es más compleja en la que consideramos la definición de los tensores de energía de tensión para el rodamiento de bolas y la materia de carrera (o al revés, donde está viajando el rodamiento de bolas). Los conecta a las ecuaciones de campo de Einstein, y quedará con un puñado de ecuaciones diferenciales bastante complejas para resolver, las cuales probablemente no tengan soluciones de forma cerrada.

Las aproximaciones de estos efectos se estudian como arrastre de fotogramas. Pero incluso estos solo se estudian más para los objetos giratorios que ‘arrastran’ el espacio-tiempo ligeramente alrededor de ellos. Los efectos de arrastre de cuadros lineales son aún más pequeños. Imagine que hay tantas galaxias que se mueven realmente rápido, en relación con la Tierra, y su gravedad no se ha amplificado proporcionalmente por el aumento de masa relativista especial. Por lo tanto, un objeto que se mueve muy rápido no necesariamente resulta en una influencia gravitacional proporcionalmente mayor en cuanto a su masa relativista.

Vea mi otra respuesta: la respuesta de Arun Prasath a la relatividad (física): ¿la masa relativista tiene gravedad? donde he tratado de explicar lo mismo

Epílogo: Esto se vuelve bastante profundo. De hecho, en la línea de los efectos de arrastre de cuadros, se puede demostrar que la materia en un lugar aumenta un poco la inercia en otro. ¿Has oído hablar del principio de Mach? Las implicaciones de la relatividad general a este principio también son muy difíciles de descifrar, ya que el efecto puede descomponerse en partes solubles solo para supuestos de límite especiales.

EDITAR: Gracias, Steve Harris por referirse a este artículo: https://home.comcast.net/~peter… .. Esto concluye que, en aproximaciones donde una masa de prueba en movimiento es mucho más pesada que una partícula cercana, su masa gravitacional efectiva se puede pensar que se trata de – 2gamma • m (descanso). Por lo tanto, no hay contradicción en pensar en una masa relativista en movimiento que tenga una masa gravitacional mucho más alta.

Alpha Centauri A tiene una masa de 1.1 masa solar. Eso es [matemática] 2.187405 \ por 10 ^ {30} kg [/ matemática].

La masa relativista es: [matemáticas] m_ {rel} = m_ {o} \ cdot 1 / \ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}} [/ matemáticas]

Entonces obtenemos: [math] 2.187405 \ times 10 ^ {30} kg = 0.001kg \ cdot 1 / \ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}} [/ math]

v = 0.9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999997910023 c

El tiempo para alcanzar esta velocidad con aceleración constante durante 4.336 años luz es [matemática] 2.737 \ veces 10 ^ {11} [/ matemática] segundos.
Por lo tanto, la aceleración constante es [matemática] 5.477 \ veces 10 ^ {- 10} km / s ^ {2} [/ matemática]

Por supuesto, durante esos miles de años acelerando, necesitará aumentar enormemente la potencia de entrada, dado que la masa está creciendo a medida que la velocidad se aproxima a c .

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Uno necesita mostrar el trabajo en el tiempo y la aceleración anteriores. No se pueden usar ecuaciones newtonianas para el tiempo y la distancia en un problema ultrarelativista.

Todavía puede usar la ecuación que fuerza x distancia = energía total, que en este caso es energía cinética o mc ^ 2 donde m es 2.2e30 kg. Entonces necesitas 2e47 julios. Para esto, debe suministrar una fuerza de 4.8e30 N a lo largo de esa distancia de 4.4 años luz que es 4.2e16 m. Esa fuerza provoca una aceleración del objeto de 4.8e33 m / seg, que lo acerca a la velocidad de la luz en la primera fracción de segundo. Entonces, el tiempo de viaje para los observadores en la Tierra es el mismo4.4 años. En el marco del rodamiento de bolas, mucho menos.

Pero la creciente masa te atrapa. Vamos a ignorarlo por un momento. De acuerdo a:

El cohete relativista

Para un cohete relativista, gamma = ad / c ^ 2 +1 y podemos ignorar el 1 en este problema. Aquí a es la aceleración (en el marco del cohete o del cojinete), d es la distancia (4.1e16 m), y la gamma es 2.2e33 (relación de sus masas). Entonces a = 4.8e33 m / seg ^ 2. Eso es 4.9e32 g’s.

El consumo de energía de tratar de acelerar una masa del tamaño de una estrella a 4.8e32 g al final, es bastante grande. Pero espere, esta es la aceleración en el marco del rodamiento, donde el tiempo se dilata por un factor de gamma. ¿Cuál es esa aceleración en el cuadro de inicio? Es menor en un factor de 2.2e33, o 4.8e33 / 2.2e33 = 2.2 metros por segundo ^ 2 en el marco de la estrella. Pero eso está tan cerca de la velocidad de la luz que se siente bastante aplastante a bordo de nuestra nave.

Si desea presupuestar su potencia, debe aplicar una potencia constante a lo largo de esta distancia como un automóvil de carrera de arrastre, por lo que la fuerza multiplicada por la distancia = Fd = energía total cuando llegue allí, que es E = mc ^ 2 donde m es la masa relativista , o el equivalente de energía total de 2.2e30 kg, o algo así como 2.0e47 J (esto tiene energía de supernova, por supuesto). Ahora, divide entre la distancia y obtienes una fuerza de 4.8e30 N. Eso no produce mucha aceleración cuando llegas al final con la masa de 2.2e30 kg (solo 2.2 metros por segundo ^ 2). Pero hmm, esto es bastante sospechoso, el mismo problema. Al principio, esta fuerza hace que el rodamiento de 0.001 kg despegue a 4.8e33 m / s ^ 2, que es la misma aceleración del problema de “aceleración constante”. Sí, el mismo problema.

Entonces, la potencia constante (aquí Fd / t = 1.44e39 vatios) significa una aceleración constante EN EL MARCO DE RODAMIENTO. Y esa aceleración constante es 4.8e33 m / seg ^ 2 (nuestra respuesta). En el marco de estrella que se ralentiza a solo 2.2 m / seg ^ 2 al final, pero en el marco de rodamiento permanece constante durante todo el viaje.

El cálculo del tiempo apropiado (cuánto dura el viaje para el rodamiento) depende del estudiante. El tiempo en el marco de la estrella es de 4.4 años, ya que la cosa alcanza casi-c casi de inmediato (en aproximadamente 10 ^ -25 segundos). No me sorprendería si el tiempo adecuado para el viaje es mucho menos de un segundo.

Por favor, no intente esto en casa, puede perturbar la órbita de la tierra. La conservación del momento ha sido descuidada. Para producir esa aceleración usando cohetes, debes dejar una estela de impulso detrás de la nave. Esto significa que el peso inicial de la nave será mucho más alto que el rodamiento de bolas, el rodamiento de bolas será lo que quede después de que se complete la quemadura.

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