Como de costumbre, la respuesta de Robert Frost es objetiva, precisa y clara. “Claro” para un científico o entusiasta aficionado, pero, esta vez, carece de un transporte laico. * *
Y entonces, presento una respuesta menos matemática y una que evoca la experiencia compartida de nuestros sentidos. Sin embargo, siento que es práctico y correcto …
Igual fuerza produce igual aceleración por unidad de masa
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En su experiencia pasada, un martillo se siente pesado y se da cuenta de que hay una fuerza fuerte que lo empuja hacia el suelo. Sientes esta fuerza mientras tus músculos se tensan para sostener el martillo. Su brazo debe ejercer una fuerza contraria para evitar que el martillo caiga. Por otro lado, una pluma se siente muy ligera. Aunque puede verlo, es mucho más ligero que su mano, por lo que no siente ninguna fuerza descendente.
Hasta ahora, tenemos la sensación general de que la fuerza de gravedad (al menos, a una distancia fija de la Tierra) es proporcional (o al menos relacionada con) la masa de un objeto. De hecho, la gravedad ejerce una fuerza que es igual en cada unidad de masa (por ejemplo, es igual para cada gramo de masa).
Entonces, la verdadera pregunta es: si la gravedad aplica 10,000 veces más fuerza sobre el martillo, ¿por qué no cae más rápido? La respuesta es sorprendentemente simple. El martillo es tan grande que es mucho más difícil de acelerar. De hecho, requiere 10,000 veces la fuerza para acelerar a la misma velocidad que un objeto que es 10k menos masivo.
Conclusión:
La fuerza gravitacional y la aceleración en presencia de una fuerza externa son proporcionales a la masa de un objeto. (De acuerdo con la ley de movimiento de Newton, la aceleración es inversamente proporcional a la masa). Los objetos ‘ligeros’ experimentan menos fuerza , pero son fáciles de mover. Los objetos masivos experimentan una mayor fuerza , pero son difíciles de mover. Por esta razón, en ausencia de fricción de aire, los objetos de cualquier masa aceleran hacia una masa grande a la misma velocidad. También orbitan con el mismo período. Es decir, la duración de una sola órbita está relacionada con la distancia desde el centro gravitacional, pero no con la masa del objeto.
Así es como reconcilio las fuerzas en el famoso experimento de Galileo.
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Masa, peso y escalas inerciales
Por cierto, la masa no es lo mismo que el peso. (Aunque, con toda nuestra vida ocurriendo en presencia de un campo gravitacional estático, ciertamente van de la mano). El peso es la fuerza hacia abajo que surge de la interacción de una masa con un campo gravitacional. En el espacio (o en órbita), un martillo no tiene peso aparente. Pero si golpea algo, ciertamente causa trabajo o daño que es proporcional a su masa.
Entonces, ¿cómo puedes medir la masa de un objeto?
[ Actualización: describo dos escalas inerciales aquí]
Como los objetos en el espacio no tienen peso, no puedes medir su masa colocándolos en una balanza. Una balanza de resorte o una balanza siempre registrará cero libras porque la balanza flota, orbita o cae junto con el martillo. Pero puede determinar la masa midiéndola dinámicamente. Se puede construir un dispositivo de medición de masa inercial colocando el martillo en el extremo de un resorte de hoja (o longitudinalmente entre dos resortes en espiral), aplicando una fuerza fija (para que oscile de un lado a otro); y luego midiendo la distancia de desviación o la fuerza requerida para mantener una desviación fija. Cualquiera de los dos puede calibrarse para mostrar la masa del objeto a lo largo de una escala.
Si esta escala de inercia se calibra en la tierra (mediante la comparación de mediciones con una escala convencional), entonces la física y las constantes de resorte no necesitan investigarse ni siquiera comprenderse.
* Una cosa está clara: todavía admiro a Robert Frost, incondicionalmente. Un compendio de sus respuestas de Quora forma la base de una gran introducción a la Física. Como a mi sobrina le gusta decir: “¡Él es una bomba!”
Ellery Davies es un colaborador frecuente de Quora. (Aspira a entrar en la liga de Robert Frost). También es editor jefe de A Wlid Duck .
