¿Por qué la fuerza centrífuga reduce el efecto de la gravedad?

Como explica Alex K. Chen, en el marco de referencia giratorio, simplemente decimos que hay una fuerza llamada “ficticia” sobre todo lo que apunta opuesto al de la gravedad, y así se reduce el efecto de la gravedad.

Sin embargo, para agregar otra perspectiva para su comprensión intuitiva, podría preguntarse cómo es la situación desde la perspectiva de un observador que no está girando junto con la Tierra. Es decir, desde un marco de referencia inercial (no giratorio), no existe tal cosa como la fuerza centrífuga; Entonces, ¿por qué se reduce el efecto de la gravedad para los objetos que giran junto con la tierra?

Como no hay fuerza centrífuga en el marco inercial, la respuesta debe ser, por supuesto, que el efecto de la gravedad no se reduce. Es decir, no hay fuerza que se oponga a la gravedad y cancele parte de ella. Pero entonces, ¿por qué parece que se reduce el efecto de la gravedad?

En primer lugar, aclaremos a qué nos referimos cuando decimos que el efecto de la gravedad parece estar reducido. Suponga que deja caer un objeto dentro de una cámara de vacío en la superficie de un planeta. Por simplicidad, supongamos que estás en el ecuador.

Mientras está en caída libre, la única fuerza relevante que actúa sobre él es la atracción gravitacional entre este y el planeta. Aunque la magnitud de la fuerza gravitacional depende solo de las masas y la distancia entre ellas, el objeto tardará más tiempo en caer al suelo en un planeta giratorio que en uno no giratorio . Esto es lo que queremos decir cuando decimos que el efecto de la gravedad parece estar reducido en un sistema rotativo.

La razón por la que el objeto tarda más en caer en un planeta en rotación es que a medida que la superficie gira, el suelo se acelera constantemente hacia abajo . Esto debe ser cierto porque el parche de tierra debajo del objeto mantiene una trayectoria (aproximadamente) circular alrededor del eje del planeta, lo que requiere que la fuerza neta sobre él apunte radialmente hacia adentro (es decir, hacia abajo, ya que estamos en el ecuador).

Como el suelo está acelerando hacia abajo, la aceleración del objeto en relación con el suelo se encuentra restando la aceleración del suelo de la aceleración absoluta del objeto debido a la gravedad. Por lo tanto, la aceleración debida a la gravedad parece estar reducida. Tenga en cuenta que esto no es una resta de fuerzas, ya que solo hay una fuerza que actúa sobre el objeto que cae. Es simplemente una afirmación de que el suelo es un objetivo en movimiento que se escapa del objeto a medida que se acerca.

Un pequeño extremo suelto: ¿Qué pasa si no estás en el ecuador? En diferentes latitudes, la aceleración centrípeta del suelo debajo de usted es diferente, lo que significa que la fuerza aparente de la gravedad es diferente. Este es un factor que contribuye a por qué la gravedad de la superficie se mide para tener valores ligeramente diferentes en diferentes lugares del planeta. Para más discusión sobre los otros factores, vea ¿Por qué la aceleración gravitacional difiere en diferentes lugares de la tierra?

No estoy tratando de confundir el problema, pero a menudo se ha dicho que la fuerza centrífuga es una fuerza ficticia, mientras que la fuerza de la gravedad es una fuerza real. Sin embargo, de acuerdo con la Relatividad general, se puede argumentar que las fuerzas gravitacionales y las fuerzas centrífugas son fuerzas ficticias.

Para una explicación de la fuerza centrífuga ficticia desde el punto de vista de la mecánica newtoniana clásica, la respuesta de Alex K. Chen y la respuesta de Anthony Yeh (juntas) hacen un excelente trabajo al explicar la fuerza centrífuga y por qué puede considerarse una fuerza ficticia, así que no intentaré reproducir o ampliar esas respuestas. Lea esas respuestas y comprenderá por qué la fuerza centrífuga es una fuerza ficticia.

En esta respuesta, quiero explorar cómo podemos argumentar que la fuerza gravitacional también es una fuerza ficticia y dar una idea adicional de cómo se relacionan la gravedad y las fuerzas centrífugas. Esta explicación comienza en 1907 con la declaración de Einstein del principio de equivalencia. Einstein declaró:

[…] asumimos la equivalencia física completa de un campo gravitacional y una aceleración correspondiente del sistema de referencia.

La idea de Einstein es que no existe un experimento local que pueda diferenciar entre estar en un campo gravitacional y estar en un marco de referencia acelerado. Por lo tanto, en un laboratorio (suponiendo que no se puede ver fuera de la habitación en la que se encuentra) es imposible distinguir entre sentarse en la superficie de la Tierra, experimentar la gravedad de la Tierra y estar en un elevador en el espacio exterior (lejos de cualquier fuente de gravedad) donde se mantiene una aceleración constante de 32.2 pies / segundo / segundo. Entonces, la aceleración es lo mismo que la gravitación.

Ahora la fuerza centrífuga surge cuando hay un objeto o sistema que gira sobre algún eje. Pero la rotación es un tipo de marco de referencia que está en movimiento y que tiene aceleración. La magnitud de la aceleración es constante en un radio dado desde el eje de rotación, pero la dirección de la aceleración cambia de tal manera que siempre es perpendicular a la dirección de movimiento actual; esto es lo que hace que el movimiento sea una rotación.

Entonces, si la fuerza centrífuga es una fuerza ficticia y si la fuerza centrífuga es causada por la aceleración y si la aceleración es equivalente a la gravitación, entonces debe ser cierto que la fuerza gravitacional también es una fuerza ficticia. Pero, ¿cómo puede ser eso cierto? ¿No ejerce la Tierra una fuerza real sobre usted sentado en su silla leyendo esta respuesta?

La respuesta proviene de la teoría de la relatividad general de Einstein. Según la Relatividad general, todo lo que hace la Tierra es causar una curvatura del espacio-tiempo de 4 dimensiones y también según la Relatividad general, un objeto libre siempre viajará a lo largo de una geodésica en este espacio-tiempo curva de 4 dimensiones. Ahora, una geodésica es una forma elegante de decir una línea recta, en particular una geodésica en un espacio-tiempo curvo es el camino que tiene una distancia mínima entre sus puntos finales, al igual que una línea recta en una hoja de papel plana es la más corta la distancia entre sus dos puntos finales y el camino más corto posible en una esfera entre dos puntos es un gran arco circular. La física newtoniana dice que un objeto sin fuerzas que actúan sobre él viajará en línea recta a una velocidad constante, y también es cierto en la Relatividad General que un objeto sin fuerzas que actúa sobre él viajará en una geodésica lo más recta posible línea en espacio-tiempo curvo de 4 dimensiones.

Entonces, la razón por la que parece que hay una fuerza que lo sostiene contra la silla en la que está sentado en este momento es porque la silla le obliga a NO seguir el camino geodésico que de otro modo hubiera seguido en el espacio-tiempo curvo causado por la tierra .

More Interesting

¿Se opuso Einstein a la ley de gravitación universal de Newton de alguna manera? Mi maestro me lo dijo hoy, pero no dio más detalles.

Si la luz no puede escapar de la gravedad de un agujero negro, ¿cómo se disparan los chorros? (astronomía)

¿Por qué la naturaleza parece preferir las tasas exponenciales?

¿Cuáles son las posibilidades de que la detección de ondas de gravedad LIGO haya sido causada por alguien que hackeó el sistema?

¿Por qué los paracaídas caen a la Tierra y las fuerzas ascendentes y descendentes son iguales?

¿Se podría usar la fuerza centrípeta para simular la gravedad en el espacio?

¿Un objeto pesa menos en los polos de la Tierra que en cualquier otro punto?

¿Por qué la gravedad no cuenta como la 'flecha del tiempo'?

¿Es preciso el tratamiento de la relatividad y la gravedad en interestelar?

¿Cuánta gravedad tienen los humanos?

¿Es la fuerza de gravedad en el agua diferente de la fuerza de gravedad en el suelo?

¿Por qué una estrella se expande (fase gigante roja) desde la fuerza externa del núcleo antes de equilibrar por completo la fuerza gravitacional interna del átomo de hidrógeno?

Cuando golpeamos una pelota de fútbol, ​​¿por qué va por un camino curvo? No estamos hablando de la trayectoria del proyectil debido a la gravedad.

¿Cómo afectaría la gravedad el desarrollo de los animales? ¿Las personas que crecieron en la luna o con una gravedad más baja se verían diferentes a nosotros?

¿Qué pasaría con toda la materia en la Tierra si las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnética, nuclear débil y fuerte) no existieran?