LA GRAVITACIÓN - UNA FUERZA FICTICIA?

Medellín, Abril 2011

FUERZAS FICTICIAS

Concepto de Fuerza

Tenemos una idea empírica de lo que es una fuerza. Cuando tenemos que cargar un aparato de tv doméstica, sentimos la fuerza en nuestras manos y en nuestra columna vertebral. Pero eso que sentimos nosotros es la respuesta a lo que le estamos haciendo al aparato. Cuando un balón está quieto y lo pateamos, el balón se mueve gracias a la acción de la patada. Podemos empujar una piedra grande, y no moverla y sin embargo estamos haciendo una acción contra la piedra y la piedra la está haciendo sobre nosotros, lo que nos produce cansancio y sudor. En este último ejemplo, supongamos que la fuerza aplicada sobre la piedra es horizontal. Si la fuerza no alcanza a mover la piedra, es porque hay una fricción horizontal en sentido contrario que neutraliza la fuerza que hacemos. Si la fuerza fuese mayor que esa fricción, no hay duda de que la piedra se movería horizontalmente.

Que hace que la Luna orbite la Tierra? Newton respondió a esta pregunta, diciendo que hay una fuerza que no es de contacto producida por la mutua atracción de los dos astros y que además es la causante del movimiento de traslación de la Luna.

Ya que una fuerza produce un cambio de estado de un cuerpo, bien sacándolo del reposo o bien aumentándole la aceleración, podemos intuir que una fuerza es lo que es capaz de poner en movimiento un objeto estático o acelerar uno que se encuentra ya en movimiento.

Las principales fuerzas que conocemos son:

.............De Contacto

............De Campo

Entre las primeras podemos mencionar las fuerzas de fricción, Empuje, Tensión y Compresión.

Entre las segundas podemos mencionar las producidas por la gravedad: “el peso de un objeto” y las fuerzas electromagnéticas. Respecto de estas últimas se conoce muy bien las reglas que las rigen, pero no se sabe muy bien cómo se producen.

En mi opinión, no muy experta, creo que la ciencia hoy sólo nos explica bien como se producen las fuerzas de contacto.

Respecto de la fuerza de gravedad, sabemos que existe, la aceptamos, si no la aceptamos peor para nosotros, la cuantificamos, pero la entendemos?

Figura 1 Seway

Sistema Inercial

Es un conjunto de masas, fuerzas, velocidades y aceleraciones, en el cual un observador, considera que el sistema no está acelerado. Las tres leyes de Newton funcionan muy bien en este tipo de sistema.

Primera ley: En un sistema inercial (no acelerado), si no hay fuerzas externas sobre un cuerpo, éste estará en reposo o en movimiento lineal uniforme.

Segunda Ley: En un sistema inercial, si sobre un cuerpo de masa m, se aplica una fuerza F, entonces el cuerpo se acelera con una celeración a y la relación es:

F= ma

La fuerza tiene la misma dirección de la aceleración.

Tercera Ley: Dentro de un sistema inercial, si un cuerpo A aplica una fuerza contra un objeto B, el objeto B aplicará una fuerza igual y de sentido contrario a la primera, sobre el objeto A.

Fuerzas ficticias

Si un observador de un sistema considera que éste no está acelerado y en realidad es un sistema acelerado, entonces cuando ve que un objeto se acelera sin que haya una fuerza conocida que explique el movimiento, para poder aplicar las tres leyes de Newton, se inventa fuerzas ficticias o inerciales.

Veamos varios ejemplos:

Ejemplo 1

Suponemos que un automóvil que se mueve con velocidad constante alta sobre una autopista En un momento dado, el vehículo toma una curva, la cual tiene un radio relativamente grande. Cuando se inicia la curva, el conductor observa que el pasajero, que no está amarrado, se desliza hacia la derecha y golpea la puerta. En este momento el pasajero se detiene, pues la fuerza que intentó sacarlo del carro es neutralizada por la puerta del vehículo. Es probable que el conductor que va amarrado y que además tiene en sus manos la rueda, no se percate que sobre él actúa también esta fuerza. Si el pasajero no sabe que al entrar a la curva el carro se acelera, cree que hay una fuerza que empuja el pasajero hacia la derecha y aunque no entiende que la produce, produce un efecto y la llama fuerza centrífuga.

Realmente que pasó? Cómo el conductor va bien amarrado y tiene el volante en la mano, la correa y la reacción de la fuerza hecha sobre el volante, hacen que éste se acelere. El pasajero, que no está amarrado y cuya fricción al asiento es muy baja, al entrar a la curva tiene la tendencia a seguir en línea recta (Como venía) y eso es realmente lo que está sucediendo.

Figura 2 Fuerza Centrífuga

En la posición 1, tanto el conductor como el acompañante van en movimiento lineal uniforme.

En la posición 2, todo el sistema, aunque el velocímetro marque la misma rapidez, está acelerado. Tiene una aceleración hacia el centro de la curva y es igual a :

V²/r

Esta aceleración es provista por la fuerza de fricción entre la rampa y las llantas del carro. Como hemos dicho que el pasajero no tiene buena fricción con su asiento, entonces tiende a seguir en línea recta. Dentro del carro, el conductor lo que cree es que el pasajero se está moviendo hacia la derecha y como no sabe nada de que el sistema se aceleró, tiene que inventar la fuerza centrífuga para explicar el supuesto movimiento.

Ejemplo 2

Figura 3

En la figura 3 hay un vagón en cuyo interior va un hombre sentado y fijado bien a su escritorio. Sobre éste hay una pelota de ping pong con muy poca fricción con la superficie de la mesa. El vagón pasa suavemente de un movimiento rectilíneo uniforme a uno rectilíneo acelerado y el hombre no lo siente. El hombre ve como la pelota se acerca hacia él y como no ve ninguna fuerza que explique este movimiento, no le queda más remedio que decir que hay una fuerza invisible, no de contacto, que está acelerando la pelota hacia él.

Un observador exterior, inercial, que sabe que el sistema está acelerado, verá otra cosa y dará explicaciones diferentes. El ve que cuando se acelera el vagón, como sobre la pelota no hay ninguna fuerza, esta permanece velocidad uniforme y lo que ve es al hombre acercarse a la pelota, que es la apreciación correcta.

Ejemplo 3

Un hombre está en la posición 1 de una lavadora centrífuga gigante. Cuando la lavadora comienza a girar la pequeña fricción entre los pies del hombre y el piso, lo empujan contra la pared de la lavadora a la posición 2.

El observador no inercial (El mismo que está siendo centrifugado), que desconoce que el sistema está acelerado, cree que hay una fuerza inercial o ficticia que lo empuja hacia afuera y la denomina fuerza centrífuga.

El observador inercial, ve que el hombre es lanzado horizontalmente hacia afuera, pero por la fricción entre éste y el piso de la lavadora. Cuando el hombre llega a la pared se establece un equilibrio de fuerzas, entre una fuerza centrípeta que lo empuja hacia el centro, que es producida por la pared y la reacción a esta fuerza, ejercida por el hombre contra la misma.

Figura 4

Ejemplo 4

Un bloque está amarrado al centro de una plataforma, tal cual se indica en la figura 5. La plataforma circular está rotando con velocidad angular constante.

El observador inercial, exterior, que sabe que el sistema está acelerado y atribuye a la fuerza centrípeta mv²/R ,la causa de la rotación del bloque.

El observador no inercial, que está dentro de la plataforma, cree que el bloque está en reposo, pero como ve que intenta salirse de la plataforma, inventa una fuerza centrífuga que neutraliza la fuerza centrípeta y por tanto también vale:

mv²/R

pero que es hacia afuera.

Figura 5 Seway

Ejemplo 5

Figura 6 Seway

Dentro de un vagón que va acelerado, figura 6, hay una pelota de masa m, colgando del techo por medio de una cuerda. La pelota se ubica hacia atrás de la vertical y produce una tensión en la cuerda.

Un observador inercial, que sabe que el sistema del vagón está acelerado, aplica las leyes de Newton y afirma que la pelotica está acelerada y que la ecuación de este movimiento es:

Tsenθ=ma

El observador no inercial (El que va dentro del sistema acelerado), ve la cuerda tensada, pero cree que la pelota está en equilibrio y de acuerdo con las leyes de Newton plantea las ecuaciones:

Tsenθ= Fuerza ficticia

Tcosθ = mg

Movimientos astronómicos de los seres humanos

Cada ser humano está sometido, entre otros, a los siguientes movimientos acelerados permanentes:

Rotación de la Tierra. Sólo perceptible por el movimiento del cielo.

Translación de la Tierra alrededor del Sol, en sentido anti horario, sólo percibido por el cambio en el cielo nocturno y por las estaciones.

La Tierra también tiene movimientos de precesión, nutación y bamboleo.

Translación del Sol respecto del centro galáctico.

Movimiento de la vía Láctea dentro del grupo local.

Y quien sabe cuántos otros y que tan complejos.

Cuándo un hombre arroja una pelota hacia arriba ve que ésta sube, se detiene y luego cae, el hombre no está viendo los efectos de la rotación de la Tierra y mucho menos de los otros movimientos. Podría ser que el hombre se esté inventando fuerzas para describir el movimiento de la pelota, en este caso la gravitación. Por esta razón no existen sistemas verdaderamente inerciales.

Podríamos pensar que la gravedad, que es una fuerza que existe, que es real, que si no creemos en ella peor para nosotros, es una fuerza ficticia o inercial, causada por todas las aceleraciones no perceptibles, que estamos sufriendo al mismo tiempo?

Hasta donde es sabio pensar que para explicar la naturaleza de la gravedad tengamos que llegar a teorías que van contra el sentido común, como la Relatividad, que al profundizar en ella nos lleva a absurdos, tales como, después de un viaje a una velocidad cercana a la de la luz, podríamos regresar antes de que nuestro padre naciera?

Stephen Hawkin, físico reconocido, que ha trabajado toda su vida con las teorías cuántica y relatividad ha afirmado que las dos no pueden ser simultáneamente ciertas.

El físico Soviético Yakov Perelman escribió, cuando se manifestaba acerca de la importancia de los eclipses de Sol:

“El tercer problema, planteado en los últimos decenios, se refiere a la comprobación de una de las consecuencias de la teoría de la relatividad generalizada. De acuerdo con la teoría de la relatividad, los rayos de las estrellas que pasan cerca del Sol experimentan la influencia de su gigantesca atracción y sufren una desviación, que debe manifestarse en un desplazamiento aparente de las estrellas cercanas al disco solar (figura 57). La prueba de esta consecuencia es posible solamente durante un eclipse total de Sol.

Las medidas efectuadas en los eclipses de 1919, 1922, 1926 y 1936 no dieron, en rigor, resultados decisivos, y el problema de la confirmación experimental de la consecuencia indicada de la teoría de la relatividad sigue todavía planteado7.”

Figura 7

Eclipse de Sol para probar el espacio curvado

Será que la fuerza de gravedad se podría explicar por una fuerza ficticia, observada por nosotros, dentro un sistema no inercial? Conocemos más o menos bien los movimientos de la Tierra: Rotación, Traslación, Precesión, Nutación y Bamboleo. Del Sol conocemos las translación y la rotación, pero desconocemos otros movimientos del sistema solar que también acelerarían la Tierra. Además, también la galaxia está acelerada. Será que las fuerzas que observamos en la Tierra y que son de campo (no de contacto) son fuerzas ficticias debido a todas estas aceleraciones?

Juan Fernando Sanin E

Juanfernando.sanin@gmail.com